CN1136465C - 纤维光栅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在纤维中诱发复数微弯曲的纤维光栅。本发明还涉及使用上述具有非对称模耦合特性的纤维光学设备，比如象纤维光学滤波器、纤维光学偏振器、纤维光学波长可调带通滤波器、纤维光学频率移位器。本发明显示了极强的机械耐久性、长期稳定性，即便在长期高温状态下也能防止光栅变性所造成的光纤维设备老化。尤其是，根据本发明的纤维光栅具有非对称的模耦合特性，它能广泛地应用于光纤维陷波滤波器、光纤维偏振器、光纤维波长可调带通滤波器、光纤维频率移位器等。

Description

纤维光栅

技术领域

本发明涉及纤维光学元件，尤其是一种通过纤维中形成的复数微弯曲将沿纤维传播的光模耦合入其它模的纤维光栅。

本发明还涉及光学设备，尤其是涉及使用上述具有非对称模耦合特性的光栅的纤维光学设备，比如纤维光学滤波器、纤维光学偏振器、纤维光学波长可调带通滤波器、纤维光学频率移位器。

背景技术

近来，纤维Bragg光栅在电子通讯、纤维传感器、激光器等各种纤维光学设备方面的应用不断地增加。纤维Bragg光栅含有沿着光纤维的高低折射率范围的周期堆积。光栅是通过将纤维芯暴露给强激光干涉图而制成的，它具有反射窄波长带宽的光和透射所有该带宽之外波长的特性。其中央反射波长等于纤维折射系数乘以光栅周期的2倍。例如，在1560nm下反射的光栅具有大约535nm的周期。大部分纤维Bragg光栅周期为几百毫微米。

另一方面，长周期纤维光栅具有数百微米的周期。该长周期纤维光栅将沿光栅芯传播的特定波长光耦合入相同传播方向的涂层模。该长周期纤维光栅能够起到带阻滤波器的作用，因为被耦合的涂层模很容易被除去。长周期纤维光栅具有容易制作、降低制作成本、体积小等优点。故在包括光学增幅器的增益补偿滤波器等方面得到应用。

以下，简要地说明一下制作这种长周期纤维光栅的常用方法。

[利用光纤维感光性的方法]

图1是利用单模光纤维感光性制作的常用纤维光栅的断面图。从原理上来说，这一方法和制作纤维Bragg光栅的常用方法是一样的。但是，该方法使用一种特殊光纤维，该光纤维含有一种因填加锗或其它类似物而增强了感光性的纤维芯。

参考图1，单模光纤维一侧暴露于准分子激光器的光10下，纤维芯20的暴露部30的分子结构被变形，故暴露部30具有高折射系数。通过沿着纤维轴以均匀地分隔开的激光照射纤维，就能够获得具有周期性地改变折射系数的单模纤维光栅40。该光栅将沿着光栅芯传播的特殊波长光耦合至涂层模。故此该光栅能起滤波器的作用。

图2是另外一种利用双模光纤维感光特性制作的常用纤维光栅的断面图。该双模纤维光栅40’也同单模纤维光栅一样的方式制作。纤维光栅40’能将基谐LP₀₁模耦合入二级LP₁₁模，因为高折射系数域30’是沿纤维轴非对称形成的。

但是，用这种方法制作的纤维光栅带有时间一长光栅消失的缺点。再有，由于其模耦合效率低，很难制成短纤维光栅。

[利用纤维芯热膨胀的方法]

纤维光栅是利用纤维芯中的掺杂物的温度散射制作的。当纤维芯被强加热时，纤维芯膨胀被掺杂物热散射所诱发。

图3是制作这样的纤维光栅的过程图。参考图3，光纤维芯22用来自大功率激光器的光12较大范围地局部加热形成芯部24。光12沿纤维轴周期性地扫描。为有效地局部加热，可以配合大功率激光器使用凸透镜C聚交光12。可以采用电弧方法取代激光加热方法。

但是，以这种方式制作的纤维光栅带有这样的缺点：为提高芯热膨胀效果要使用掺杂有氮等低分子量元素的特殊光纤维。

[利用由于应力消除所引起的系数变化的方法]

制作光纤维中，如果纤维在被施加张力的状态下被冷却，则由于芯和涂层之间的冷却速度的差异，应力将存在于制作成的纤维芯内。可以通过再加热纤维、提高芯的折射系数来消除该应力。纤维光栅可以利用上述现象制作。即，使用大功率激光器或电弧局部加热光纤维能够诱导折射率变化。

但是，这一方法适用于具有纯净的硅(而不是掺杂锗或其它类似物)构成的芯的光纤维。

[利用纤维芯周期变形的方法]

