单模光纤弯曲结构磁控可调光衰减方法及衰减器.pdf

本发明涉及光纤通信和光纤激光领域，为提供一种可以通过改变磁场强度来控制光传输损耗的非机械式可调光衰减器。这种衰减器结构简单、易于制作，只需调节磁场的大小即可控制衰减量。为此，一种单模光纤弯曲结构磁控可调光衰减器，由输入光纤、U型弯曲的单模光纤、输出光纤、软套管、磁流体、表面刻有U型槽的基板构成，输入光纤、U型弯曲的单模光纤和输出光纤均为标准单模光纤，并依次相连形成光通路，U型弯曲部分的单模光纤的涂覆层被去除并用磁流体来替代，磁流体外部由软套管封装；通过调节施加在磁流体上的磁场大小来对光信号与磁流体之间的作用状态进行调节，便可实现对光信号的磁控衰减。本发明主要应用于激光、光纤通信。

权利要求书
1.  一种单模光纤弯曲结构磁控可调光衰减器，其特征是，由输入光纤、U型弯曲的单模光纤、输出光纤、软套管、磁流体、表面刻有U型槽的基板构成，输入光纤、U型弯曲的单模光纤和输出光纤均为标准单模光纤，并依次相连形成光通路，U型弯曲部分的单模光纤的涂覆层被去除并用磁流体来替代，磁流体外部由软套管封装；通过调节施加在磁流体上的磁场大小来对光信号与磁流体之间的作用状态进行调节，便可实现对光信号的磁控衰减。

2.  如权利要求书1所述的单模光纤弯曲结构磁控可调光衰减器，其特征是，磁流体是用分散剂包裹的纳米级磁性颗粒的水或油溶液；磁流体外部软套管两端采用胶水封装，胶水为紫外胶、502胶、或AB胶。

3.  如权利要求书1所述的单模光纤弯曲结构磁控可调光衰减器，其特征是，基板为非磁性的金属板、塑料板、或聚合物板；基板表面的U型槽的槽宽为0.5mm至1mm之间，U型槽弯曲部分的曲率半径在2mm到5mm之间；软套管的外直径略大于U型槽的槽宽，同时有一定的硬度，以便能够卡在U型槽内。

4.  一种单模光纤弯曲结构磁控可调光衰减方法，其特征是，首相用光纤钳将一部分单模光纤的涂覆层剥离，在无涂覆层的光纤区域的外面套上一根略长于剥离长度的软套管；将软套管连同内部的光纤一起进行弯曲，并嵌入刻在基板表面的U型槽内以固定其弯曲的状态；最后用注射器将磁流体注射入软套管内，用胶水将软套管的两端进行密封，以避免磁流体的外溢和变质，同时起到固定光纤的作用；光信号由输入光纤进入弯曲部分，由于光纤的弯曲导致部分光信号与外部的磁流体发生接触，通过调节施加在磁流体上的磁场大小来对光信号与磁流体之间的作用状态进行调节，便可实现对光信号的磁控衰减，磁控后的光信号经输出光纤输出。

