CN102959442A - 光纤模式转换器及具有模式转换功能的光纤隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤模式转换器及具有模式转换功能的光纤隔离器，该光纤隔离器包括集成在一起的光纤模式转换器和光隔离器芯，所述光纤模式转换器包括相对设置的输入光纤准直器和输出光纤准直器；所述输入光纤准直器包括与输入光纤对接的输入准直透镜，输出光纤准直器包括与输出光纤对接的输出准直透镜；所述输入准直透镜和输出准直透镜相对光隔离器芯设置，且所述输入准直透镜和输出准直透镜的准直光束直径相等。本发明以不同参数的光纤和准直透镜来制作输入/输出光纤准直器，通过各自参数之间的匹配设计，实现输入/输出光纤模式之间的匹配，并将其与光隔离器芯封装在一起，以达到减小损耗、缩小体积和降低成本的效果。

Description

光纤模式转换器及具有模式转换功能的光纤隔离器

技术领域

本发明涉及光纤传输技术，更具体地说，涉及一种光纤模式转换器及具有模式转换功能的光纤隔离器。

背景技术

1960年，美国人Maiman在加利福尼亚休斯研究所研制成红宝石激光器，这是世界上第一台激光器。激光新技术的诞生使光学这门古老的学科跨出了划时代的一步，也是人类历史上最重大的科学技术成果之一。短短不到50年的时间，激光器已经广泛地使用在人类生活的各个领域，包括工业加工、生物医学、军事、科学研究、测量等。

同传统的固体、气体激光器相比、光纤激光器是一种比较新型的激光器，其主要优点包括高光束质量、高电光转换效率、易散热性、高可靠性、结构紧凑等。

光纤激光器主要有两种结构，一种采用谐振腔选择激射波长，一种为行波放大结构，激射波长取决于种子光源的波长。行波放大结构的光纤激光器通常由多级构成，逐级放大，为了增加工作物质并降低光功率密度，后面放大级所采用的光纤，芯径往往比前面放大级更粗。因此激光在从前级传输到后级时，存在光纤模式的变换和匹配问题。同时，对于行波放大结构的光纤激光器，光束只能从种子光源到前级再到后级单向传输，反向传输光则会破坏种子光源。因此在前后放大级之间，往往需要采用光隔离器来保证激光的单向传输。

因此，光纤模式转换器用于芯径不同的光纤之间的衔接，减小因模式不匹配而造成的光功率损耗。光纤模式转换器可以通过热扩束光纤或者透镜变换来实现，如图1和图2所示。如图1中通过热扩束（TEC）光纤改变纤芯直径；图2中通过在两级光纤之间设置一个透镜来实现输入光纤到输出光纤的模式变换。

光隔离器是光通信中常用的器件之一，通过法拉第磁光效应，让光信号单向传输，隔离反向传输光以减小系统噪声（用于光纤放大器中）或者避免器件损坏（用于光纤激光器中）。光隔离器一般分为偏振相关型和偏振无关型两种，偏振相关型光隔离器要求正向传输光为线偏振光且偏振方向与光隔离器的透光轴对准，否则正向光也会经历较大的功率损耗，甚至被完全隔离。偏振相关型光隔离器一般置于DFB激光器（半导体激光器的一种，发射线偏振激光，因此可以采用偏振相关型光隔离器）与光纤之间，以隔离从光纤向激光器传输的反向光，避免损坏激光器。偏振无关型光隔离器则对正向传输光的偏振态没有要求，任意偏振态的正向传输光通过时，均经历一个较小的功率损耗。光纤放大器、光纤激光器中一般采用偏振无关型光隔离器。

综上所述，目前的行波放大结构光纤激光器，前后放大级之间，一般需要串联一个模式转换器和一个光隔离器，以实现两级之间的光纤模式转换和保证光信号的单向传输。如果能够将这两种器件的功能集成在一个器件中，则可以减小损耗、缩小体积并降低成本。然而，现有的光纤模式转换器结构（如图1和图2中所示）与光隔离器工艺不兼容，无法封装在一起。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有光纤模式转换器在工艺上无法与光隔离器封装在一起的缺陷，提供了一种光纤模式转换器及具有模式转换功能的光纤隔离器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光纤模式转换器，包括相对设置的输入光纤准直器和输出光纤准直器；

