一种能量比可高速连续调控的光纤耦合器的制作方法

本发明属于光纤耦合器技术领域，具体涉及一种能量比可高速连续调控的光纤耦合器。

背景技术：

光纤耦合器在光通信、光纤网络、光纤传感器和光纤检测等领域中被广泛应用。光纤耦合器的主要作用是实现一束光纤信号的分支以及多束光纤信号的合成的功能，具有光路可逆的特点。目前，常用的光纤耦合器为熔融拉锥型光纤耦合器，一般由拉锥法制得，该种方法制备的光纤耦合器结构简单、生产成本、低易于批量生产。但是，常用的光纤耦合器结构过于简单，单纯的利用光学效应，属于无源器件，单个耦合器的分光光束能量比等重要参数为固定值，不能随需要自由控制。限制了光纤耦合器的应用和发展。随着光纤领域的发展，某些领域开始需要不同分束能量比的光纤耦合器。为了应对这一需求，研究者们进行了相关的设计改进工作，中国专利“一种光纤耦合器”(申请号：201110404665.5)改善了传统的熔融拉锥工艺，但是没有从根本上改变传统光纤耦合器的局限性。中国专利“一种双光路调整激光与光纤耦合的装置”(申请号：201520599984.x)简化了合光的功能，仍然无法实现分光比连续可调。中国专利“光纤耦合器”(申请号：201310110089.2)实现了一种2×1光纤耦合器，利用多种透镜和机械转轮实现了反射式的分束能量机械调节的功能，其控制需要手动，难以精确控制，由于反应速度慢，在某些需要高速响应或者自动控制的场合则无法应用。中国专利“一种安全高速的秘钥分发系统及方法”(专利号：201510604224.8)中使用了大量的1×2光纤耦合器，且在系统初始位置还需要独立的噪声驱动源。若拥有一种可调制信息的光纤耦合器则可以大大改进上述系统。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术缺陷，提供一种可高速连续调节分束能量比的光纤耦合器，该光纤耦合器同时可以实现信息调制。

为了解决上述问题，本发明公开了一种能量比可高速连续调控的光纤耦合器，所述光纤耦合器包括壳体，壳体的左侧壁上设置有一个输入光纤接口，壳体内自左向右依次设置相位调节机构、由双折射晶体构成的分光机构，壳体的右侧壁上设置有2个输出光纤接口，外接的输入光纤自输入光纤接口插入壳体内连接相位调节机构的入射面，所述的相位调节机构为折射率受两端电极接入的控制电压调节的透明光电陶瓷部件，电极连接电压输入端，所述的相位调节机构的入射面和出射面均为光学抛光面，相位调节机构的入射面和出射面均与输入光纤输入的激光光线方向垂直，所述相位调节机构的出射面与双折射晶体的入射面通过光学胶粘合层粘合，所述的双折射晶体的入射面和出射面均为光学抛光面，所述的双折射晶体的入射面法线和出射面法线平行，且与双折射晶体的光轴垂直，射入双折射晶体的激光光线方向与入射面法线平行，所述的双折射晶体的出射面连接2个输出光纤，所述的2个输出光纤分别自2个输出光纤接口插入壳体内，所述的2个输出光纤接口的中轴线分别与射出双折射晶体的2条激光光线重合。

确定2个输出光纤接口的位置时，借助入射激光校准，由输入光纤引入入射激光(偏振光)，入射激光经相位调节机构和双折射晶体作用后分成两束出射激光，根据出射激光在壳体上形成的光斑即可确定输出光纤接口的位置。

优选的，所述的相位调节机构包括一个或多个调节单元，单个的调节单元由两端连接电极的透明电光陶瓷片构成，所述的透明电光陶瓷片的入射面和出射面均为光学抛光面，透明电光陶瓷片的入射面和出射面均镀有增透膜。应用电光效应调节调节单元的折射率，透明电光陶瓷片厚度与控制电压成正相关，调节单元的数量与控制电压成反相关，可以通过对透明电光陶瓷片厚度和调节单元个数的控制使该装置适用于不同工作电压的需求。