说明书单模光纤弯曲结构磁控可调光衰减方法及衰减器
技术领域
本发明涉及光纤通信和光纤激光领域，特别是一种可以通过改变磁场强度来调节光传输损耗的光衰减器。具体讲，本发明涉及一种将单模光纤进行机械式的弯曲(曲率半径为毫米量级)并用磁流体来充当弯曲部分外面的涂覆层材料的磁控可调光衰减器。
背景技术
光衰减器是一种重要的光纤无源器件，根据衰减量是否调谐可分为固定式衰减器和可调衰减器，其中可调衰减器可以根据需要来灵活调节光纤中光信号的功率，是全光纤网络中非常重要的元件。现有的可调谐光衰减器大多采用机械调节的方式，例如移动渐变光吸收衰减片，或者用机械的方法控制光纤的弯曲程度等。但是机械调节方式对机械传动装置的精度和稳定度都有很高的要求，制作工艺复杂，成本较高，而且衰减片工作时的振动还会造成系统损耗的不稳定性和重复性较差。因此，研制一种结构简单、易于制作的非机械式可调光衰减器变得尤为重要。
发明内容
为克服现有技术的不足，提供一种可以通过改变磁场强度来控制光传输损耗的非机械式可调光衰减器。这种衰减器结构简单、易于制作，只需调节磁场的大小即可控制衰减量。为此，本发明采取的技术方案是，一种单模光纤弯曲结构磁控可调光衰减器，由输入光纤、U型弯曲的单模光纤、输出光纤、软套管、磁流体、表面刻有U型槽的基板构成，输入光纤、U型弯曲的单模光纤和输出光纤均为标准单模光纤，并依次相连形成光通路，U型弯曲部分的单模光纤的涂覆层被去除并用磁流体来替代，磁流体外部由软套管封装；通过调节施加在磁流体上的磁场大小来对光信号与磁流体之间的作用状态进行调节，便可实现对光信号的磁控衰减。
磁流体是用分散剂包裹的纳米级磁性颗粒的水或油溶液；磁流体外部软套管两端采用胶水封装，胶水为紫外胶、502胶、或AB胶。
基板为非磁性的金属板、塑料板、或聚合物板；基板表面的U型槽的槽宽为0.5mm至1mm之间，U型槽弯曲部分的曲率半径在2mm到5mm之间；软套管的外直径略大于U型槽的槽宽，同时有一定的硬度，以便能够卡在U型槽内。
首相用光纤钳将一部分单模光纤的涂覆层剥离，在无涂覆层的光纤区域的外面套上一根略长于剥离长度的软套管；将软套管连同内部的光纤一起进行弯曲，并嵌入刻在基板表面的U型槽内以固定其弯曲的状态；最后用注射器将磁流体注射入软套管内，用胶水将软套管的两端进行密封，以避免磁流体的外溢和变质，同时起到固定光纤的作用；光信号由输入光纤进入弯曲部分，由于光纤的弯曲导致部分光信号与外部的磁流体发生接触，通过调节施加在磁流体上的磁场大小来对光信号与磁流体之间的作用状态进行调节，便可实现对光信号的磁控衰减，磁控后的光信号经输出光纤输出。
与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
光信号在直导型的输入光纤中传播时，其能量主要集中于纤芯及其附近。当光信号传播至弯曲部分时，由于光纤的弯曲导致光信号的分裂为两部分：一部分继续保留在纤芯中并沿着纤芯传播，称为纤芯模；另一部分存在于包层的表面并沿着包层的表面传播，称为回音壁模式，回音壁模式通过倏逝场与包层外面的磁流体接触并发生作用。在通过弯曲部分后，回音壁模式又重新耦合入纤芯中并与纤芯模发生干涉形成输出信号，最后经由输出光纤而输出。模式干涉和倏逝场的损耗会随着弯曲部分的曲率半径特别是外部介质折射率变化而变化。当施加在磁流体上的磁场发生变化时，磁流体的折射率和吸收系数会发生变化，造成模式干涉和倏逝场损耗的变化，最终导致输出光信号损耗的变化。本发明是一种非机械式光衰减器，无任何机械调整部件，也不需要精确调整，器件制作完成后将之置于电磁铁的产生的磁场之中，只需控制通过电磁铁的电流改变其产生的磁场就可以精确控制光衰减量。另外，该衰减器为全光纤结构，具有插入损耗低、结构简单、成本低、易于制作和使用等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是衰减器处于不同的磁场强度下的透射率谱线。
图3是对于1578nm波长的输入信号光，通过衰减器后其透射损耗随磁场强度的变化情况。
图1中：
1.输入光纤，2.U型槽，3.固化胶，4.软套管，5.磁流体，6.基板，7.弯曲部分(去涂覆层)，8.胶，9.输出光纤。
具体实施方式
本发明采用的技术方案是：
