CN113917711B - 一种可调谐纤内集成光功率分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调谐纤内集成光功率分束器，包括输入光纤(1)、环形波导芯多模中空光纤(2)、输出光纤(3)；环形波导芯多模中空光纤(2)由内至外依次为空气孔(2‑1)、环形波导芯(2‑2)和包层(2‑3)；空气孔(2‑1)中注有折射率可变的填充材料(4)，环形波导芯多模中空光纤(2)置于外置电场中，通过调节外置电场对折射率可变的填充材料(4)的折射率进行调节；单束光功率通过输入光纤(1)耦合入环形波导芯多模中空光纤(2)、被均分成多束光功率经输出光纤(3)输出。本发明具有纤内集成、体积小、易调谐、分束功能优异等优点，与光纤器件兼容性好，易与光学***集成。

Description

一种可调谐纤内集成光功率分束器
技术领域
本发明属于纤内集成光器件与光纤通信技术领域，涉及一种可调谐纤内集成光功率分束器。
背景技术
光纤技术的不断发展也促进国内外对光纤集成方面的深入研究，将各种有源、无源器件集成到光纤内部，可以极大减小器件的尺寸和重量，同时避免了各个可动部件之间由于装配、固定和调整带来的变化和不一致，提高纤内集成光器件的性能和温度稳定性。
光功率分束器是一种将输入光分成为率相等的若干输出光的器件，光通信***、光纤用户网、光纤CATV、光无源网络(PON)、光局域网等领域中被广泛应用，它常常用来实现对光路连接、光信号传输方向控制、光信号功率分配、各器件之间的耦合控制。
随着光功率分束器的应用日益广泛，许多学者投入到光功率分束器的研究中，专利号为CN212515124U的“一种功率分配器”，其特征在于所述分配器是由一个1X3光分路器与两个1X4光分路器级联而成，具有体积小，***损耗小的优点，但是设计成本高，不利于与光纤***集成，且功能单一，无法实现调谐功能。
而在专利号为CN106772803B的“多模光纤分束器及其制备方法”，其特征在于输入光纤为多模光纤，输出光纤为多根单模光纤，将输出光纤去除包层并进行拉锥，利用马赫曾德尔干涉仪原理，将入射光分为多束。但是，上述光纤分束器功能单一，无法实现调谐作用，且由于纤芯之间耦合效率低，因此分束效果较差。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可调谐纤内集成光功率分束器，具有纤内集成、体积小、易调谐、分束功能优异等优点，与光纤器件兼容性好，易与光学***集成。
为解决上述技术问题，本发明的一种可调谐纤内集成光功率分束器，包括输入光纤、环形波导芯多模中空光纤、输出光纤；环形波导芯多模中空光纤由内至外依次为空气孔、环形波导芯和包层；空气孔中注有折射率可变的填充材料，环形波导芯多模中空光纤置于外置电场中，通过调节外置电场对折射率可变的填充材料的折射率进行调节；单束光功率通过输入光纤耦合入环形波导芯多模中空光纤、被均分成多束光功率经输出光纤输出。
进一步的，在入射光在环形波导芯多模中空光纤中干涉长度保持不变条件下，通过调节外置电场大小调谐环形波导芯的折射率，实现调谐入射光波段使得不同波段入射光被均分时的分束数量相同。
进一步的，在入射光在环形波导芯多模中空光纤中干涉长度保持不变条件下，通过调节外置电场大小调谐环形波导芯的折射率，实现调谐某波长入射光被均分成多束光功率的分束数量。
进一步的，外置电场由外置电极通电产生。
进一步的，输入光纤包括纤芯和包层。
进一步的，输出光纤包括纤芯和包层。
进一步的，输出光纤的纤芯数量等于分束数量。
本发明的有益效果：本发明提出一种在线可调谐的纤内集成光功率分束器，发挥了纤内集成的优势，采用环形波导芯多模中空光纤，其中空的结构为注入填充材料提供了封闭空间；外置电极通电产生电场，电场作用导致折射率可变的填充材料折射率发生变化，可间接调节环形波导芯内有效模式折射率，并且可以通过调节电场实现对折射率大小的控制，从而实现对传输波导中光的各个模式的光波的传播常数进行调谐，使得不同工作波段的光均可实现相同数量的分束比，或使得相同工作波段的光实现不同的分束比。
附图说明
图1为本发明可调谐纤内集成光功率分束器的结构示意图；
图2为本发明可调谐纤内集成光功率分束器的输入光纤横截面示意图；
图3为本发明可调谐纤内集成光功率分束器的环形波导芯多模中空光纤横截面示意图；
图4为本发明可调谐纤内集成光功率分束器的输出光纤横截面示意图；
图5(a)为本发明可调谐纤内集成光功率分束器的数值仿真图输入端模场分布示意图；
图5(b)为本发明可调谐纤内集成光功率分束器的数值仿真图多模干涉耦合过程模场分布示意图；
图5(c)为本发明可调谐纤内集成光功率分束器的数值仿真图11等分模场分布示意图；
图5(d)为本发明可调谐纤内集成光功率分束器的数值仿真图6等分模场分布示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
结合图1至图5(d)，本发明包括输入光纤1、环形波导芯多模中空光纤2、输出光纤3、折射率可变的填充材料4和外置电极5；输入光纤1、环形波导芯多模中空光纤2和输出光纤3依次连接；输入光纤1中包括纤芯1-1，包层1-2；环形波导芯多模中空光纤2包括空气孔2-1、环形波导芯2-2、包层2-3；折射率可变的填充材料4由高压注入至空气孔2-1，外加电极5对环形波导芯2-2施加电场；输出光纤3包括纤芯3-1，包层3-2，其中纤芯的数量由分束数量决定。
基于多模干涉原理，一束光通过输入光纤1耦合入环形波导芯2-2中，在环形波导芯多模中空光纤的波导中进行传播，会使得光纤波导中不同模式的光波之间发生干涉，从而在波导中分出多条光束，经过一定长度的传输，进而耦合入多芯输出光纤中，实现对某一波长的光束进行等功率的分束。环形波导芯多模中空光纤2将输入光纤单束光功率均分成多束光功率从输出光纤3输出。将折射率可变的填充材料4充入环形波导芯多模中空光纤中央空气孔2-1处，通过调整外置电场，实现对填充材料折射率的调节，进而调谐环形波导芯多模中空光纤中各个模式的光波的传播常数，在不改变环形波导芯多模中空光纤2结构的前提下，对分束器工作波段以及分束数量进行调谐。
依据多模干涉耦合原理，光在环形波导芯多模中空光纤中的干涉长度为：
其中N是输出模式的数量，即分束数量，n是环形芯的折射率，a是环形芯的小圆半径，λ为入射光的波长。为保证输出，光在环形波导芯多模中空光纤中的干涉长度需要满足等于环形波导芯多模中空光纤2的长度，因此由公式可知，在不改变环形波导芯多模中空光纤2结构的前提下，环形波导芯多模中空光纤2的长度是确定的，则通过调节环形芯的折射率n，可以实现对同一入射光不同分束数量的均分，或者对不同波长的入射光相同分束数量的均分。通过调整外置电场对填充材料折射率进行调节从而调节纤芯折射率。
实施例1:
以6等分功率分束器为例，设计一种工作波段可调谐的功率分束器，本发明可以通过实例实现：
不同波长的光实现6等分所需要的光纤长度不同，在光纤结构参数不变的前提下，可以通过调节外加电场的大小，调谐光纤中各个模式的光波的传播常数，进而实现对干涉长度的调节，使得不同波段的光在不同电场大小的影响下，均可以在环形波导芯多模中空光纤末端分为6束光，进而实现对工作波段的调谐功能。
该功能使得分束器可以有更大的工作带宽，使得分束器可以在不同的工作波段工作，调谐方便，且节约成本。
实施例2:
以6等分功率分束器为例，设计一种分束数量可调谐的功率分束器，本发明可以通过实例实现：
某一波长的光，实现7等分与6等分的干涉长度不同，因此在光纤结构参数不变的前提下，可以通过调节外加电场的大小，调谐光纤中各个模式的光波的传播常数，进而实现对干涉长度的调节，使得7等分与6等分拥有相同的干涉长度，且该长度等于光纤长度。此时调制外加电场的大小，即可实现对分束数量的调谐功能。
此功能可以在不破坏原有光纤结构下，实现输出光数量的调控，调谐方式简单，只需更换出输出光纤，节约了制作成本。

