CN102621637B - 晶体保偏光耦合器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶体保偏光耦合器及其制造方法，该光耦合器包括第一双光纤准直器，其内装有第一保偏光纤及第二保偏光纤，光耦合器还具有偏振合束器，位于第一双光纤准直器的出射端，偏振合束器具有相互对接的第一晶体及第二晶体，第一晶体的光轴与第二晶体的光轴垂直，位于偏振合束器的出射端的偏振分束器，偏振分束器具有相互对接的第三晶体及第四晶体，第三晶体的光轴与第四晶体的光轴垂直，且第三晶体的光轴与第一晶体的光轴形成预定角度的夹角，位于偏振合束器的出射端的第二双光纤准直器，第二双光纤准直器内装有第一出射光纤及第二出射光纤。本发明还提供该光耦合器的制造方法。本发明消光比较高，且光线的光功率调节灵活，制造简单。

Description

晶体保偏光耦合器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种晶体保偏光耦合器以及这种光耦合器的制造方法。

背景技术

随着网络通讯的发展，光纤网络的数据传送速度越来越快，对光纤网络的容量要求也越来越高。现有光纤网络传输常使用线偏振光，同时使用保偏光耦合器对入射的光线进行光功率调整，使得出射的光线的光功率满足一定的要求，以满足光纤网络中对传输光线的光功率的要求。

公开号为CN101178463A的中国发明专利申请公开了名为“一种熔锥型3×3保偏光纤耦合器”的发明创造，该耦合器具有三根平行设置保偏光纤，且使用氢氧火焰或电弧将光纤的一个区域加热，加热时拉锥光纤，三根保偏光纤相互融合，形成一段公共的熔锥区。这样，光线在保偏光纤中传输时，经过熔锥区后将按照一定的分光比进入另一根光纤，从而实现对光线的光功率调整。

然而，熔融拉锥型光耦合器因其存在有应力区，导致偏振光经过应力区时保持偏振能力减弱，这就造成光耦合器的消光比受到限制，导致器件性能的下降。此外，由于制造该光耦合器时需要使用氢氧火焰或电弧加工，加工难度大，生产成本高。

公告号为CN2514359Y的实用新型专利公开了一种名为“光耦合器”的发明创造，该光耦合器的结构如图1所示。光耦合器由分立的光学元件构成，其具有双光纤准直器10，双光纤准直器10内装有两根光纤11、12，其中光纤11为保偏光纤且作为输入光纤，光纤12为输出光纤。

光耦合器还具有单光纤准直器15，单光纤准直器15内装有一根出射光纤16。并且，在双光纤准直器10靠近单光纤准直器15的端壁上设有膜片13。

这样，光线从光纤11入射到膜片13后，一部分光经过折射后从光纤16中出射，另一部分光被反射到光纤12并经光纤12出射。这样可以使得入射光线的能量按照预定的比例从光纤12与光纤16中出射，实现对光功率的调整。

但是，若需要调节两根光纤12、16出射光线的分光比，则需要在膜片13上镀上不同的镀膜层，导致光耦合器对分光比的调节非常不灵活。此外，膜片13的镀膜工艺要求很高，往往由于加工不到位而导致膜片13的分光比无法满足要求，影响光耦合器的质量。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种分光比能够灵活调节的晶体保偏光耦合器。

本发明的另一目的是提供一种生产成本较低且质量较好的晶体保偏光耦合器。

本发明的再一目的是提供一种加工工艺简单的晶体光耦合器的制造方法。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的晶体保偏光耦合器包括第一双光纤准直器，其内装有第一保偏光纤及第二保偏光纤，光耦合器还具有偏振合束器，位于第一双光纤准直器的出射端，偏振合束器具有相互对接的第一晶体及第二晶体，第一晶体的光轴与第二晶体的光轴垂直，位于偏振合束器的出射端的偏振分束器，偏振分束器具有相互对接的第三晶体及第四晶体，第三晶体的光轴与第四晶体的光轴垂直，且第三晶体的光轴与第一晶体的光轴形成预定角度的夹角，位于偏振分束器的出射端的第二双光纤准直器，第二双光纤准直器内装有第一出射光纤及第二出射光纤。

由上述方案可见，第一保偏光纤的光线与第二保偏光纤的光线经过偏振合束器后将沿同一光路传播并进入偏振分束器，且偏振合束器的第一晶体的光轴与偏振分束器的第三晶体的光轴之间形成预定角度的夹角，两束光线从偏振合束器出射到偏振分束器时，将形成四束光线，且四束光线中的两束沿着同一光路传播，另外两束光线沿另外一个光路传播。四束光线的光功率均跟第一晶体的光轴与第三晶体的光轴之间的夹角大小有关，因此，调整第一晶体的光轴与第三晶体的光轴之间的夹角，能够调节出射光线的光功率。