优选的，当相位调节机构包括多个调节单元时，所述的透明电光陶瓷片之间通过光学胶粘合层粘合，各调节单元的电极并联后连接电压输入端。

工作原理：由输入光纤引入该光纤耦合器的入射激光(偏振光)通过相位调节机构经透明电光陶瓷片折射，射出相位调节机构的出射激光偏振方向发生变化，由于电光效应，透明陶瓷的折射率受驱动电压控制，因此出射的激光偏振方向跟随驱动电压幅值变化而变化，进而通过双折射晶体被分出两束信号，其能量比值与透明电光陶瓷的光电效应有关，受控制电压调控，即该光纤耦合器的激光分束能量比可由控制电压输入端输入的控制电压控制，且透明电光陶瓷电光效应的响应速度较快，该光纤耦合器可实现高速连续调节分束能量比。

优选的，所述的透明电光陶瓷片为pmn-pt透明电光陶瓷方片，所述的pmn-pt透明电光陶瓷方片的尺寸为2mm×2mm×0.5mm，所述的增透膜为氟化钙膜。

所述的pmn-pt透明电光陶瓷可以为市售产品也可为自制的pmn-pt透明电光陶瓷，这种透明陶瓷为一种稀土元素掺杂的铌镁酸铅-钛酸铅((1-x)pb(mg1/3nb2/3)o3-xpbtio3)+yla透明电光陶瓷，这一透明陶瓷具有电光系数高，响应速度快，稳定性好，插入损耗低等优点，采用pmn-pt透明电光陶瓷方片制成相位调节机构，更加稳定高速的实现对分光光束能量比的连续调节。

优选的，制成所述的透明电光陶瓷片的pmn-pt透明电光陶瓷由以下方法制得：

1)取x＝0.12、y＝0.01，用mgo、nb2o5、pbo、tio2和la2o3为原料，按0.88pb(mg1/3nb2/3)o3-0.12pbtio3+0.01la的化学计量比精确称量；

2)将称量好的mgo和nb2o5放入球磨罐中进行高能球磨，其中氧化锆球：配料：水的质量比为9:2:4，转速为3000转/分钟，球磨时间1小时；将混料烘干后，在1050℃煅烧3小时得到mgnb2o6粉体；

3)将称量好的pbo、tio2和la2o3与步骤2)得到的mgnb2o6粉体混合，再一次进行高能球磨，球磨混合条件与步骤2)一致，将混料烘干后，在800℃煅烧2小时得到la掺杂的pmn-pt粉体；

4)向步骤3)得到粉体中加入3％的聚乙烯醇塑化剂，手工造粒，等静压成圆片状坯体，成型压力180mpa；

5)室温下，将样品放置于烧结炉中并抽真空，使真空度≤50pa，然后从一端法兰阀缓慢通入氧气，使炉管内达到1个大气压，再将另外一端的法兰打开，使氧气从另外一端流出，通过调节气体流量计控制氧气流速为10ml/min；