所述输入光纤准直器包括与输入光纤对接的输入准直透镜；

所述输出光纤准直器包括与输出光纤对接的输出准直透镜；

所述输入准直透镜和输出准直透镜相对设置，且所述输入准直透镜和输出准直透镜的准直光束直径相等。

在本发明所述的光纤模式转换器中，所述输入光纤准直器还包括用于套接所述输入光纤的输入玻璃毛细管，以及封装所述输入玻璃毛细管和输入准直透镜的输入玻璃管；所述输出光纤准直器还包括用于套接所述输出光纤的输出玻璃毛细管，以及封装所述输出玻璃毛细管和输出准直透镜的输出玻璃管。

在本发明所述的光纤模式转换器中，所述输入准直透镜和输出准直透镜均为柱形平-凸透镜；所述输入准直透镜和输出准直透镜在折射率相等的情况下满足以下公式：

$\frac{R_1}{R_2}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}$

其中，R₁和R₂分别为输入准直透镜和输出准直透镜凸面曲率半径，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

在本发明所述的光纤模式转换器中，所述输入准直透镜和输出准直透镜均为自聚焦透镜；所述输入准直透镜和输出准直透镜的参数满足以下公式：

$\frac{n_1\sqrt{A_1}}{n_2\sqrt{A_2}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}$

其中，n₁和n₂分别为输入准直透镜和输出准直透镜的中心折射率，

和

分别为输入准直透镜和输出准直透镜的自聚焦常数，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

本发明还提供了一种具有模式转换功能的光纤隔离器，包括集成在一起的光纤模式转换器和光隔离器芯，所述光纤模式转换器包括相对设置的输入光纤准直器和输出光纤准直器，所述光隔离器芯设置在所述输入光纤准直器和输出光纤准直器之间；

所述输入光纤准直器包括与输入光纤对接的输入准直透镜；

所述输出光纤准直器包括与输出光纤对接的输出准直透镜；

所述输入准直透镜和输出准直透镜相对所述光隔离器芯设置，且所述输入准直透镜和输出准直透镜的准直光束直径相等。

在本发明所述的具有模式转换功能的光纤隔离器中，所述输入光纤准直器还包括用于套接所述输入光纤的输入玻璃毛细管，以及封装所述输入玻璃毛细管和输入准直透镜的输入玻璃管；所述输出光纤准直器还包括用于套接所述输出光纤的输出玻璃毛细管，以及封装所述输出玻璃毛细管和输出准直透镜的输出玻璃管。

在本发明所述的具有模式转换功能的光纤隔离器中，所述输入准直透镜和输出准直透镜均为柱形平-凸透镜；所述输入准直透镜和输出准直透镜在折射率相等的情况下满足以下公式：

$\frac{R_1}{R_2}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}$

其中，R₁和R₂分别为输入准直透镜和输出准直透镜凸面曲率半径，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

在本发明所述的具有模式转换功能的光纤隔离器中，所述输入准直透镜和输出准直透镜均为自聚焦透镜；所述输入准直透镜和输出准直透镜的参数满足以下公式：

$\frac{n_1\sqrt{A_1}}{n_2\sqrt{A_2}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}$

