光纤型热光可调光衰减器的设计及其衰减分析

光纤型可变光衰减器

第26卷 第12期

2006年12月

光 学 学 报

ACTAOPTICASINICA

Vol.26,No.12December,2007

文章编号:0253-2239(2006)12-1787-5

光纤型热光可调光衰减器的设计及其衰减分析

黄旭光 叶晓靖

1

2**

*

张小康 冯金垣 罗 坚

222

1华南师范大学光子信息技术广东省高校重点实验室,广州5106302华南理工大学物理科学与技术学院,广州510640

摘要: 提出了一种基于热光调节的可调光衰减器结构。该衰减器通过腐蚀光纤包层到一定厚度和长度后,在表面涂覆较大热光系数的聚合物材料得到。从模场变化角度分析了传输光束的衰减与涂覆材料折射率的关系,并从实验上测试了使用不同涂覆材料时的衰减。理论分析与实验结果均表明在涂覆材料折射率略大于原光纤包层材料折射率时,涂覆材料折射率微小的变化将引起传播光束衰减的大幅度变化,并且光纤被腐蚀的长度越长或包层材料剩余厚度越小,衰减越大。因此,由热光系数大、折射率略大于光纤包层的聚合物材料所组成的可调光纤衰减器,具有衰减调节范围大且功耗小、插入损耗小、成本低、低偏振特性、易于与其它光纤器件耦合或集成等特点。关键词: 光纤通信;可调光衰减器;热光效应;聚合物;光波导器件中图分类号:TN253 文献标识码:A

DesignandAttenuationAnalysisforFiber-TypedVariable

OpticalAttenuatorBasedonThermo-OpticEffect

HuangXuguang1 YeXiaojing2 ZhangXiaokang2 FengJingyuan2 LuoJian2

1LaboratoryofPhotonicInformationTechnology,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou5106302SchoolofPhysics,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640

Abstract: Afiber-typevariableopticalattenuator(VOA)basedonthermo-opticeffectisproposed.TheVOAis

fabricatedbyetchingdownacertaindepthandlengthofthecladdingofopticalfiberandcoveringwithpolymerwithlargethermo-opticcoefficient.Therelationshipoftheattenuationandtherefractiveindexofthesubstituteistheoreticallyanalyzedintermsofthemodefielddistribution(MFD)ofthefiber.TheattenuationoftheVOAismeasuredindifferentsubstitutesofcladding.Itisshowntheoreticallyandexperimentallythattheattenuationvariessignificantlywhentherefractiveindexofthesubstitutehasalittlechange,aslongastherefractiveindexisslightlylargerthanthatofthecladding.Moreover,thelongertheetchedfiberorthethinnerthecladdingis,thelargertheattenuationoftheVOAis.Therefore,thisfiber-typeVOA,whichissubstitutedbyapolymerwithlargethermo-opticcoefficientandrefractiveindexslightlyhigherthanthatofthecladding,isoflargedynamicrange,lowinsertionloss,lowpolarization-dependentloss,lowpowerconsumptionandeasilycoupledorintegratedwithotherfiber-opticcomponents.

Keywords: opticalfibercommunication;variableopticalattenuator;thermo-opticeffect;polymer;opticalwaveguidecomponent

1 引 言

可调光衰减器(VOA)的用途是降低或控制光信号,按其工作原理大致可分为以下几类:机械型分立式微光学衰减器[1]、液晶型可调光衰减器[2]、光纤

*广东省自然科学基金(04010398)资助课题。

可调光衰减器[3~5]、微机电系统(MEMS)光衰减器[6,7]和平面波导型光衰减器[8,9]等。其中,光纤可调光衰减器具有结构简单、插入损耗小、成本低、可

直接与光纤或作为尾纤与其它波导器件对接等突出

作者简介:黄旭光(1962~),男,华南师范大学信息光电子科技学院教授,理学博士,美国迈阿密大学和Rensselaer工学院(RPI)博士后,主要从事微纳光子学、光通信和光传感方面的研究。E-mail:huangxg@http://doc.guandang.net**通信联系人。E-mail:yexj@http://doc.guandang.net

收稿日期:2006-01-10;收到修改稿日期:2006-05-26

光纤型可变光衰减器

1788 光 学 学 报 26卷

的优点而具有广泛的应用前景,但有关光纤模场(热光)控制的可调光衰减器研究却很少。

光波导的光场分布主要是由折射率的空间分布和波导的几何结构所决定,因此改变光纤包层折射率,将改变光纤中光束的传输特性。据此本文提出一种结构简单的光纤型热光可调光衰减器的设计方案:通过腐蚀光纤包层,使包层剩余厚度少于一定值后,在其表面涂覆较大热光系数的聚合物材料得到。

n 3=n3+ n,

n3为初始温度t0时聚合物折射率, n由材料热光系数 n/ T和温度变化范围 T决定:

n= T.

调节涂覆材料温度,将使其折射率变化,光纤模场w也产生相应变化,从而可实现传输光束的衰减调节。

2.2 可调光衰减器的模场变化分析

下面将使用双包层光纤模型(DCM)对模场变化情况进行分析。

22

212213令 1=, 2=,光纤径向折

2n212n21

2 工作原理

将单模光纤中某一段的包层腐蚀到一定厚度以后,在其外部涂覆上折射率热光可调的材料。当材料折射率受热光调节发生变化时,经过上述处理的

光纤模场发生变化,从而引起模场失配甚至导模能量泄漏衰减。下面从模场变化的角度分析涂覆材料折射率与衰减的关系。

通常用高斯模型来近似描述单模光纤中光能量的分布。模场直径(MFD)定义为光能量降低到exp(-2)时的光斑直径,用符号2w0表示,r为离开光轴的距离,则光纤截面上的光强I(r)按下式分布:

I(r)=I(0)exp-2.

w0

如果在模场半径为w0的光纤中插入一段模场半径为w的光纤,将共带来模场失配损耗A

A=-20lg

0w0+w

[10]

2

射率分布为

n21,

n(r)=

2

1),n1(1-2 2

r<a1

(a1+s)>r>a1r>(a1+s)

(3)

n21(1-2 2),

单模光纤的主要横场分量可以表示为[10,11]

=

1/2

2

exp-exp(-j z),

ww

(4)

式中 为导模传播常量。通过变分运算, 可表示为

2022

=rn(r)exp-2dr-2,2

ww0w

2

(5)

:(1)

其中k0=2 / 为真空中的波数。由于 2是一个稳定值,因而满足

d 2/dw=0,

对(5)式求导得

-121+2krn(r)exp-dr=0,(6)

ww0

2

.

2.1 可调光衰减器的基本结构和可调原理

光纤模场可调衰减器的基本结构如图1所示:单模光纤纤芯直径为a1,折射率为n1;将单模光纤上一段长度为Z的包层腐蚀,其剩余厚度为s,称为内包层,折射率为n2;在内包层外涂覆上热光系数大的聚合物材料外包层,折射率为n 3:

2

22

将(3)式代入(6)并化简后有1-2nk

21

21

1aexp--w

21

2

2

1( 1- 2)(a1+s)exp-w考文献[11]中的结果为

=0,(7)

当s=0时,是直接调制光纤包层折射率的情况。参

21

1-2n 2kaexp-=0,

w

21

20

21

(8)

(8)式的数值计算结果与(7)式中s=0的结果一

1 2,由(7 …… 此处隐藏：8959字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……