一种工作波长可调谐的光纤模式转换器的制作方法

1.本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种工作波长可调谐的光纤模式转换器。


背景技术：

2.随着光纤技术的不断发展，单模光纤系统已经不能满足许多领域的应用要求。相较于传统单模光纤，少模甚至多模光纤中的高阶模式在众多领域都表现出独特的优势。例如通信领域将基于少模光纤的模分复用技术视为较可行的提升通信网络数据传输能力的解决方案。利用光纤中高阶模式光束在超分辨率成像、激光材料加工、光学捕获等领域都取得成功应用。模式转换器作为光纤系统中高阶模式产生的关键器件成为研究热点。模式转换器大体上可以分为空间型和光纤型，光纤型模式转换器通常在集成度、与光纤网络的兼容性以及制备成本等方面均较空间型模式转换器更有优势。
3.模式选择耦合器型光纤模式转换器由于具有双输出端口的结构特点，使其在实现基模与高阶模式相互转换的同时，可以实现高阶模式与剩余基模的分离输出，而被大量用于少模或多模光纤系统。但是，模式选择耦合器型光纤模式转换器通常由单模和少模光纤熔融拉锥制备而成，在实际应用中面临工作带宽有限、机械强度差、制备重复性差等问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种工作波长可调谐的光纤模式转换器，利用在异质双悬挂芯光纤中集成折射率可调控液体材料的方式，构建模式选择耦合器型光纤模式转换器，并通过调控折射率可调控液体材料的折射率，使双悬挂芯光纤两纤芯相位匹配波长改变，从而实现工作波长调谐，扩展模式选择耦合器型光纤模式转换器的工作波段。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的一种工作波长可调谐的光纤模式转换器，包括双悬挂芯光纤和折射率可调控液体材料，双悬挂芯光纤包括1个小悬挂纤芯、1个大悬挂纤芯、空气孔和包层，小悬挂纤芯和大悬挂纤芯分别紧贴在空气孔的内壁上，空气孔中填充有折射率可调控液体材料，折射率可调控液体材料使小悬挂纤芯中lp
01
模和大悬挂纤芯中lp
11
模实现相位匹配，入射光以lp
01
模从双悬挂芯光纤一端的小悬挂纤芯输入后以lp
11
模从双悬挂芯光纤另一端的大悬挂纤芯输出，或者入射光以lp
11
模从双悬挂芯光纤一端的大悬挂纤芯输入后以lp
10
模从双悬挂芯光纤另一端的小悬挂纤芯输出。
6.进一步的，通过调节环境物理量对折射率可调控液体材料的折射率进行调节，使小悬挂芯中lp
01
模和大悬挂纤芯中lp
11
模的有效折射率改变，进而调控小悬挂纤芯中lp
01
模和大悬挂纤芯中lp
11
模的相位匹配波长，实现工作波长调谐。
7.进一步的，环境物理量是电压或者温度或者磁场。
8.进一步的，小悬挂纤芯的直径为8.5至10.0μm，小悬挂纤芯与包层的折射率差为0.0045～0.0055；大悬挂纤芯的直径为11.5至13.0μm，大悬挂纤芯与包层的折射率差为0.006～0.008；小悬挂纤芯与大悬挂纤芯边缘最小间距为5至8μm。
9.进一步的，小悬挂纤芯中的lp
01
模和大悬挂纤芯的lp
11
模在1.2至1.6μm波长范围内的某一波长下相位匹配，实现模式转换。
10.进一步的，折射率可调控液体材料的折射率为1.444。
11.进一步的，折射率可调控液体材料的填充长度是小悬挂纤芯中lp
01
模和大悬挂纤芯lp
11
模耦合长度的奇数倍，以提高模式转换效率。
12.进一步的，在双悬挂芯光纤侧面制备两个微孔，将折射率可调控液体材料覆盖一个微孔，利用液体虹吸效应将折射率可调控液体材料填充到空气孔。
13.进一步的，进行模式转换时，双悬挂芯光纤一端的小悬挂纤芯与单模光纤纤芯对准熔接，另一端大悬挂纤芯与少模光纤纤芯对准熔接。
14.进一步的，小悬挂纤芯的直径为9μm，小悬挂纤芯与包层的折射率差为0.005，大悬挂纤芯的直径在12.3μm，大悬挂纤芯与包层的折射率差为0.007，空气孔直径为28μm，小悬挂纤芯与大悬挂纤芯边缘最小间距6.7μm，折射率可调控液体材料的折射率为1.444，小悬挂纤芯中lp
01
模和大悬挂纤芯中lp
11
模在1550nm波长下满足相位匹配。
15.本发明的有益效果：本发明通过在双悬挂芯光纤内部集成液体折射率调控材料的方式，构建模式选择耦合器型光纤模式转换器并对其工作波长进行调谐，扩展工作波段，扩大该类器件的应用范围。此外，本发明提出的工作波长可调谐的光纤模式转换器的制备过程不会对光纤的机械强度造成破坏，可有效克服普通模式选择耦合器型光纤模式转换器机械强度差的缺点。本发明结构紧凑、集成度高，可实现模式转换器工作波长的灵活调整。
附图说明
16.图1是工作波长可调谐的光纤模式转换器结构示意图。
17.图2是异质双悬挂芯光纤未填充材料部分横截面结构示意图。
18.图3是填充折射率为1.444的折射率可调控液体材料后双悬挂芯光纤两纤芯模式耦合情况计算结果。
具体实施方式