其中，n₁和n₂分别为输入准直透镜和输出准直透镜的中心折射率，

和

分别为输入准直透镜和输出准直透镜的自聚焦常数，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

在本发明所述的具有模式转换功能的光纤隔离器中，所述光隔离器芯为采用位移晶体的光隔离器芯。

在本发明所述的具有模式转换功能的光纤隔离器中，所述光隔离器芯为采用双折射楔角片的光隔离器芯。

实施本发明的光纤模式转换器及具有模式转换功能的光纤隔离器，具有以下有益效果：本发明在现有光隔离器结构的基础上，以不同参数的光纤和准直透镜来制作输入/输出光纤准直器，可通过正向传输光而隔离反向传输光，并同时具有光纤模式转换功能，可应用于光纤激光器中，在光纤激光器的各级之间，隔离反向传输光并对光纤模式进行转换和匹配，并且本发明将其集成在一个器件中，以达到减小损耗、缩小体积和降低成本的效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为现有采用热扩束光纤实现的光纤模式转换器的结构示意图；

图2为现有采用透镜来实现的光纤模式转换器的结构示意图；

图3为本发明优选实施例中具有模式转换功能的光纤隔离器的结构示意图；

图4为本发明优选实施例中光纤模式转换器的结构示意图；

图5为本发明采用的准直透镜的第一实施例的结构示意图；

图6为本发明采用的准直透镜的第二实施例的结构示意图；

图7为本发明采用的光隔离器芯的第一实施例结构示意图；

图8为本发明采用的光隔离器芯的第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图3，为本发明优选实施例中具有模式转换功能的光纤隔离器的结构示意图。如图3所示，该实施例提供的具有模式转换功能的光纤隔离器包括光纤模式转换器和光隔离器芯30，其中光纤模式转换器又进一步包括输入光纤准直器10和输出光纤准直器20。

输入光纤准直器10和输出光纤准直器20相对设置，分别与输入光纤12和输出光纤22对接，而光隔离器芯30设置在输入光纤准直器10和输出光纤准直器20之间。

下面对上述光纤模式转换器进行详细描述。如图4所示，本发明还相应提供了一种光纤模式转换器，包括上述输入光纤准直器10和输出光纤准直器20。

其中，输入光纤准直器10至少包括与输入光纤12对接的输入准直透镜11，输出光纤准直器20至少包括与输出光纤对接的输出准直透镜21。为了实现输入/输出光纤模式之间的匹配，两个光纤准直器的准直光束直径应该相同，即输入准直透镜和输出准直透镜的准直光束直径相等。

参照图3和图4，在本实施例中采用玻璃毛细管和玻璃管对光纤与准直透镜进行封装，从而在物理结构上进行连接。输入光纤准直器10还包括输入玻璃毛细管13和输入玻璃管14，其中输入玻璃管14包裹在输入玻璃毛细管13和输入准直透镜11外，从而将两者封装在一起，在使用时，只需要将输入光纤12插入输入玻璃毛细管13中即可实现对接。同理，输出光纤准直器20具有相同结构的输出玻璃毛细管23和输出玻璃管24。应该理解的是，本领域技术人员可以采用其他方法对准直透镜与光纤之间进行封装，从而方便使用。

本发明提出以不同参数的光纤和准直透镜来制作光纤准直器，实现输入/输出光纤之间的模式变换。本发明使用的准直透镜，可以采用C-Lens（一种柱形平-凸透镜）或者自聚焦透镜（GRIN-Lens，一种柱形渐变折射率透镜）来实现。

请参阅图5，为本发明采用的准直透镜的第一实施例的结构示意图。如图5所示，该实施例中光纤模式转换器采用的柱形平-凸透镜，该C-Lens的参数包括折射率n、长度L和凸面曲率半径R。设λ为光波长，ω₀为光纤模场半径，ω_c为准直光束半径；则图5中以C-Lens为光纤准直透镜的准直光束尺寸如式（1）所示：

${\mathrm{\ω}}_c=\frac{\mathrm{\λR}}{(n-1)\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0}---\left(1\right)$

设输入准直透镜11和输出准直透镜21均为柱形平-凸透镜，且在放置时透镜的凸面相对设置。设输入准直透镜11和输出准直透镜21的折射率相等，输入准直透镜11的凸面曲率半径为R₁，输出准直透镜凸面曲率半径为R₂。通过计算可得以下公式：

$\frac{R_1}{R_2}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}---\left(2\right)$

