可磁调控分光比的单模光纤耦合器的制作方法

本发明涉及一种光纤磁场传感器，特别涉及一种可磁调控分光比的单模光纤耦合器。

背景技术：

磁流体是一种利用表面活性剂将10nm左右大小的磁性颗粒均匀分散在基液中所形成的稳定磁性胶体。它既具有固体磁性材料的磁性又具备液体的流动性特点，同时拥有许多优异的磁光特性，包括：法拉第效应，可调折射率，磁控双折射等。

光纤耦合器是一种实现光信号功率在不同光纤间的分配或组合的光器件，其中2×2单模光纤耦合器具有典型性且应用最为广泛。它是一种四端口元器件，由直通光纤和耦合光纤组合而成。一种光纤耦合器的工作原理如图1所示，光从输入端口P1进入耦合器，一部分沿着直通光纤传播，从输出端口P3传出，另一部分光在耦合区(腰区6)耦合到耦合光纤，从出输出端口P4传出。耦合器的输出分光比定义为耦合端口P4的功率和总输出功率之比，即C＝P4/(P3+P4)。

传统的单模光纤耦合器结构一旦确定之后，分光比也就会随之固定，再实际应用中分光比不能满足需求时，需要重新设计制作所需分光比的耦合结构或者在光纤耦合器腰区周围包覆固定折射率的液体进行分光比的调节。

技术实现要素：

本发明是针对制成后单模光纤耦合器分光比无法调整的问题，提出了一种可磁调控分光比的单模光纤耦合器，制作工艺简单、成本低廉、调谐线性度高。

本发明的技术方案为：一种可磁调控分光比的单模光纤耦合器，包括拉2×2单模光纤耦合器、四氟管、UV胶和磁流体，拉制两根单模光纤成两端大向中间变小的锥形结构，中间段形成直径不变一段耦合腰区，形成2×2单模光纤耦合器,2×2单模光纤耦合器的两根单模光纤穿入四氟管中，四氟管中注满磁流体，单模光纤耦合器的耦合腰区置于磁流体环境中，四氟管的两端用UV胶密封，磁流体包覆的耦合腰区置于外加磁场中实现磁调控分光比。

所述2×2单模光纤耦合器的耦合腰区两根单模光纤的折射率相同。

本发明的有益效果在于：本发明可磁调控分光比的单模光纤耦合器，在光纤耦合器的耦合腰区包覆磁流体，通过外加磁场来调控磁性纳米粒子的分布和排列，改变磁流体的折射率，从而实现对单模光纤耦合器分光比的在线、实时调谐。

附图说明

图1为本发明可磁调控分光比的单模光纤耦合器结构示意图；

图2为本发明单模光纤耦合器结构腰区的纵向截面图；

图3为本发明单模光纤耦合器结构腰区的横向截面示意图；

图4为本发明可磁调控分光比的单模光纤耦合器结构实物图；

图5为本发明研究磁调控分光比单模光纤耦合器耦合特性的实验装置示意图；

图6为本发明在波长1550nm处可磁调控分光比的单模光纤耦合器的分光比随外磁场的调谐特性图。

具体实施方式

如图1所示可磁调控分光比的单模光纤耦合器结构示意图，包括拉制形成锥形结构的2×2单模光纤耦合器、四氟管3、UV胶4和磁流体5。拉制两根单模光纤1和2成两端大向中间变小的锥形结构，中间段形成直径不变一段耦合腰区6，形成2×2单模光纤耦合器。2×2单模光纤耦合器的两根单模光纤1和2穿入四氟管3中，四氟管3中注满磁流体5，耦合腰区6置于磁流体5环境中，四氟管3的两端用UV胶4密封。磁流体5包覆在耦合腰区6周围，外加磁场7置于磁流体5包覆的耦合腰区6外侧。两根单模光纤1和2拉制形成的锥形结构在有光通过时可以产生倏逝波。在外加磁场7变化时，磁流体5的折射率会相应的改变，从而影响耦合腰区6处产生的倏逝波。

单模光纤中间部分的涂覆层剥去约2cm长，清洁干净后将剥去涂覆层的裸光纤进行打结操作，之后通过气泵将光纤固定在光纤拉锥系统上，设定好拉锥系统参数后对光纤进行熔融拉锥，拉锥后的结构在紫外灯辅助下用UV胶和U型玻璃槽封装固定。

所用两根相同直径的单模光纤为G.652D单模光纤，纤芯直径为8.7μm、包层直径为125μm。制作的光纤耦合结构的耦合腰区6显微照片如图2和3所示纵向图和横向截面示意图，耦合腰区6的耦合径向尺寸为8.5μm。如图3所示横向截面是椭圆形的，两根光纤融在一起拉锥，弱耦合的时候是哑铃型，强耦合的时候是椭圆形。对于直径的大小看自己操作，拉的长度越大，径向尺寸就越小。原始光纤的截面为直径125μm的圆形，在理想的拉锥过程中，截面任何方向的尺寸均匀减小，拉锥完成后每一根光纤任何位置的截面都是圆形，耦合腰区6直径最小，图3中的a是耦合区直径。

将制作好的光纤耦合结构插入内径为3mm的四氟管中，用注射器将磁流体缓慢注入管内，磁流体逐渐充满管并包覆在光纤耦合结构周围，最后用UV胶将毛细管的两端口密封，以防止磁流体受污染或溶剂挥发。图4为实验制作的磁流体包覆单模光纤耦合结构实物图。实验中使用的是水基磁流体，其纳米磁性颗粒的直径约为10nm，在25℃时的密度为1.18g/cm³，饱和磁化强度约为20mT。制作耦合器所用的磁流体为原磁流体和载液按1:10稀释而得。

根据耦合理论，耦合器耦合端的输出功率P4可表示为：

P4＝P0sin²(CL) (1)

其中：P0是P1端口的输入光功率，L为耦合结构的耦合长度，C＝3πλ/[(32n₁a²)(1+1/V)²]为整个耦合区域的耦合系数。V＝[(2πa)/λ](n₁²-n₀²)^1/2，λ为入射光波长，a为耦合区直径，n₀和n₁分别为外界环境和光纤的折射率。由式(1)可知，耦合器的耦合系数C与外界环境折射率n₀、耦合长度L、耦合区径向尺寸2a(实际的径向尺寸如图3所示，为8.5μm，此尺寸与2a有微小偏差，引起的误差可忽略不计)和入射光波长λ有关。当将磁流体包覆在耦合区时，由于磁流体的折射率n₀随外界磁场强度的变化而变化，因此，耦合系数C也将随外界磁场强度的变化而变化，从而导致耦合器的直通端和耦合端的输出功率比随磁场强度的变化而变化，即能够实现可磁调控分光比的单模光纤耦合器。

两根耦合光纤的直径可不同，只要耦合后折射率相同或相近都可实现，相同为最佳。

图5为研究磁调控分光比单模光纤耦合器耦合特性的实验装置示意图。实验匀强磁场的方向垂直于耦合结构的轴线，磁场强度可通过调节供电电流来连续调节。光源的发出光的波长为1550nm。入射光进入耦合器的P1端，直通端和耦合端的输出功率P3和P4由光电探测器监测和记录。图6为耦合区径向尺寸为8.5μm的单模光纤耦合结构的分光比随磁场的变化关系。实验结果表明，该耦合结构的风光比在6-26mT磁场范围内线性变化量为0.53，相应的磁场变化灵敏度为0.0275/mT。本发明的耦合结构具有易制作、易于集成、分光比线性可，其在光纤耦合领域有很好的应用前景。