6)以1℃/min的升温速率从室温升温至400℃，保持氧气流速为10ml/min；

7)当温度升温至400℃时，再次抽真空，使真空度≤50pa，接着再次通入氧气，通过调节气体流量计控制氧气流速为30ml/min；

8)以1-2℃/min的升温速率从400℃升温至600℃，保持氧气流速为30ml/min；

9)以4℃/min的升温速率从600℃升温至1000℃，调节气体流量计控制氧气流速为10ml/min；

10)以1℃/min的升温速率从1000℃升温至1250℃，保温1小时，再次抽真空，使真空度≤50pa，然后停止通入氧气，并在该真空度下保温1小时；

11)1250℃下真空保温1小时后，再次通入氧气，通过调节气体流量计控制氧气流速为5-10ml/min，继续保温4小时；

12)保温结束后，以3℃/min的降温速率从1250℃降温至300℃，期间保持氧气流速为10ml/min；

13)降温至300℃以下时，关闭气体流量计，停止通氧气氛，自然降温至室温，得到半透明pmn-pt陶瓷；

14)将得到的半透明pmn-pt陶瓷，置于热压炉中，在空气气氛下，1220℃条件下烧结4小时，得到la掺杂pmn-pt透明陶瓷半成品；

15)将烧结的透明陶瓷半成品进行切割、打磨抛光，得到la掺杂0.88pmn-0.12pt透明陶瓷。

本发明采用独特的制备方法通过烧结气氛和烧结温度、时间等试验条件的协同配合制得了性能优于市售pmn-pt透明电光陶瓷的优质材料，该材料的透光率很高，经测试，该陶瓷在光通信常用波段1550nm附近时的透光率可达到70％，远高于现有材料，已非常接近其理论透光率71％，这种高透光率的材料制成的透明电光陶瓷片应用于相位调节机构能够减少激光在传输过程中的能量损耗，减少插入损耗，同时，信号在传输过程中耗损低、干扰少，可以提高信号的保真度。

优选的，所述的双折射晶体为冰洲石方片，所述的双折射晶体的尺寸为5mm×5mm×10mm。

优选的，为了实现能量比可高速连续调控的信息可调制的功能，所述的光纤耦合器还包括信息调制机构，所述的信息调制机构设置于壳体内，所述信息调制机构安装在相位调节机构左侧，信息调制机构包括自左向右依次设置的水平偏振片、调节单元和竖直偏振片，所述的调节单元与相位调节机构的调节单元结构相同，所述的水平偏振片、调节单元和竖直偏振片之间通过光学胶粘合层粘合，所述的水平偏振片与输入光纤接口插入的输入光纤连接，所述的竖直偏振片的一面与相位调节机构的入射面通过光学胶粘合层粘合。

优选的，所述的构成信息调制机构的部件水平偏振片、调节单元和竖直偏振片的入射面和出射面均镀有增透膜。

优选的，所述的信息调制机构的调节单元的透明电光陶瓷片为pmn-pt透明电光陶瓷方片，所述的pmn-pt透明电光陶瓷方片的尺寸为2mm×2mm×0.5mm，所述的增透膜为氟化钙膜。

信息调制的工作原理：对于信息调制功能的实现部分，将信息的调制电压信号f(t)通过信息调制机构的调节单元的电压输入端接入调制单元，激光被两垂直偏振片和调节单元的电光效应所调制，由于调节单元的电光效应，激光偏振旋角α与调制电压信号f(t)相关，原强度为i的激光信号可以被调制成sin(α(t))²，从而将信息上载到光路中，被调制后的信号继续往下级光路传输。由于透明电光陶瓷的驱动电压不产生电流，所以功耗极低。当调制电压信号f(t)为直流偏压时，即可停止信息调制功能，只实现1×2分光功能。双折射晶体与pmn-pt光路可逆，该器件可实现2×1合光功能。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种可高速连续调节分束能量比的光纤耦合器，该光纤耦合器同时可以实现信息调制。具体而言：

(1)该光纤耦合器的壳体左侧壁设置输入光纤接口，壳体内自左向右依次设置的由连有电极的透明电光陶瓷片构成的相位调节机构、由双折射晶体构成的分光机构，壳体的右侧壁上设置有2个输出光纤接口，由输入光纤引入该光纤耦合器的入射激光(偏振光)通过相位调节机构，经透明电光陶瓷片折射，射出相位调节机构的出射激光偏振方向发生变化，由于电光效应，透明陶瓷的折射率受驱动电压控制，出射的激光偏振方向跟随驱动电压幅值变化而变化，进而通过双折射晶体被分出两束信号，其能量比值与透明电光陶瓷的光电效应有关，受控制电压调控，该光纤耦合器的激光分束能量比可由控制电压输入端输入的控制电压控制，且透明电光陶瓷电光效应的响应速度较快，该光纤耦合器可实现高速连续调节分束能量比。所述的相位调节机构包括一个或多个调节单元，单个的调节单元由两端连接电极的透明电光陶瓷片构成，可以通过对透明电光陶瓷片厚度和调节单元个数的控制使该装置适用于不同工作电压的需求。优选方案中选用采用pmn-pt透明电光陶瓷方片制成相位调节机构，更加稳定高速的实现对分光光束能量比的连续调节。

