本發(fā)明涉及一種光纖磁場(chǎng)傳感器，特別涉及一種可磁調(diào)控分光比的單模光纖耦合器。

背景技術(shù)：

磁流體是一種利用表面活性劑將10nm左右大小的磁性顆粒均勻分散在基液中所形成的穩(wěn)定磁性膠體。它既具有固體磁性材料的磁性又具備液體的流動(dòng)性特點(diǎn)，同時(shí)擁有許多優(yōu)異的磁光特性，包括：法拉第效應(yīng)，可調(diào)折射率，磁控雙折射等。

光纖耦合器是一種實(shí)現(xiàn)光信號(hào)功率在不同光纖間的分配或組合的光器件，其中2×2單模光纖耦合器具有典型性且應(yīng)用最為廣泛。它是一種四端口元器件，由直通光纖和耦合光纖組合而成。一種光纖耦合器的工作原理如圖1所示，光從輸入端口P1進(jìn)入耦合器，一部分沿著直通光纖傳播，從輸出端口P3傳出，另一部分光在耦合區(qū)(腰區(qū)6)耦合到耦合光纖，從出輸出端口P4傳出。耦合器的輸出分光比定義為耦合端口P4的功率和總輸出功率之比，即C＝P4/(P3+P4)。

傳統(tǒng)的單模光纖耦合器結(jié)構(gòu)一旦確定之后，分光比也就會(huì)隨之固定，再實(shí)際應(yīng)用中分光比不能滿足需求時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)制作所需分光比的耦合結(jié)構(gòu)或者在光纖耦合器腰區(qū)周圍包覆固定折射率的液體進(jìn)行分光比的調(diào)節(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)制成后單模光纖耦合器分光比無法調(diào)整的問題，提出了一種可磁調(diào)控分光比的單模光纖耦合器，制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、調(diào)諧線性度高。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種可磁調(diào)控分光比的單模光纖耦合器，包括拉2×2單模光纖耦合器、四氟管、UV膠和磁流體，拉制兩根單模光纖成兩端大向中間變小的錐形結(jié)構(gòu)，中間段形成直徑不變一段耦合腰區(qū)，形成2×2單模光纖耦合器,2×2單模光纖耦合器的兩根單模光纖穿入四氟管中，四氟管中注滿磁流體，單模光纖耦合器的耦合腰區(qū)置于磁流體環(huán)境中，四氟管的兩端用UV膠密封，磁流體包覆的耦合腰區(qū)置于外加磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)磁調(diào)控分光比。

所述2×2單模光纖耦合器的耦合腰區(qū)兩根單模光纖的折射率相同。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明可磁調(diào)控分光比的單模光纖耦合器，在光纖耦合器的耦合腰區(qū)包覆磁流體，通過外加磁場(chǎng)來調(diào)控磁性納米粒子的分布和排列，改變磁流體的折射率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單模光纖耦合器分光比的在線、實(shí)時(shí)調(diào)諧。

附圖說明

圖1為本發(fā)明可磁調(diào)控分光比的單模光纖耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明單模光纖耦合器結(jié)構(gòu)腰區(qū)的縱向截面圖；

圖3為本發(fā)明單模光纖耦合器結(jié)構(gòu)腰區(qū)的橫向截面示意圖；

圖4為本發(fā)明可磁調(diào)控分光比的單模光纖耦合器結(jié)構(gòu)實(shí)物圖；

圖5為本發(fā)明研究磁調(diào)控分光比單模光纖耦合器耦合特性的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；

圖6為本發(fā)明在波長(zhǎng)1550nm處可磁調(diào)控分光比的單模光纖耦合器的分光比隨外磁場(chǎng)的調(diào)諧特性圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示可磁調(diào)控分光比的單模光纖耦合器結(jié)構(gòu)示意圖，包括拉制形成錐形結(jié)構(gòu)的2×2單模光纖耦合器、四氟管3、UV膠4和磁流體5。拉制兩根單模光纖1和2成兩端大向中間變小的錐形結(jié)構(gòu)，中間段形成直徑不變一段耦合腰區(qū)6，形成2×2單模光纖耦合器。2×2單模光纖耦合器的兩根單模光纖1和2穿入四氟管3中，四氟管3中注滿磁流體5，耦合腰區(qū)6置于磁流體5環(huán)境中，四氟管3的兩端用UV膠4密封。磁流體5包覆在耦合腰區(qū)6周圍，外加磁場(chǎng)7置于磁流體5包覆的耦合腰區(qū)6外側(cè)。兩根單模光纖1和2拉制形成的錐形結(jié)構(gòu)在有光通過時(shí)可以產(chǎn)生倏逝波。在外加磁場(chǎng)7變化時(shí)，磁流體5的折射率會(huì)相應(yīng)的改變，從而影響耦合腰區(qū)6處產(chǎn)生的倏逝波。