可见，本发明的晶体保偏光耦合器对光线的光功率调节是通过调节第一晶体的光轴与第三晶体的光轴之间的夹角实现的，调节灵活方便，且不受镀膜工艺的影响，加工方便，生产成本也较低。并且，对第一晶体光轴与第三晶体光轴的夹角调整较为容易，能够确保光耦合器具有较高的分光性能，质量较好。

一个优选的方案是，该预定的角度为45°的锐角。由于光线经过第三晶体与第四晶体的对接面时，分成的四束光线的光功率与预定角度的正弦值及余弦值有关，将预定角度设置为45°的锐角，能够确保每束入射光线均分成的两束光线的光功率相等，有利于光耦合器的应用。

进一步的方案是，偏振分束器及偏振合束器由同一种晶体材料制成。

由此可见，使用同一种晶体材料制作偏振分束器及偏振合束器，确保光线在同一种介质中传播，能够更好地控制光耦合器的分光比，且光耦合器的消光比更为理想。

更进一步的方案是，第一双光纤准直器的轴线、偏振合束器的轴线、偏振分束器的轴线及第二双光纤准直器的轴线在同一直线上。

可见，四个器件的轴线在同一直线上，能够方便光耦合器的制造，也有利于光线的传播，光耦合器的性能更加稳定。

为实现上述的再一目的，本发明提供的晶体保偏光耦合器的制造方法包括提供第一双光纤准直器，第一双光纤准直器内装有第一保偏光纤及第二保偏光纤，并且，在第一双光纤准直器的出射端设置偏振合束器，偏振合束器具有相互对接的第一晶体及第二晶体，第一晶体的光轴与第二晶体的光轴垂直；在偏振合束器的出射端设置偏振分束器，偏振分束器具有相互对接的第三晶体及第四晶体，第三晶体的光轴与第四晶体的光轴垂直，且第三晶体的光轴与第一晶体的光轴形成预定角度的夹角；在偏振分束器的出射端设置第二双光纤准直器，第二双光纤准直器内装有第一出射光纤及第二出射光纤。

由上述方案可见，制造光耦合器时，不需要进行熔融拉锥操作，也不需要进行镀膜操作，通过上述方法制成的光耦合器仅通过调节第一晶体的光轴与第三晶体的光轴之间的夹角即可调节分光比，光耦合器的性能较好，且加工工艺简单，生产成本较低，有利于光耦合器的生产制造。

一个优选的方案是，设置偏振合束器及偏振分束器时，将偏振合束器及偏振分束器与第一双光纤准直器共轴线地放置，通过转动偏振合束器或偏振分束器来调节第一晶体的光轴与第三晶体的光轴之间的夹角角度。

由此可见，将偏振合束器与偏振分束器共轴线地放置，能够方便地调节第一晶体光轴与第三晶体光轴的夹角，制造光耦合器时能够灵活地调节夹角的角度。

附图说明

图1是现有一种光耦合器的结构示意图。

图2是本发明晶体保偏光耦合器实施例的结构示意图。

图3是本发明晶体保偏光耦合器实施例中偏振合束器及偏振分束器的结构图，图中示出光线穿过偏振合束器及偏振分束器时的偏振态。

图4是本发明晶体保偏光耦合器实施例中偏振合束器及偏振分束器各个晶体的光轴示意图。

图5是本发明晶体保偏光耦合器实施例中光线进入偏振分束器后的光能变化示意图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图2，本发明的晶体保偏光耦合器具有第一双光纤准直器21，其装有两根保偏光纤22、23，每一根保偏光纤22、23用于传输线性偏振光，且从两根保偏光纤22、23出射的光线的偏振态相互垂直。在第一双光纤准直器21的出射端上有聚焦透镜，从保偏光纤22、23出射的光线经过聚焦透镜后带一定交叉角度出射。

在第一双光纤准直器21的出射端设置有偏振合束器25，参见图3，偏振合束器25为渥拉斯顿棱镜，其具有第一晶体26及第二晶体27，且第一晶体26与第二晶体27对接，第一晶体26的光轴与第二晶体27的光轴垂直。