(2)该光纤耦合器还包括信息调制机构，以实现能量比可高速连续调控的信息可调制的功能，所述的信息调制机构安装在相位调节机构左侧，包括自左向右依次设置的水平偏振片、调节单元和竖直偏振片，水平偏振片与输入光纤接口插入的输入光纤连接，竖直偏振片的一面与相位调节机构的入射面粘合。将信息的调制电压信号f(t)通过信息调制机构的调节单元的电压输入端接入调制单元，激光被两垂直偏振片和调节单元的电光效应所调制，由于调节单元的电光效应，激光偏振旋角α与调制电压信号f(t)相关，原强度为i的激光信号可以被调制成sin(α(t))²，从而将信息上载到光路中，被调制后的信号继续往下级光路传输。由于透明电光陶瓷的驱动电压不产生电流，所以功耗极低。当调制电压信号f(t)为直流偏压时，即可停止信息调制功能，只实现1×2分光功能。双折射晶体与pmn-pt光路可逆，该器件可实现2×1合光功能。

(3)本发明采用独特的制备方法通过烧结气氛和烧结温度、时间等试验条件的协同配合制得了性能优于市售pmn-pt透明电光陶瓷的优质材料，该材料的透光率很高，经测试，该陶瓷在光通信常用波段1550nm附近时的透光率可达到70％，远高于现有材料，已非常接近其理论透光率71％，这种高透光率的材料制成的透明电光陶瓷片应用于相位调节机构能够减少激光在传输过程中的能量损耗，减少插入损耗，同时，信号在传输过程中耗损低、干扰少，可以提高信号的保真度。

附图说明

图1是分束能量比可高速连续调控的光纤耦合器示意图；

图2是分束能量比可高速连续调控的信息可调制光纤耦合器示意图；

图3是本发明的光线耦合器的分束能量比与控制电压的关系曲线；

图4是实施例的透明电光陶瓷片的透光率曲线；

图中，1-壳体，2-输入光纤接口，3-相位调节机构，4-双折射晶体，5-输出光纤接口，6-调节单元，7-透明电光陶瓷片，8-光学胶粘合层，9-电极，10-电压输入端，11-信息调制机构，12-水平偏振片，13-竖直偏振片。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过实施方式对本方案进行阐述。

实施例

如图1所示，一种能量比可高速连续调控的光纤耦合器，所述光纤耦合器包括壳体1，壳体1的左侧壁上设置有一个输入光纤接口2，壳体1内自左向右依次设置相位调节机构3、由双折射晶体4构成的分光机构，壳体1的右侧壁上设置有2个输出光纤接口5，外接的输入光纤自输入光纤接口2插入壳体1内连接相位调节机构3的入射面，所述的相位调节机构3为折射率受两端电极9接入的控制电压调节的透明光电陶瓷部件，电极9连接电压输入端10，所述的相位调节机构3的入射面和出射面均为光学抛光面，相位调节机构3的入射面和出射面均与输入光纤输入的激光光线方向垂直，所述相位调节机构3的出射面与双折射晶体4的入射面通过光学胶粘合层8粘合，所述的双折射晶体4的入射面和出射面均为光学抛光面，所述的双折射晶体4的入射面法线和出射面法线平行，且与双折射晶体4的光轴垂直，射入双折射晶体4的激光光线方向与入射面法线平行，所述的双折射晶体4的出射面连接2个输出光纤，所述的2个输出光纤分别自2个输出光纤接口5插入壳体1内，所述的2个输出光纤接口5的位置由输入光纤的入射激光校准确认，入射激光(偏振光)经相位调节机构3和双折射晶体4作用后分成两束出射激光，根据出射激光在壳体1右侧壁上形成的光斑即可确定输出光纤接口5的位置，2个输出光纤接口5中轴线分别与射出双折射晶体4的2条激光光线重合。

