专利名称：光纤可调谐起偏器及其制作方法
技术领域：
本发明与光纤通信和光纤传感、测量有关，特别是一种光纤可调谐起偏器，它是基于金属套环长周期光纤光栅的可调谐起偏器。
可调谐性在光纤通信和光纤传感领域中有着很重要的意义，它能够大大提高器件的实用性和灵活性。因此近几年已出现光纤光栅可调谐滤波器。常用调谐的方法是将光纤光栅放入一个调温的容器中，通过改变容器中的温度来调节其波长，显然该调谐方法的装置结构比较复杂，调谐的响应比较慢，电能损耗比较大，效率低。因此，H.G.Limberger等人采用在光栅光纤外表面镀上金属电阻层，通过施加电流，然后转变成焦耳热对光纤光栅进行温度调谐(《Efficient miniature fiber-optictunable filter based on intracore bragg grating and electrieally resistivecoating》IEEE Photonics Technology Letter 10(3)pp361-363 1998)。这种温度调谐方法与前面所述的方法相比，具有体积小，效率高，响应时间短的优点，有着很好的实用性。D.M.Costantini等人将H.G.Limberger所提出的金属化电流加热方法应用于长周期光纤光栅滤波器的波长调谐，取得了很好的效果。最大的波长调谐量为11nm，调谐效率为16.4nm/W。(《Tunable loss filter based on metalcoated long period grating》ECOC’98 pp391-392)。但是上述文献中都没有涉及在保偏光纤上制作长周期光纤光栅可调谐起偏器。
本发明的技术解决方案的总的构思是利用金属电阻套环加热保偏光纤中的长周期光纤光栅而形成一种可调谐起偏器，具体技术方案如下一种光纤可调谐起偏器，其特点是在一高双折射率光纤的纤芯上写有长周期光纤光栅，该光纤光栅的包层外为一层金属电阻套环，该金属电阻套环的两端分别固设有引线电极，上述结构固定在一块绝缘底板上。
所述光纤可调谐起偏器的制造方法，包括下列步骤①在一高双折射率光纤的纤芯上，写入一定长度的长周期光纤光栅；②在该光纤光栅的包层的外面，均匀地镀上一层金属内表层；再在金属内表层上镀上金属镍作为外表层，形成金属电阻套环；③在该金属电阻套环的两端分别焊上一对引线电极；④最后将它们固定在一绝缘底板上。
所述的高双折射率光纤为具有双折射效应的光纤，或熊猫光纤、或蝴蝶光纤、或是椭圆包层光纤；所述的长周期光纤光栅的写入可采用紫外掩模曝光法、或步进移动逐点紫外辐照法、或二氧化碳激光写入法、或微弯法、或电弧放电法；所述的金属电阻套环的内表层金属可为钛、或铂、或金；所述的金属电阻套环可以采用离子溅射方法蒸发和电镀方法形成的金属电阻薄膜，也可以用商品条状电阻片或定做条状电阻片构成；所述的绝缘底板可为绝缘胶木板、有机玻璃板、或塑料板。
本发明光纤可调谐起偏器的工作原理如下。长周期光纤光栅的周期一般为几十到几百个微米，它是一种把纤芯基模耦合到同向传输的包层模的光纤光栅。包层模的能量会因光纤的弯曲而极易被损耗掉，所以它是一种损耗型光栅。它与普通Bragg光纤光栅相比具有背向反射率低、带宽宽和易于批量制作等优点。在长周期光纤光栅的透射谱上一般会出现好几个谐振峰，这是由于纤芯的基模与不同阶次的包层模耦合所形成的，靠近短波方向的是阶次比较低的模，而长波方向的是高阶次的模。根据相位匹配条件，可以求得长周期光纤光栅的谐振波长λres=(ncore-ncladp)Λ]]>式中ncore为纤芯中基模的有效折射率；ncladp为p阶包层模的有效折射率；Λ为光栅的周期。同时在谐振波长处，峰的强度S可以通过解同向传输耦合模方程得出，它满足下面关系式S＝sin2(κL)其中L为光栅的长度，κ为基模和包层模的耦合系数。从式中可以看出当κL＝π/2时，谐振强度可以达到最大。