Claims (7)

1.一种可调谐纤内集成光功率分束器，其特征在于：包括输入光纤(1)、环形波导芯多模中空光纤(2)、输出光纤(3)；环形波导芯多模中空光纤(2)由内至外依次为空气孔(2-1)、环形波导芯(2-2)和包层(2-3)；空气孔(2-1)中注有折射率可变的填充材料(4)，环形波导芯多模中空光纤(2)置于外置电场中，通过调节外置电场对折射率可变的填充材料(4)的折射率进行调节；单束光功率通过输入光纤(1)耦合入环形波导芯多模中空光纤(2)、被均分成多束光功率经输出光纤(3)输出。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐纤内集成光功率分束器，其特征在于：在入射光在环形波导芯多模中空光纤(2)中干涉长度保持不变条件下，通过调节外置电场大小调谐环形波导芯(2-2)的折射率，实现调谐入射光波段使得不同波段入射光被均分时的分束数量相同。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐纤内集成光功率分束器，其特征在于：在入射光在环形波导芯多模中空光纤(2)中干涉长度保持不变条件下，通过调节外置电场大小调谐环形波导芯(2-2)的折射率，实现调谐某波长入射光被均分成多束光功率的分束数量。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐纤内集成光功率分束器，其特征在于：外置电场由外置电极(5)通电产生。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐纤内集成光功率分束器，其特征在于：输入光纤(1)包括纤芯(1-1)和包层(1-2)。
6.根据权利要求1所述的一种可调谐纤内集成光功率分束器，其特征在于：输出光纤(3)包括纤芯(3-1)和包层(3-2)。
7.根据权利要求6所述的一种可调谐纤内集成光功率分束器，其特征在于：输出光纤(3)的纤芯(3-1)数量等于分束数量。
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