从保偏光纤22出射的光线S1偏振态与第一晶体26的光轴垂直，且从保偏光纤23出射的光线S2偏振态与第一晶体26的光轴平行，因此光线S1、光线S2入射到第一晶体26后，偏振态不会发生改变。当光线S1、S2入射到第一晶体26与第二晶体27的对接面28时，两束光线S1、S2将沿同一光路传播，从第二晶体27出射的光线S3、S4偏振态与光线S1、S2的偏振态相同。

在偏振合束器25的出射端设置有偏振分束器31，偏振分束器31也为渥拉斯顿棱镜，并且，优选地，偏振分束器31与偏振合束器25由同一种晶体材料制成。偏振分束器31具有相互对接的第三晶体32与第四晶体33，第三晶体32的光轴与第四晶体33的光轴相互垂直。此外，第三晶体32的光轴与第一晶体26的光轴之间形成了一个预定的夹角α，该夹角α为45°的锐角。

参见图4，从光线传输的方向看，第一晶体26的光轴方向P1与第二晶体27的光轴方向P2垂直，第三晶体32的光轴方向P3与第四晶体的光轴方向P4垂直，第一晶体26的光轴方向P1与第三晶体32的光轴方向P3之间形成45°的夹角α。

回看图3，由于第三晶体32的光轴与光线S3、S4的偏振态并不平行或垂直，而是形成预定角度的夹角，因此光线S3入射到第三晶体32后将分解成两束光线S31与S32，但光线S31、S32的传播光路并不发生改变，只是偏振态发生变化，即光线S3被分解成偏振态相互垂直的两束光线S31、S32。其中光线S31的偏振态平行于第三晶体32的光轴，而光线S32的偏振态垂直于第三晶体32的光轴。

同理，光线S4入射到第三晶体32后也会被分解成偏振态相互垂直的两束光线S41以及S42，其中光线S41的偏振态平行于第三晶体32的光轴，光线S42的偏振态垂直于第三晶体32的光轴。当然，光线S41与光线S42的传播光路并不发生改变，因此光线S31、S32、S41、S42均沿同一光路传播，本实施例中，S31、S32、S41、S42均以平行于偏振分束器31轴线的方向传播。

光线S31、S32、S41、S42射到第三晶体32与第四晶体33的对接面34时，寻常光与非寻常光发生了转化，光线S31、S32、S41、S42的传播方向将发生改变。

由图3可见，偏振态相同的光线S31与S41将同一光路出射，而光线S32与S42将沿另一光路出射，且光线S32与S42的偏振态也相同，两路光路之间形成一定角度的夹角。

假设光线S3、S4、S31、S32、S41、S42的光功率分别为Q3、Q4、Q31、Q32、Q41、Q42，根据晶体的分光原理，可以得到以下关系：

Q₃₁＝Q₃×cos²α    (式1)

Q₃₂＝Q₃×sin²α    (式2)

$\frac{Q_{31}}{Q_{32}}={\mathrm{ctg}}^2\mathrm{\α}$ (式3)

Q₄₁＝Q₄×sin²α    (式4)

Q₄₂＝Q₄×cos²α    (式5)

$\frac{Q_{41}}{Q_{42}}={\mathrm{tg}}^2\mathrm{\α}$ (式6)

从图5可见，光线S31与光线S41的偏振态与第三晶体32的光轴方向P3平行，而光线S32与光线S42的偏振态与第四晶体33的光轴方向P4平行。

回看图2，在偏振合束器31的出射端设置有第二双光纤准直器41，其内装有两根光纤42、43，光线S31与光线S32从第四晶体33出射后，将入射到光纤42中，而光线S41与光线S42从第四晶体33出射后将入射到光纤43中。光纤42、43可以是保偏光纤，也可以是普通的单模光纤，这并不影响本发明目的的实现。

由此可见，只要改变夹角α的角度，即可改变光线S31、S32、S41、S42的光功率，也就可以改变光线在光纤42、43中传播光线的光功率。本实施例中，夹角α为45°，因此光线S31的光功率Q31与光线S32的光功率Q32相等，光线S41的光功率Q41与光线S42的光功率Q42也相等，即光纤42与光纤43传播的光线光功率相等。这样，晶体保偏光耦合器能对入射的光线的光功率进行均分，且确保每一根出射光纤42、43内的光线偏振态相同。

为了方便光线的传播，可以将第一双光纤准直器21的轴线、偏振合束器25的轴线、偏振分束器31的轴线以及第二双光纤准直器41的轴线设置在同一直线上。

制造晶体保偏光耦合器时，首先将第一双光纤准直器21、偏振合束器25、偏振分束器31及第二双光纤准直器41依次共轴线地放置，且偏振合束器25放置在第一双光纤准直器21的出射端，偏振分束器31放置在偏振合束器25的出射端，而第二双光纤准直器41放置在偏振分束器31的出射端。