高双折射率光纤，偏振快轴和慢轴所对应的纤芯折射率nf、ns之间有一定的差别(10-4量级)；同时对应于快轴和慢轴纤芯的基模和各阶包层模的传播常数亦有差异，根据长周期光纤光栅的耦合条件，长周期光纤光栅的每个谐振峰将分裂成两个峰，其对应的中心波长分别为λf和λs。也就是说，如果λf和λs间隔较远，且两个谐振峰损耗足够大，在中心波长λf左右，对应于快轴的偏振光将被耦合到包层里损耗掉，而慢轴的偏振光将在纤芯中无损耗地通过光栅区；反之，在中心波长λs左右，慢轴的偏振光被损耗掉，快轴的偏振光将无损耗地通过，这样就实现了在特定波长处的起偏功能。如果谐振强度做得足够大，消光比可以达到30dB以上。
在双折射率光纤上制作而成的长周期光纤光栅有着很好的温度特性，谐振峰波长的变化随温度的变化呈一定的线性关系，而谐振强度则几乎保持不变。同时它也存在着一些不同于普通的长周期光纤光栅的特点。比如对于周期较大(Λ＞200μm)的长周期光纤光栅来讲，快轴偏振光所对应的第四阶谐振峰的中心波长的变化和外界温度的变化成负比例关系；而慢轴偏振光所对应的第四阶谐振峰则是正调谐，这是由于光纤的掺杂材料不同和温度的变化造成保偏光纤中应力分布的变化所造成的。
基于上述特点，当对光纤光栅外面的金属电阻套环(5)通以不同电流值的直流电，通过电流所产生的焦耳热来改变光栅的温度，就可以实现起偏器的波长电调谐。根据热传导定律，传导的热量正比于温度梯度Q→=-κ▿T.]]>式中κ为材料的热导率。由于光纤光栅加热器为紧包金属电阻套环，热导距离极短(只有60微米)，微型化，热容量很小，因此电流/温度的变化响应速度很快，调谐的效率很高。
综上所述，本发明光纤可调谐起偏器同目前所常见的起偏器相比较，不仅具有插入损耗小、消光比高、背向反射小和易于制作的特点，而且具有调谐结构简单、调谐装置微型化、体积小、调谐速度快、调谐效率高和调谐范围大的优点。
图2是一个在熊猫保偏光纤上制作出来的长周期光纤光栅的透射谱。从图中我们可以看到，波长为1550nm处是快轴偏振光所对应的谐振峰，而在1587nm处是慢轴偏振光所对应的谐振峰，带宽大约为14nm。这两个峰之间隔为37nm，大于谐振峰的带宽，这样有效地保证了起偏器的消光比。由于检测时采用1.5μ波段LED光源，所发出的光不是单偏振态，在一种偏振光被完全损耗掉的情况下光纤中的光功率将减少一半，所以透射谱中只能看到两个损耗略小于3dB的谐振峰，通过公式我们可以计算出它的消光比大于30dB。另外，我们分别检测了第四阶快、慢轴谐振峰波长的温度响应系数，测锝快轴谐振波长的温度响应系数为-0.028nm/℃，而慢轴谐振波长的温度响应系数为+0.132nm/℃。
我们通过一个直流电源给金属套环通以不同的电流，并观察其调谐情况。图3是光纤光栅第四阶慢轴谐振峰中心波长和损耗随电流的增大的变化，即调谐情况。在图中采用了电流的平方值，这是因为金属电阻套环5温度的变化是和电流产生的功率值成正比，即电阻一定的情况下是和电流的平方成正比。从图3中可以看出，电流处于0到150mA的范围内，中心波长的变化和电流的平方值的变化有着很好的线性关系，调谐的范围为16.6nm，同时损耗的变化比较小，幅度变化小于0.3dB。这里我们只给出了慢轴谐振峰的变化情况是由于它具有比快轴谐振峰更大的调谐范围，更加具有代表性。
