CN105449497A - 一种隔离滤波耦合多功能光纤器件 - Google Patents
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Abstract
一种隔离滤波耦合多功能光纤器件，涉及光学与光电子激光技术领域。其包括壳体(11)，在壳体(11)有由左楔角片(3)、法拉第旋光晶体(5)、磁环(4)和右楔角片(6)构成的旋光隔离器；其中，左楔角片(3)、法拉第旋光晶体(5)、右楔角片(6)在主光轴上；其特征在于，在旋光隔离器的左边的主光轴上垂直安置有输入耦合透镜(2)，在旋光隔离器的右边的主光轴上垂直安置有输出耦合透镜(9)，穿过壳体(11)的输入光纤(1)的光纤头置于输入耦合透镜(2)的左边的焦点位置上，穿过壳体(11)的带通滤波器(10)的尾纤端头置于输出耦合透镜(9)右边的焦点位置上。本发明使用更为方便，可实现多个功能，具有更高的集成度，减小光纤激光器系统的体积。
Description
技术领域
本发明是一种隔离滤波耦合多功能光纤器件，涉及光学与光电子激光技术领域，尤其涉及一种具有多种功能的非保偏光纤激光器的无源器件。
背景技术
光纤激光为实现小信号放大多采用MOPA体制的多级放大结构以实现高保真的信号放大。因此，各放大级之间除了需要对反向光进行隔离，还存在滤波、正反向光监测、模场匹配等功能需求。
为实现上述功能，在现有技术下，需采用光纤隔离器实现反向光隔离，滤波器实现ASE光谱滤波，TAP耦合器实现正/反向光的耦合输出，模场匹配器实现不同尺寸之间光纤的匹配。
上述器件可以光纤激光器系统中同时使用，但会给系统带来的体积、复杂程度和成本的增加，给系统的稳定性带来不确定因素。与此同时，多个无源器件自身的插入损耗与各器件间的熔接损耗会给系统带来较大的功率损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种隔离滤波耦合多功能光纤器件，以克服现有技术的体积大、结构复杂和成本高的缺陷。
一种隔离滤波耦合多功能光纤器件，包括壳体，在壳体有由左楔角片、法拉第旋光晶体、磁环和右楔角片构成的旋光隔离器；其中，左楔角片、法拉第旋光晶体、右楔角片在主光轴上；其特征在于，在旋光隔离器的左边的主光轴上垂直安置有输入耦合透镜，在旋光隔离器的右边的主光轴上垂直安置有输出耦合透镜，穿过壳体的输入光纤的光纤头置于输入耦合透镜的左边的焦点位置上，穿过壳体的带通滤波器10的尾纤端头置于输出耦合透镜右边的焦点位置上。
在旋光隔离器和输出耦合透镜之间还安置有分光镜，分光镜与主光轴成45°；在分光镜上面的壳体上安装有上检测窗口，在分光镜下面的壳体上安装有下检测窗口。
带通滤波器10的尾纤与后一级无源光纤匹配。
由于采取了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
1.本发明较实现同等功能的多个无源器件相比，使用更为方便，接入即可实现多个功能，具有更高的集成度，有助于减小光纤激光器系统的体积；
2.本发明较实现同等功能的多个无源器件相比，无需多次熔接，具有更低的插入损耗；
3.本发明较实现同等功能的多个无源器件相比，仅需一次结构封装，具有更低成本；
4.本发明具有良好的功能拓展性，可根据要求(如激光波长、滤波带宽、输出带通滤波器等)进行特殊设计，以满足不同种类激光器的需要；
5.本发明可与电路配合，通过安装不同的探测器，对多种/类的前后向光进行探测，用于不同场合的光参数实时监测。
附图说明
图1、本发明实施例结构图；
图2、本发明器件的功能模块框图；
图3、楔角片折射光路示意图；
图4、正向传播光偏转角度与楔角角度关系；
图5、反向传播光偏转角度与楔角角度关系；