然后，绕轴线转动偏振合束器25与偏振分束器31，使从第一双光纤准直器21出射的光线以较小的耦合损耗经偏振合束器25合束，并绕轴线转动偏振分束器31，以调节第一晶体26的光轴与第三晶体32的光轴之间的夹角，使夹角为预定的角度。

例如，将偏振合束器25与偏振分束器31分别装在两根圆柱状的套管内，并使两根套管的轴线重合，然后通过旋转两根套管来对第一晶体26的光轴与第三晶体32的光轴之间的夹角进行调节，这样的调节操作较为简单方便。

当然，偏振合束器25与偏振分束器31可以均选择使用渥拉斯顿棱镜，由同一种晶体材料制成，这样能够确保光线在偏振合束器25与偏振分束器31中的折射率保持一致，且传播速度保持一致，有利于对光功率的重新分配。此外，由于渥拉斯顿棱镜的体积小，且结构紧凑，有利于晶体保偏光耦合器的小型化。

由上述方案可见，制造晶体保偏光耦合器时，无需使用氢氧火焰或电弧对光纤进行加热处理，也不需要进行镀膜操作，加工工艺简单，生产成本较低。并且，通过改变第一晶体26的光轴与第三晶体32的光轴的夹角能够改变分光比，使得分光比的调节灵活方便，且光耦合器的消光比较高，质量较好。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如使用其他的双折射棱镜来替代渥拉斯顿棱镜作为偏振分束器与偏振合束器、将预定的角度调节成其他的角度等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.晶体保偏光耦合器，包括

第一双光纤准直器，所述第一双光纤准直器内装有第一保偏光纤及第二保偏光纤；

其特征在于：

偏振合束器，位于所述第一双光纤准直器的出射端，所述偏振合束器具有相互对接的第一晶体及第二晶体，所述第一晶体的光轴与所述第二晶体的光轴垂直；

偏振分束器，位于所述偏振合束器的出射端，所述偏振分束器具有相互对接的第三晶体及第四晶体，所述第三晶体的光轴与所述第四晶体的光轴垂直，且所述第三晶体的光轴与所述第一晶体的光轴形成预定角度的夹角，所述预定角度为锐角；

第二双光纤准直器，位于所述偏振分束器的出射端，所述第二双光纤准直器内装有第一出射光纤及第二出射光纤。

2.根据权利要求1所述的晶体保偏光耦合器，其特征在于：

所述锐角为45°。

3.根据权利要求1或2所述的晶体保偏光耦合器，其特征在于：

所述偏振分束器及所述偏振合束器由同一种晶体材料制成。

4.根据权利要求1或2所述的晶体保偏光耦合器，其特征在于：

所述偏振分束器及所述偏振合束器均为渥拉斯顿棱镜。

5.根据权利要求1或2所述的晶体保偏光耦合器，其特征在于：

所述第一双光纤准直器的轴线、所述偏振合束器的轴线、所述偏振分束器的轴线及所述第二双光纤准直器的轴线在同一直线上。

6.晶体保偏光耦合器的制造方法，包括

提供第一双光纤准直器，所述第一双光纤准直器内装有第一保偏光纤及第二保偏光纤；

其特征在于：

在所述第一双光纤准直器的出射端设置偏振合束器，所述偏振合束器具有相互对接的第一晶体及第二晶体，所述第一晶体的光轴与所述第二晶体的光轴垂直；

在所述偏振合束器的出射端设置偏振分束器，所述偏振分束器具有相互对接的第三晶体及第四晶体，所述第三晶体的光轴与所述第四晶体的光轴垂直，且所述第三晶体的光轴与所述第一晶体的光轴形成预定角度的夹角，所述预定角度为锐角；

在所述偏振分束器的出射端设置第二双光纤准直器，所述第二双光纤准直器内装有第一出射光纤及第二出射光纤。

7.根据权利要求6所述的晶体保偏光耦合器的制造方法，其特征在于：

设置所述偏振合束器及所述偏振分束器时，将所述偏振合束器及所述偏振分束器与所述第一双光纤准直器共轴线地放置，通过转动所述偏振合束器或所述偏振分束器来调节所述第一晶体的光轴与所述第三晶体的光轴之间的夹角角度。

8.根据权利要求6或7所述的晶体保偏光耦合器的制造方法，其特征在于：

所述偏振分束器及所述偏振合束器由同一种晶体材料制成。

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