我们采用专门的测量装置来测量该起偏器的调谐速率，结果为升温调谐的响应时间大约600mS；降温调谐时间取决于散热的快慢，往往要略长于升温调谐时间，大约1s。
本发明光纤可调谐起偏器的起偏效应、调谐范围和调谐速率已可满足在某些光纤通讯系统和光纤传感、测量系统中的实际应用。针对用户对于起偏波长的要求，我们可以通过预先设计长周期光纤光栅的耦合特性，并在光栅的制作过程中控制谐振峰的调谐起始波长。在实际的应用中，用户只需将该起偏器尾纤的两端分别接入光纤系统中，并配以普通的直流电源，就可以通过调节电流的大小来实现特定波长范围内的起偏功能，操作简单易行，可靠性好。
权利要求
1.一种光纤可调谐起偏器，其特征在于它是在一高双折射率光纤(1)的纤芯(2)上写有长周期光纤光栅(4)，该光纤光栅(4)的包层(3)外为一层金属电阻套环(5)，该金属电阻套环(5)的两端分别固设有引线电极(6)，上述结构固定在一块绝缘底板(7)上。
2.根据权利要求1所述的光纤可调谐起偏器的制造方法，其特征在于它包括下列步骤①在一高双折射率光纤(1)的纤芯(2)上，写入一定长度的长周期光纤光栅(4)；②在该光纤光栅(4)的包层(3)的外面，均匀地镀上一层金属内表层；再在金属内表层上镀上金属镍作为外表层，形成金属电阻套环(5)；③在该金属电阻套环(5)的两端分别焊上一对引线电极(6)；④最后将它们固定在一绝缘底板(7)上。
3.根据权利要求2所述的光纤可调谐起偏器的制造方法，其特征在于所述的高双折射率光纤(1)为具有双折射效应的光纤，或熊猫光纤、或蝴蝶光纤、或是椭圆包层光纤。
4.根据权利要求2所述的光纤可调谐起偏器的制造方法，其特征在于所述的长周期光纤光栅(4)的写入可采用紫外掩模曝光法、或步进移动逐点紫外辐照法、或二氧化碳激光写入法、或微弯法、或电弧放电法。
5.根据权利要求2所述的光纤可调谐起偏器的制造方法，其特征在于所述的金属电阻套环(5)的内表层金属可为钛、或铂、或金。
6.根据权利要求2所述的光纤可调谐起偏器的制造方法，其特征在于所述的金属电阻套环(5)可以采用离子溅射方法蒸发和电镀方法形成的金属电阻薄膜，也可以用商品条状电阻片或定做条状电阻片构成。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的光纤可调谐起偏器的制造方法，其特征在于所述的绝缘底板(7)可为绝缘胶木板、有机玻璃板、或塑料板。
全文摘要
本发明是一种基于金属套环长周期光纤光栅的光纤可调谐起偏器，它是在一高双折射率光纤的纤芯上写入长周期光纤光栅，利用该光纤的双折射效应使长周期光纤光栅的每一阶谐振峰分裂成分别对应于快、慢轴的两个谐振峰，这样便在谐振波长处实现了起偏效应，另外为了提高该起偏器的实用性和灵活性，在该起偏器的包层外面设计有一层金属电阻套环，对该金属电阻套环通以不同电流值的直流电，利用电流所产生的焦耳热来改变光栅的温度，就可以实现该起偏器的波长电调谐。本发明同目前所常见的起偏器相比较，不仅具有插入损耗小、消光比高、背向反射小和易于制作的特点，而且具有调谐结构简单、调谐装置微型化、体积小、调谐速度快、调谐效率高和调谐范围大的优点。
文档编号G02B6/34GK1424602SQ0311481
公开日2003年6月18日 申请日期2003年1月10日 优先权日2003年1月10日
发明者高侃, 周赢武, 陈高庭, 方祖捷 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所