其中，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

请参阅图6，为本发明采用的准直透镜的第二实施例的结构示意图。如图5所示，该实施例中采用自聚焦透镜，该GRIN-Lens的参数包括中心折射率n₀、长度Z和自聚焦常数

设λ为光波长，ω₀为光纤模场半径，ω_c为准直光束半径；则图6中以GRIN-Lens为光纤准直透镜的准直光束尺寸如式（3）所示：

${\mathrm{\ω}}_c\≈\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0{n}_0\sqrt{A}}---\left(3\right)$

设输入准直透镜11和输出准直透镜21均为自聚焦透镜；设输入准直透镜11的中心折射率为n₁，自聚焦常数为

输出准直透镜21的中心折射率为n₂，自聚焦常数为

通过计算可得输入准直透镜和输出准直透镜的参数满足以下公式：

$\frac{n_1\sqrt{A_1}}{n_2\sqrt{A_2}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}---\left(4\right)$

其中，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

请参阅图7和图8，分别为本发明采用的光隔离器芯的第一实施例和第二实施例的结构示意图。

图7中第一实施例采用位移晶体的光隔离器芯实现。图7中上、下两部分子图分别为该采用位移晶体的光隔离器芯的正向光路和反向光路。该采用位移晶体的光隔离器芯包括两块位移晶体，即位移晶体1和位移晶体2，分别与输入光纤侧和输出光纤侧对接，在本实施例中分别与输入光纤准直器10和输出光纤准直器20相接。且位移晶体1和位移晶体2之间设有旋光片和半波片，并在中部设有磁环。通过上述结构就能实现光的单向传输。

图8中第二实施例采用双折射楔角片的光隔离器芯实现。图8中左、右两部分子图分别为该采用双折射楔角片的光隔离器芯的正向光路和反向光路。该采用双折射楔角片的光隔离器芯包括内部的双折射楔角片，以及外部的磁环。通过该结构也能实现光的单向传输。

下面对本发明提出的具有模式转换功能的光纤隔离器的具体实施步骤进行说明：

1)根据实际应用需求选择输入光纤/输出光纤，获得两者的光纤模场半径

参数ω₁和ω₂，根据光隔离器芯通光孔径确定准直光束半径ω_c。

2)如果选择以C-Lens作为准直透镜，通过式（5-6）计算两个透镜的曲率半径。

$R_1=\frac{(n-1)\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{\λ}}---\left(5\right)$

$R_2=\frac{(n-1)\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{\λ}}---\left(6\right)$

如果选择以GRIN-Lens作为准直透镜，通过式（7-8）确定两个透镜的折射率和自聚焦常数。

$n_1\sqrt{A_1}=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{\λ}}---\left(7\right)$

$n_2\sqrt{A_2}=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_c{\mathrm{\ω}}_2}{\mathrm{\λ}}---\left(8\right)$

3)采用以上选定的光纤和设计的准直透镜，分别制作输入和输出光纤准直器。由于满足式（2）或者式（4）条件，两个光纤准直器的准直光斑尺寸相同，输入与输出光纤的模场得到匹配。

4)设计和制作传统结构的光隔离器芯，如图7或者图8所示。

将以上制备的输入/输出光纤准直器与光隔离器芯联调并封装，即实现具有模式转换功能的光纤隔离器。

综上所述，本发明是在分析现有光隔离器和模式转换器工作原理的基础上，提出一种功能集成的光器件结构，以达到减小损耗、缩小体积和降低成本的效果。该光隔离器可通过正向传输光而隔离反向传输光，并同时具有光纤模式转换功能，可应用于光纤激光器中，在光纤激光器的各级之间，隔离反向传输光并对光纤模式进行转换和匹配。该器件在现有光隔离器结构的基础上，以不同参数的光纤和准直透镜来制作输入/输出光纤准直器，通过各自参数之间的匹配设计，实现输入/输出光纤模式之间的匹配。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种光纤模式转换器，其特征在于，包括相对设置的输入光纤准直器和输出光纤准直器；