众所周知，利用两个齿状变形器所引入的纤维芯的密集地被分隔开的微弯曲能够将芯模耦合入涂层模或其它模。在变种情况下，对称芯模LP₀₁能够耦合入比如LP₁₁、LP₂₁、LP₃₁这样的非对称模。因为沿纤维轴产生了不对称变形。

图4是这种纤维光栅的示意图。参考图4，光纤维60被***两个带重复齿的变形器50中。纤维60被施加于变形器50的压力弯曲形成微弯曲。但是，利用这种方法制作的纤维光栅表现出由于施与变形器的压力所带来的不稳定的功能特性。

因此，提出了另一方法，它可以获得较好的重复变形的稳定性。图5显示了根据另一方法的产生纤维芯周期变形的过程图。参考图5，用CO₂激光制成的沟G等间隔地形成，凹沟G被垂设于光纤维两侧的电极70的电弧A加热。如电极70左侧所示，被加热的沟被熔融使纤维芯借表面张力变形。这种基于物理变形的方法可以应用于所有类型的光纤维。但是，为在纤维上作成沟需要大功率激光。再者，在纤维上作成的沟会破坏完成的光栅的抗扭力、弯曲及类似负荷的总强度。如上所述，已有纤维光栅存在着性能差、制作过程复杂的缺点。

本发明的开示

本发明目的在于提供一种改进的能以简单的过程制作的纤维光栅。

本发明另一目的在于提供一种使用上述纤维光栅构成的改进的光学设备。

为实现以上目的，本发明提供了一种在不同光模之间诱发耦合的纤维光栅，它包括：

一段光纤维；

沿该段光纤维形成的若干阶段式微弯曲，每一微弯曲都应力释放。

所说微弯曲之间可以相隔基本上等于被耦合的各种模的一个拍长度的周期间距，该微弯曲部的数量可以是预设的，以获得完全模耦合。另外，所说微弯曲可以不均匀的间隔相隔。

被所说微弯曲施加的应力能够被向不同角度释放。

所说阶段式微弯曲最好是在这样一种状态下通过局部加热光纤维而形成的：由作用于纤维一侧的力而形成的机械应力被施加于纤维上面。最好是，局部加热是使用电弧发射装置完成的。最好是，所说微弯曲是以各种电弧强度被加热的，以便于使应力向不同角度释放。

为达到本发明的另一目的，本发明提供了一种具有偏振相关模耦合关系的光纤维设备，它包括：

一段具有偏振相关有效折射系数的光纤维；

沿该段光纤维形成的若干阶段式微弯曲；

在该设备中，每一微弯曲都应力释放，所说微弯曲之间相隔基本上等于任一偏振成份的两个耦合模的一个拍长度的周期间距。该光纤维是一种偏振保持光纤维或椭圆芯光纤维。该设备进一步可以包括一种消除变换了偏振成份的模的模消除器。

能以上述纤维光栅实现的光学设备包括一个光纤维波长可调带通滤波器，该滤波器包括：

一个借将一个弯曲声波引入一个单模纤维而形成的声频光栅，该光栅具有预定波长宽度和便于经过光模变换的可调中心波长；

与所说声频光栅串联的纤维光栅，该纤维光栅包含有不与固有轴相对称的模耦合，还具有比所说声频光栅的模变换波长宽度还要宽的模变换波长宽度；

消除经过纤维光栅和声频光栅的不对称模光的模消除器；

这里，带通滤波器仅仅通过理想波长下的预定模变换波长宽度的光。

使用于光纤维波长可调带通滤波器的纤维光栅可以与上述的一样。

能以上述纤维光栅实现的光学设备的另一例子是一种光纤维频率移位器，其包括：

一个借将一个弯曲声波引入一个单模纤维而形成的声波光栅，该光栅产生模变换和通过光的频率移位；

与所说声频光栅串联的纤维光栅，该纤维光栅诱发不与固有轴相对称的模耦合，以使不用频率移位就可以使在所说声频光栅中变换的模恢复为原模。

使用于光纤维频率移位器的纤维光栅也可以与上述的一样。

附图的简要说明

图1是利用单模光纤维感光性制作的通常纤维光栅的断面图。

图2是利用双模光纤维感光性制作的通常纤维光栅的断面图。

图3是利用纤维芯热膨胀制作另一种通常纤维光栅的过程图。

图4是诱发纤维芯周期变形的常用方法图。

图5是诱发纤维芯周期变形的另一种常用方法图。

图6A至6C是制作本发明纤维光栅的过程图。

图7是利用光学通信标准单模纤维制作的长周期纤维光栅的滤波器光谱图。

图8是模耦合率相对于通过根据本发明的双模光学纤维模变换器的光波长的曲线图。

图9是已知声光光纤维设备的示意图。

图10是利用本发明纤维光栅和图9所示声光光纤维设备实现的光纤维波长可调带通滤波器的示意图。

本发明最佳实施例。

当以n₀₁表示纤维芯模LP₀₁的有效折射系数、以n_mn表示与芯模相耦合的模LP_m的有效折射系数时，则纤维光栅周期Λ和模变换中心波长λ之间的关系如下公式1所示：