單模光纖中間部分的涂覆層剝?nèi)ゼs2cm長(zhǎng)，清潔干凈后將剝?nèi)ネ扛矊拥穆愎饫w進(jìn)行打結(jié)操作，之后通過氣泵將光纖固定在光纖拉錐系統(tǒng)上，設(shè)定好拉錐系統(tǒng)參數(shù)后對(duì)光纖進(jìn)行熔融拉錐，拉錐后的結(jié)構(gòu)在紫外燈輔助下用UV膠和U型玻璃槽封裝固定。

所用兩根相同直徑的單模光纖為G.652D單模光纖，纖芯直徑為8.7μm、包層直徑為125μm。制作的光纖耦合結(jié)構(gòu)的耦合腰區(qū)6顯微照片如圖2和3所示縱向圖和橫向截面示意圖，耦合腰區(qū)6的耦合徑向尺寸為8.5μm。如圖3所示橫向截面是橢圓形的，兩根光纖融在一起拉錐，弱耦合的時(shí)候是啞鈴型，強(qiáng)耦合的時(shí)候是橢圓形。對(duì)于直徑的大小看自己操作，拉的長(zhǎng)度越大，徑向尺寸就越小。原始光纖的截面為直徑125μm的圓形，在理想的拉錐過程中，截面任何方向的尺寸均勻減小，拉錐完成后每一根光纖任何位置的截面都是圓形，耦合腰區(qū)6直徑最小，圖3中的a是耦合區(qū)直徑。

將制作好的光纖耦合結(jié)構(gòu)插入內(nèi)徑為3mm的四氟管中，用注射器將磁流體緩慢注入管內(nèi)，磁流體逐漸充滿管并包覆在光纖耦合結(jié)構(gòu)周圍，最后用UV膠將毛細(xì)管的兩端口密封，以防止磁流體受污染或溶劑揮發(fā)。圖4為實(shí)驗(yàn)制作的磁流體包覆單模光纖耦合結(jié)構(gòu)實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)中使用的是水基磁流體，其納米磁性顆粒的直徑約為10nm，在25℃時(shí)的密度為1.18g/cm³，飽和磁化強(qiáng)度約為20mT。制作耦合器所用的磁流體為原磁流體和載液按1:10稀釋而得。

根據(jù)耦合理論，耦合器耦合端的輸出功率P4可表示為：

P4＝P0sin²(CL) (1)

其中：P0是P1端口的輸入光功率，L為耦合結(jié)構(gòu)的耦合長(zhǎng)度，C＝3πλ/[(32n₁a²)(1+1/V)²]為整個(gè)耦合區(qū)域的耦合系數(shù)。V＝[(2πa)/λ](n₁²-n₀²)^1/2，λ為入射光波長(zhǎng)，a為耦合區(qū)直徑，n₀和n₁分別為外界環(huán)境和光纖的折射率。由式(1)可知，耦合器的耦合系數(shù)C與外界環(huán)境折射率n₀、耦合長(zhǎng)度L、耦合區(qū)徑向尺寸2a(實(shí)際的徑向尺寸如圖3所示，為8.5μm，此尺寸與2a有微小偏差，引起的誤差可忽略不計(jì))和入射光波長(zhǎng)λ有關(guān)。當(dāng)將磁流體包覆在耦合區(qū)時(shí)，由于磁流體的折射率n₀隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，因此，耦合系數(shù)C也將隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，從而導(dǎo)致耦合器的直通端和耦合端的輸出功率比隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，即能夠?qū)崿F(xiàn)可磁調(diào)控分光比的單模光纖耦合器。

兩根耦合光纖的直徑可不同，只要耦合后折射率相同或相近都可實(shí)現(xiàn)，相同為最佳。

圖5為研究磁調(diào)控分光比單模光纖耦合器耦合特性的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向垂直于耦合結(jié)構(gòu)的軸線，磁場(chǎng)強(qiáng)度可通過調(diào)節(jié)供電電流來連續(xù)調(diào)節(jié)。光源的發(fā)出光的波長(zhǎng)為1550nm。入射光進(jìn)入耦合器的P1端，直通端和耦合端的輸出功率P3和P4由光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)和記錄。圖6為耦合區(qū)徑向尺寸為8.5μm的單模光纖耦合結(jié)構(gòu)的分光比隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該耦合結(jié)構(gòu)的風(fēng)光比在6-26mT磁場(chǎng)范圍內(nèi)線性變化量為0.53，相應(yīng)的磁場(chǎng)變化靈敏度為0.0275/mT。本發(fā)明的耦合結(jié)構(gòu)具有易制作、易于集成、分光比線性可，其在光纖耦合領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。