具体的，所述的相位调节机构3包括3个调节单元6，单个的调节单元6由两端连接电极9的透明电光陶瓷片7构成，所述的透明电光陶瓷片7的入射面和出射面均为光学抛光面，透明电光陶瓷片7的入射面和出射面均镀有增透膜。所述的透明电光陶瓷片7之间通过光学胶粘合层8粘合，各调节单元的电极9并联后连接电压输入端10。所述的透明电光陶瓷片7为pmn-pt透明电光陶瓷方片，所述的pmn-pt透明电光陶瓷方片的尺寸为2mm×2mm×0.5mm，所述的增透膜为氟化钙膜。所述的双折射晶体4为冰洲石方片，所述的双折射晶体4的尺寸为5mm×5mm×10mm。制成透明电光陶瓷片7的pmn-pt透明电光陶瓷可以为市售或者自制的pmn-pt透明电光陶瓷，为了进一步优化产品性能，本实施中采用的pmn-pt透明电光陶瓷为自制的具有高透光率的透明陶瓷材料，该材料由以下方法制得：

1)取x＝0.12、y＝0.01，用mgo、nb2o5、pbo、tio2和la2o3为原料，按0.88pb(mg1/3nb2/3)o3-0.12pbtio3+0.01la的化学计量比精确称量；

2)将称量好的mgo和nb2o5放入球磨罐中进行高能球磨，其中氧化锆球：配料：水的质量比为9:2:4，转速为3000转/分钟，球磨时间1小时；将混料烘干后，在1050℃煅烧3小时得到mgnb2o6粉体；

3)将称量好的pbo、tio2和la2o3与步骤2)得到的mgnb2o6粉体混合，再一次进行高能球磨，球磨混合条件与步骤2)一致，将混料烘干后，在800℃煅烧2小时得到la掺杂的pmn-pt粉体；

4)向步骤3)得到粉体中加入3％的聚乙烯醇塑化剂，手工造粒，等静压成圆片状坯体，成型压力180mpa；

5)室温下，将样品放置于烧结炉中并抽真空，使真空度≤50pa，然后从一端法兰阀缓慢通入氧气，使炉管内达到1个大气压，再将另外一端的法兰打开，使氧气从另外一端流出，通过调节气体流量计控制氧气流速为10ml/min；

6)以1℃/min的升温速率从室温升温至400℃，保持氧气流速为10ml/min；

7)当温度升温至400℃时，再次抽真空，使真空度≤50pa，接着再次通入氧气，通过调节气体流量计控制氧气流速为30ml/min；

8)以1-2℃/min的升温速率从400℃升温至600℃，保持氧气流速为30ml/min；

9)以4℃/min的升温速率从600℃升温至1000℃，调节气体流量计控制氧气流速为10ml/min；

10)以1℃/min的升温速率从1000℃升温至1250℃，保温1小时，再次抽真空，使真空度≤50pa，然后停止通入氧气，并在该真空度下保温1小时；

11)1250℃下真空保温1小时后，再次通入氧气，通过调节气体流量计控制氧气流速为5-10ml/min，继续保温4小时；

12)保温结束后，以3℃/min的降温速率从1250℃降温至300℃，期间保持氧气流速为10ml/min；

13)降温至300℃以下时，关闭气体流量计，停止通氧气氛，自然降温至室温，得到半透明pmn-pt陶瓷；

14)将得到的半透明pmn-pt陶瓷，置于热压炉中，在空气气氛下，1220℃条件下烧结4小时，得到la掺杂pmn-pt透明陶瓷半成品；

15)将烧结的透明陶瓷半成品进行切割、打磨抛光，得到la掺杂0.88pmn-0.12pt透明陶瓷。

由以上方法制得的材料性能显著优于市售pmn-pt透明电光陶瓷，该材料的透光率很高，经测试，该陶瓷制成的透明电光陶瓷片7在光通信常用波段1550nm附近时的透光率可达到70％(透光率曲线如图4所示)，远高于现有材料，已非常接近其理论透光率71％。