[公式1]

Λ＝1/(n₀₁-n_mn)

对应于特殊光纤维、理想模、理想波长的光栅的周期必须选定为能产生理想的模耦合。但是，根据本发明的光纤维光栅，芯模只是被与一个非对称模(例如：LP₁₁，LP₂₁，LP₃₁，……)模相耦合。

根据本发明的纤维光栅参考显示本发明纤维光栅制作过程的图6A至6C来说明。

首先，在以下光纤维中选定合适的光纤维：比如通常的通信标准光纤维、掺杂有特殊物质的光纤维、偏振保持光纤维、椭圆芯光纤维、椭圆涂层光纤维、色散补偿光纤维、色散变化光纤维、双模光纤维。其次，剥去光纤维外皮，用两个光纤维固定板固定光纤维。

这里，一定不要给固定的光纤维造成因弯曲而生成的诱发应力。如果应力存在，则应该通过喷焰加热光纤维的方式完全消除之。

如图6A所示，固定板110在垂直于除去外皮的纤维100的轴的方向(T)上平动，于是，对两个固定板110和112之间诱发出由光纤维的阶段差产生的应力。在此，由弯曲而产生的应力能够通过调节两个固定板110和112相互间的角度传递给光纤维。

当给垂设于光纤维100两侧电极120提供预定电压产生电弧时，与电弧相连部分的光纤维被熔融，如图6所示，借助由阶段差而产生的应力在两个固定板110、112之间的光纤维上形成阶段式微弯曲B。

如果通过在光纤维的长度方向上移动电极反复地生成电弧的话，则如图6C所示，能够形成光栅周期为L的纤维光栅。该光栅周期可以是不规则的，以能够获得理想滤波器光谱。

微弯曲重复地以相同于不同模之间的拍长度的间距形成。但是，该微弯曲能够以预定的数目形成以在不同模之间诱发理想的模变换。

微弯曲的模耦合效率可以通过以不同的方式消除微弯曲上的应力而使之不同。为此，最好是用不同强度的电弧局部加热光纤维形成微弯曲。

以下，叙述一下利用上述不规则纤维光栅实现的高效光学设备。

[单模光纤维陷波滤波器]

图7是利用光学通信标准单模纤维制作的长周期纤维光栅的滤波器光谱图。长周期纤维光栅是通过在600微米周期单模纤维上形成75个微弯曲而形成的。参考图7，可以看到三个不同波长下的陷波，这是芯模光在变换成不同的涂层模LP₁₂，LP₁₃，LP₁₄之后全部被吸收于纤维外皮中这一光学损失的结果。滤波器中心波长可以通过改变纤维光栅周期被移位。

[双模光纤维模变换器]

图8是模耦合率相关于通过根据本发明的双模光纤维模变换器的光波长的曲线图。模变换器是通过在515微米周期双模光纤维上形成13个微弯曲而被制作成的。该双模光纤维是特殊的，其在维持偏振的时候能够传播1300nmLP₀₁和LP₁₁的芯模。在1300nm附近能够获得超过28nm波长范围的99％以上的模变换效率。被变换的LP₁₁模不是涂层模而是芯模，故光能够无损失地在光纤维中传播。这样的双模光纤维中的模变换完全是仅仅能够以一个不对称光栅所形成，通常的对称光纤维光栅是无助于这种模变换的。

[光纤维偏振器]

偏振保持光纤维用于产生芯模的两个偏振的不同的有效折射系数。当根据本发明的纤维光栅利用这种偏振保持光纤维制作时，光入射到该被制作的纤维光栅上面时，模变换波长就如公式1所示一样随光偏振而变化。特殊波长范围通过将该偏振保持光纤维光栅的周期补偿给一个偏振双耦合模的拍波长，能够使模变换仅仅与一个偏振有关。但是，该偏振保持纤维光栅必须与另一偏振的双耦合模的拍波长有较大的差别。根据本发明的光纤维光栅因含有仅能够消除模变换偏振的手段，可以用作光纤维偏振器。

[光纤维波长可调带通滤波器和频率移位器]