所述输入光纤准直器包括与输入光纤对接的输入准直透镜；

所述输出光纤准直器包括与输出光纤对接的输出准直透镜；

所述输入准直透镜和输出准直透镜相对设置，且所述输入准直透镜和输出准直透镜的准直光束直径相等。

2.根据权利要求1所述的光纤模式转换器，其特征在于：

所述输入光纤准直器还包括用于套接所述输入光纤的输入玻璃毛细管，以及封装所述输入玻璃毛细管和输入准直透镜的输入玻璃管；

所述输出光纤准直器还包括用于套接所述输出光纤的输出玻璃毛细管，以及封装所述输出玻璃毛细管和输出准直透镜的输出玻璃管。

3.根据权利要求1或2所述的光纤模式转换器，其特征在于，所述输入准直透镜和输出准直透镜均为柱形平-凸透镜；所述输入准直透镜和输出准直透镜在折射率相等的情况下满足以下公式：

$\frac{R_1}{R_2}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}$

其中，R₁和R₂分别为输入准直透镜和输出准直透镜凸面曲率半径，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

4.根据权利要求1或2所述的光纤模式转换器，其特征在于，所述输入准直透镜和输出准直透镜均为自聚焦透镜；所述输入准直透镜和输出准直透镜的参数满足以下公式：

$\frac{n_1\sqrt{A_1}}{n_2\sqrt{A_2}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}$

其中，n₁和n₂分别为输入准直透镜和输出准直透镜的中心折射率，

和

分别为输入准直透镜和输出准直透镜的自聚焦常数，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

5.一种具有模式转换功能的光纤隔离器，其特征在于，包括集成在一起的光纤模式转换器和光隔离器芯，所述光纤模式转换器包括相对设置的输入光纤准直器和输出光纤准直器，所述光隔离器芯设置在所述输入光纤准直器和输出光纤准直器之间；

所述输入光纤准直器包括与输入光纤对接的输入准直透镜；

所述输出光纤准直器包括与输出光纤对接的输出准直透镜；

所述输入准直透镜和输出准直透镜相对所述光隔离器芯设置，且所述输入准直透镜和输出准直透镜的准直光束直径相等。

6.根据权利要求5所述的具有模式转换功能的光纤隔离器，其特征在于：

所述输入光纤准直器还包括用于套接所述输入光纤的输入玻璃毛细管，以及封装所述输入玻璃毛细管和输入准直透镜的输入玻璃管；

所述输出光纤准直器还包括用于套接所述输出光纤的输出玻璃毛细管，以及封装所述输出玻璃毛细管和输出准直透镜的输出玻璃管。

7.根据权利要求5或6所述的具有模式转换功能的光纤隔离器，其特征在于，所述输入准直透镜和输出准直透镜均为柱形平-凸透镜；所述输入准直透镜和输出准直透镜在折射率相等的情况下满足以下公式：

$\frac{R_1}{R_2}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}$

其中，R₁和R₂分别为输入准直透镜和输出准直透镜凸面曲率半径，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

8.根据权利要求5或6所述的光纤模式转换器，其特征在于，所述输入准直透镜和输出准直透镜均为自聚焦透镜；所述输入准直透镜和输出准直透镜的参数满足以下公式：

$\frac{n_1\sqrt{A_1}}{n_2\sqrt{A_2}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}$

其中，n₁和n₂分别为输入准直透镜和输出准直透镜的中心折射率，

和

分别为输入准直透镜和输出准直透镜的自聚焦常数，ω₁和ω₂分别为输入光纤和输出光纤的光纤模场半径。

9.根据权利要求5或6所述的具有模式转换功能的光纤隔离器，其特征在于，所述光隔离器芯为采用位移晶体的光隔离器芯。

10.根据权利要求5或6所述的具有模式转换功能的光纤隔离器，其特征在于，所述光隔离器芯为采用双折射楔角片的光隔离器芯。

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