一种基于磁流体和弯曲的单模光纤结构的磁控可调光衰减器，系统构成为：输入光纤、U型弯曲的单模光纤、输出光纤、软套管、磁流体、表面刻有U型槽的基板。输入光纤、输出光纤和U型弯曲的单模光纤均为标准单模光纤，弯曲部分的单模光纤的涂覆层被去除并用磁流体来替代。衰减器的制作过程可概述为如下的步骤：首相用光纤钳将一部分单模光纤的涂覆层剥离，在无涂覆层的光纤区域的外面套上一根略长于剥离长度的软套管；将软套管连同内部的光纤一起进行弯曲，并嵌入刻在基板表面的U型槽内以固定其弯曲的状态；最后用注射器将磁流体注射入软套管内，用胶水将软套管的两端进行密封，以避免磁流体的外溢和变质，同时起到固定光纤的作用。光信号由输入光纤进入弯曲部分，由于光纤的弯曲导致部分光信号与外部的磁流体发生接触，通过调节施加在磁流体上的磁场大小来对光信号与磁流体之间的作用状态进行调节，便可实现对光信号的磁控衰减。
上述方案中的光纤为普通的单模光纤；磁流体是用分散剂包裹的纳米级磁性颗粒的水或油溶液；胶水为紫外胶、502胶、或AB胶；基板为非磁性的金属板、塑料板、或聚合物板； 基板表面的U型槽的槽宽为0.5mm至1mm之间，U型槽弯曲部分的曲率半径在2mm到5mm之间；软套管的外直径略大于U型槽的槽宽，同时要有一定的硬度，以便能够卡在U型槽内。
为克服机械式可调光衰减器的缺点，本发明采用单模光纤的弯曲结构并利用磁流体的折射率和吸收系数的磁场可调性质，提出了一种全光纤化的磁控可调光衰减器。
本发明主要由普通单模光纤、磁流体、软套管和表面刻有U型槽的基板构成。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：(1)将一段普通的单模光纤进行机械式的弯曲，弯曲部分的曲率半径为毫米量级，并用磁流体来取代弯曲部分外面的涂覆层，从而构成一个磁控可调的光衰减器。(2)衰减器的制作过程可描述为如下的步骤：首相用光纤钳将单模光纤的一部分涂覆层剥离，并在去涂覆层区域的外面套上一根略长于剥离长度的软套管；将软套管连同内部的光纤一起进行弯曲，并嵌入刻在基板表面的U型槽内以固定其弯曲的状态；最后用注射器将磁流体注射入软套管内，并用胶水将软套管的两端进行密封，以避免磁流体的外溢和变质，同时起到固定光纤的作用。(3)当被限制在纤芯及其附近的光信号从输入光纤传播至弯曲部分时，会激发出沿着光纤包层表面传播的回音壁模式，回音壁模式通过倏逝场与外界的磁流体发生作用，通过改变施加在磁流体上的磁场强度，便可影响最终耦合入输出光纤的光信号的衰减量。(4)本方案中需要说明的几点有：磁流体是用分散剂包裹的纳米级磁性颗粒的水或油溶液；胶水为紫外胶、502胶、或AB胶；基板为非磁性的金属板、塑料板、或聚合物板；基板表面的U型槽的槽宽为0.5mm至1mm之间，U型槽弯曲部分的曲率半径在2mm到5mm之间；软套管的外直径略大于U型槽的槽宽，同时保证有一定的硬度，以便能够卡在U型槽内。
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明：
如图1为整个装置的原理示意图。本实例中所用的单模光纤(输入光纤1、弯曲光纤部分7和输出光纤9)为标准单模光纤(Corning SMF-28)；弯曲光纤部分7的涂覆层被去除，弯曲的曲率半径为5mm；磁流体为美国FerroTec公司生产水基磁流体(EMG605)，纳秒磁性颗粒为Fe3O4，浓度～3.9％；基板材料为聚丙烯，其表面的U型槽的槽深和槽宽均为1mm；软套管的材料为聚四氟乙烯(又称铁氟龙)，其内外直径分别为0.6mm和1mm；所用的胶水为紫外固化胶。
图2所示的是当施加在磁流体上的磁场强度分别为0Oe、40Oe、80Oe和120Oe时(Oe为磁场强度的单位)，衰减器的透射率谱线。从图上可知，随着磁场强度的增大，各个波长处的输出光信号强度急剧的下降。对于1578nm的信号光，此衰减器不仅具有较小的插入损耗，而且还具有较大的衰减量。
图3所示为在1578nm处，信号光的透射损耗随着磁场强度的变化情况。可知在0～150Oe的范围内，光信号的衰减量随着磁场的增大而增大，但是在120Oe之后衰减量逐渐饱和并趋近于20dB。通过线性拟合可知该衰减器的衰减量在40～70Oe范围内与磁场强度之间有较好的线性关系，可达到0.4821dB/Oe的衰减灵敏度。
综上可以看出，本发明可以通过改变磁场大小有效地实现对光纤中信号光的可调衰减。