在说明光纤维波长可调节带通滤波器之前先说明一下构成根据本发明光纤维波长可调带通滤波器的声光光纤维设备、光纤维设备。图9是已知声光光纤维设备的示意图。参考图9，第一通孔穿过玻璃锥230的尖端，第二和第三通孔分别穿过细圆柱形压电设备240和金属支持板250。使玻璃锥230、压电设备240以及金属支持板250相互连接，并使第一、第二及第三通孔被对准。除去外皮的单模光纤维260穿过这些通孔。压电设备240的一面与玻璃锥230的平坦面连接，另一面用导电粘接剂与金属支持板250连接。玻璃锥230的尖端与光纤维260连接。交流电源270加于压电设备240的两端，提供一个可调频交流电压。当通过给压电设备240两端加交流电压在压电设备中生成机械振动时，它由玻璃锥230尖端传递给纤维260，于是沿光纤维、也即光纤维声频光栅产生微弯曲的波(W)。当该光栅周期等于能通过光纤维260的两个模、例如LP₀₁和LP₁₁模之间的拍波长时，在两模之间发生模变换。为便于在光纤维上产生带有这一特殊周期的微弯曲，用带有相应于微弯曲的特殊频率的交流电压驱动压电设备240。模变换发生时，通过光纤维的光频率也被该特殊频率移位。当弯曲的声频波的传播距离被控制到大约10cm时，光栅的模变换波长宽度变成几毫微米。在使用声频光栅的声光光纤维设备中，能以交流电压频率的变化容易地控制声频光栅的周期，以便也能够容易地控制模变换波长的中心。因此，该设备应用于模变换器、波长可调滤波器、频率移位器以及光开关等各种光学设备。

图10是利用本发明纤维光栅和图9所示声光光纤维设备实现的光纤维波长可调带通滤波器的示意图。

参考图10，声光光纤维设备300和根据本发明的光纤维光栅310相串联在一起。声光光纤维设备300具有便于入射光模变换的预定波长宽度和可调中心波长。与声光光纤维设备300连接的光纤维光栅310诱发与其固有轴不相对称的模耦合，具有比声光纤维设备300的模变换波长宽度还要宽的模变换波长宽度。所以，通过的光几乎全部被光纤维光栅310变换成理想模。其中，仅仅是具有大约几毫微米波长宽度的预定波长的光被声光纤维设备300变换成LP₀₁芯模。这里，通过附加消除LP₀₁模以外光的手段能够获得带通型滤波器光谱。毫无疑问，透射光的频率因弯曲声波频率增大或减小。

如果声光光纤维设备300和根据本发明的光纤维光栅310具有相同模变换波长宽度的话，透射光仅仅被不带模变换的弯曲声波的频率所频率移位。因此，光纤维波长可调带通滤波器可作为光纤维频率移位器使用，这种场合就不需要附加的模消除器。

通常的光纤维波长可调带通滤波器和频率移位器一直是使用双模光纤维制作的。但是根据本发明，仅仅以单模光纤维即可制作，也不象使用双模光纤维的场合，设备的偏振相关性大大降低。

如上所述，纤维光栅和使用它的光纤维设备能够无需特殊光纤维而简单地制作。也可以利用纤维光栅的高效模耦合的优点制作短光纤维设备。而且，根据设备的强机械耐久性、长期稳定性，即便在长期高温状态下也能防止光栅变性所造成的光纤维设备老化。尤其是，根据本发明的纤维光栅具有非对称的模耦合特性，它能广泛地应用于光纤维陷波滤波器、光纤维偏振器、光纤维波长可调带通滤波器、光纤维频率移位器等。

Claims (7)

1、一种在不同光模之间诱发耦合的纤维光栅，它包括：

一段光纤维；

沿该段光纤维形成的若干阶段式微弯曲，每一微弯曲都应力释放。

2、按权利要求1所说的纤维光栅，其中，所说微弯曲之间相隔基本上等于被耦合的各种模的一个拍长度的周期间距，该微弯曲部的数量是预设的，以获得完全模耦合。

3、按权利要求1所说的纤维光栅，其中，所说微弯曲以不均匀的间隔相隔。

4、按权利要求1所说的纤维光栅，其特征是：所说微弯曲应力被向不同角度释放。

5、按权利要求1所说的纤维光栅，其中，所说阶段式微弯曲是在这样一种状态下通过局部加热光纤维而形成的：由作用于纤维一侧的力而形成的机械应力被施加于纤维上面。

6、按权利要求5所说的纤维光栅，其中，局部加热是使用电弧发射装置完成的。

7、按权利要求6所说的纤维光栅，其中，所说微弯曲是以各种电弧强度被加热的，以便于使应力向不同角度释放。

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