除此之外，所述的相位调节机构3可包括一个或多个调节单元6，应用电光效应调节调节单元6的折射率，透明电光陶瓷片7厚度与控制电压成正相关，调节单元6的数量与控制电压成反相关，可以通过对透明电光陶瓷片7厚度和调节单元个数的控制使该装置适用于不同工作电压的需求。

该光纤耦合器调节分束能量比的工作原理：由输入光纤引入该光纤耦合器的入射激光(偏振光)通过相位调节机构3经透明电光陶瓷片7折射，射出相位调节机构3的出射激光偏振方向发生变化，由于电光效应，透明陶瓷的折射率受驱动电压控制，折射率对电场的函数关系可写成以下幂级数形式:

n＝n⁰+αe+βe²

其中第一项n⁰与电场无关，为弱电场下的折射率。第二项表示折射率与电场的一次方成正比，称为一次电光效应，或泡克尔斯(pockels)效应；α为一次电光系数。第三项表示折射率与电场二次方成正比，称为二次电光效应，或克尔(kerr)效应。β为二次电光系数。

因此出射的激光偏振方向跟随驱动电压幅值变化而变化，进而通过双折射晶体被分出两束信号，其能量比值可以用方向变化角θ(旋光角度)表示：sin(θ)²：cos(θ)²，θ与透明电光陶瓷的光电效应有关，受控制电压调控，实例中测得θ与驱动电压之间的关系如附图3所示。即该光纤耦合器的激光分束能量比可由控制电压输入端10输入的控制电压控制，且透明电光陶瓷电光效应的响应速度较快，该光纤耦合器可实现高速连续调节分束能量比。

为了实现能量比可高速连续调控的信息可调制的功能，本发明的光线耦合器(如图2所示)还可以包括信息调制机构11，所述的信息调制机构11设置于壳体1内，所述信息调制机构11安装在相位调节机构3左侧，信息调制机构11包括自左向右依次设置的水平偏振片12、调节单元6和竖直偏振片13，所述的调节单元6与相位调节机构3的调节单元6结构相同，所述的水平偏振片12、调节单元6和竖直偏振片13之间通过光学胶粘合层8粘合，所述的水平偏振片12与输入光纤接口1插入的输入光纤连接，所述的竖直偏振片13的一面与相位调节机构3的入射面通过光学胶粘合层8粘合。

具体的，所述的构成信息调制机构11的部件(水平偏振片12、调节单元6和竖直偏振片13)的入射面和出射面均镀有增透膜。所述的调节单元6的透明电光陶瓷片7为pmn-pt透明电光陶瓷方片，所述的pmn-pt透明电光陶瓷方片的尺寸为2mm×2mm×0.5mm，所述的增透膜为氟化钙膜。

信息调制的工作原理：对于信息调制功能的实现部分，将信息的调制电压信号f(t)通过信息调制机构11的调节单元6的电压输入端10接入调制单元，激光被两垂直偏振片和调节单元6的电光效应所调制，由于调节单元6的电光效应，激光偏振旋角α与调制电压信号f(t)相关，原强度为i的激光信号可以被调制成sin(α(t))²，从而将信息上载到光路中，被调制后的信号继续往下级光路传输。由于透明电光陶瓷的驱动电压不产生电流，所以功耗极低。当调制电压信号f(t)为直流偏压时，即可停止信息调制功能，只实现1×2分光功能。双折射晶体与pmn-pt光路可逆，该器件可实现2×1合光功能。

以上所列举的实施方式仅供理解本发明之用，并非是对本发明所描述的技术方案的限定，有关领域的普通技术人员，在权利要求所述技术方案的基础上，还可以作出多种变化或变形，所有等同的变化或变形都应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。