19.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。
20.结合图1和图2，本发明的一种工作波长可调谐的光纤模式转换器，可实现光纤中lp
01
与lp
11
模的相互转换，并且工作波长可以调谐。由一段双悬挂芯光纤和折射率可调控液体材料5构成。双悬挂芯光纤具有1个小悬挂纤芯1、1个大悬挂纤芯2、1个空气孔3和1个环形包层4，小悬挂纤芯1的直径小于大悬挂纤芯2，小悬挂纤芯1和大悬挂纤芯2悬挂于中心空气孔3两侧的内壁上。折射率可调控液体材料5填充于中心空气孔3内，与小悬挂纤芯1和大悬挂纤芯2直接接触。光纤模式转换器工作波长调谐原理是利用折射率可调控液体材料5其折射率的可调特性，使小悬挂芯1中lp
01
模和大悬挂纤芯2中lp
11
模的有效折射率改变，进而导致两模式的相位匹配波长发生变化。
21.空气孔3中填充折射率可调控液体材料5后，小悬挂纤芯中lp
01
和大悬挂纤芯中lp
11
模可在特定波长下满足相位匹配条件，发生共振耦合，实现lp
01
与lp
11
模的相互转换。光纤模式转换器可以是小悬挂纤芯1以lp
01
模输入，从另一端的大悬挂纤芯2输出，实现lp
01
模到lp
11
模的转换。也可以是大悬挂纤芯2以lp
11
模输入，从另一端的小悬挂纤芯1输出，实现
lp
11
模到lp
01
模的转换。
22.通过调控某一物理量(如电压、温度、磁场等)可以对折射率可调控液体材料5的折射率进行调控，通过调控折射率可调控液体材料5的折射率，可对两纤芯的相位匹配波长进行调控，改变小悬挂纤芯中lp
01
和大悬挂纤芯中lp
11
模发生共振耦合的波长，实现模式转换器工作波长的调谐。
23.小悬挂纤芯1的直径在8.5～10.0μm范围之内，纤芯与包层的折射率差为0.0045～0.0055；大悬挂纤芯2的直径在11.5～13.0μm范围之内，纤芯与包层的折射率差为0.006～0.008。小悬挂纤芯1和大悬挂纤芯2的边缘最小间距范围是5～8μm。在中心空气孔填充未调控时折射率为1.444左右的折射率可调控液体材料5后，小悬挂纤芯中的lp
01
模可以和大悬挂纤芯中的lp
11
模发生共振耦合，形成定向耦合器，实现模式转换，小悬挂纤芯1中的lp
01
模和大悬挂纤芯2的lp
11
模能够在1.2～1.6μm波长范围内的某一波长下实现相位匹配，进行模式转换。相位匹配波长确定的方法是在异质双悬挂芯光纤参数确定后，利用有限元法计算该光纤小悬挂纤芯中lp
01
和大悬挂纤芯中lp
11
模的色散曲线，两色散曲线交点对应的波长就是相位匹配波长。
24.利用高频co2激光在异质双悬挂芯光纤侧面制备两个微孔，将折射率可调控液体材料5覆盖其中一个微孔，利用液体虹吸效应将液体折射率调控材料填充到异质双悬挂芯光纤中心空气孔中。通过控制两个微孔的间距实现填充液体折射率调控材料长度的控制，折射率可调控液体材料5的填充长度应为小悬挂纤芯1中lp
01
模和大悬挂纤芯2中lp
11
模耦合长度的奇数倍，以确保高的模式转换效率，耦合长度为光从小悬挂纤芯中lp
01
模全部耦合到大悬挂纤芯中lp
11
模所需要的最短光纤长度。
25.下面结合具体参数给出实施例。
26.结合图1和图2，本发明的工作波长可调谐的光纤模式转换器包含1个小悬挂纤芯1、1个大悬挂纤芯2、1个中心空气孔3和1个环形包层4。两悬挂纤芯截面圆心处于中心空气孔3截面圆心的一条直径上，且悬挂于中心空气孔3中心两侧的内壁上。中心空气孔3直径为28μm，小悬挂纤芯1的直径为9μm，纤芯与包层4的折射率差为0.005。大悬挂纤芯2的直径在12.3μm，纤芯与包层4的折射率差为0.007。两悬挂纤芯的边缘间距6.7μm。当空气孔3中填充未调控时折射率为1.444的折射率可调控液体材料5后，小悬挂纤芯1中lp
01
模和大悬挂纤芯2中lp
11
模在1550nm波长下满足相位匹配条件，耦合长度为8.05mm。
27.利用光纤熔接机手动熔接模式，将异质双悬挂芯光纤一端的小悬挂纤芯1与单模光纤纤芯对准熔接，异质双悬挂芯光纤另一端的大悬挂纤芯2与少模光纤纤芯对准熔接。将异质双悬挂芯光纤放置于高频co2激光加工系统的三维载物台上，并将其调整到激光焦平面上。在显微镜下调整光纤方位，使两悬挂纤芯所在平面与激光方向垂直。利用高频co2激光多次扫描，在异质双悬挂芯光纤中心空气孔侧壁上制备出一个微孔，同时保证两悬挂纤芯完好。调节三维载物台，使异质双悬挂芯光纤沿轴向移动8.05mm，然后制备第二个微孔。将磁流体用水稀释，使其折射率为1.444，然后滴到其中一个制备的微孔上，由于虹吸效应，磁流体将流入中心空气孔。待磁流体填充满两个微孔之间的中心空气孔后，将紫外胶涂覆到两个微孔上并用紫外光源固化，完成工作波长可调谐的光纤模式转换器的制备。
28.由图3可知，在空气孔中填充折射率为1.444的折射率可调控液体材料后，小悬挂纤芯1中lp
01
模和大悬挂纤芯2中lp
11
模在1550nm波长下相位匹配，可以有效实现模式转换
功能。