图6、正向光在楔角片与法拉第旋光器中光偏振方向的变化示意图；
图7、反向光在楔角片与法拉第旋光器中光偏振方向的变化示意图。
其中各个标注数字有如下含义：1.输入光纤，2.输入耦合透镜，3.左楔角片，4.磁环，5.法拉第旋光晶体，6.右楔角片，7.分光镜，8.上检测窗口，9.输出耦合透镜，10.带通滤波器；11.壳体；12.下检测窗口
具体实施方式：
一种隔离滤波耦合多功能光纤器件，包括壳体11，在壳体11有由左楔角片3、法拉第旋光晶体5、磁环4和右楔角片6构成的旋光隔离器；其中，左楔角片3、法拉第旋光晶体5、右楔角片6在主光轴上；其特征在于，在旋光隔离器的左边的主光轴上垂直安置有输入耦合透镜2，在旋光隔离器的右边的主光轴上垂直安置有输出耦合透镜9，穿过壳体11的输入光纤1的光纤头置于输入耦合透镜2的左边的焦点位置上，穿过壳体11的带通滤波器10的光纤头置于输出耦合透镜9右边的焦点位置上。
在旋光隔离器和输出耦合透镜9之间还安置有分光镜7，分光镜7与主光轴成45°；在分光镜7上面的壳体11上安装有上检测窗口8，在分光镜7下面的壳体11上安装有下检测窗口12。
带通滤波器10与后一级无源光纤匹配。
(一)要解决的技术问题
针对上述技术问题，本项发明对光纤隔离器进行重新设计，设计一类多功能光纤无源器件，在必要情况下，具备隔离、滤波、模场匹配、TAP耦合等功能，且具备小体积、低插损、高稳定性、低成本等特点。
(二)技术方案
为实现上述目的，本项发明提出了一种全新设计的无源器件，包括：光纤耦合功能模块、旋光隔离功能模块、分光监测功能模块与带通滤波功能模块四个功能模块，这四个功能模块分别实现该无源器件对应的四类功能。
光纤耦合功能模块由输入输出光纤，光纤耦合透镜构成，实现激光的耦合输入输出功能。输入端耦合透镜将输出光纤发射的具备一定束散角的激光进行光束准直。输出端透镜对出射的平行光束进行耦合，将光束束散角压缩到输出光纤的数值孔径(NA)以下从而耦合到光纤纤芯中。其中，输入端与输出端的耦合透镜应根据充分考虑偏振模色散与输入输出端光纤的数值孔径，适当选择球面或非球面透镜。
旋光隔离功能模块由磁环、旋光晶体、楔角片构成，实现激光的正向传输，反向隔离的功能。
光信号正向传输的情况为经过自聚焦透镜射出的准直光束，进入左侧楔角片后，光束被分为o光和e光，其偏振方向相互垂直，传播方向呈一夹角，当它们经过45°法拉第旋转器时，出射的o光和e光的偏振面各自顺时针方向旋转45°，由于右侧楔角片的光轴相对于左侧楔角片光轴正好呈45°夹角，所以o光和e光被右侧楔角片折射到一起，合成两束间距很小的平行光束，并被斜面透镜耦合到光纤纤心里面，因而正向光以极小损耗通过隔离器组件。
当光束反向传输时，首先经过右侧楔角片后，分为偏振面与左侧楔角片晶轴成45°角的o光和e光，由于这两束线偏振光经45°法拉第旋转器时，振动面的旋转反向由磁感应强度B确定，而不受光线传播方向影响，所以，振动面仍顺时针方向旋转45°，相对于左侧楔角片的光轴共转过了90°，整个逆光路相当于经过了一个渥氏棱镜，出射的两束线偏振光被左侧楔角片进一步分开一个较大的角度，被斜面透镜偏折，不能耦合进光纤纤芯，从而达到反向隔离的目的。其中，上述设计仅针对于偏振无关的光纤激光。
分光监测模块由一块用于分光的45°镜和监测窗口构成，其中，分光镜实现对工作波长激光的分光，在大部分光透过的同时，使得正、反向激光有固定比例的光被反射到监测窗口处。监测窗口可安装不同种类的光电探测器直接输出对应的电信号，或是安装光纤耦合透镜将该激光导出进行测量。
带通滤波功能模块可采用有一根刻有特定波长的光栅滤波器构成，该光栅可直接刻写在输出尾纤上，实现在很窄带内波长激光的高透过率，非带内波长激光则不能透过，被反射回旋光隔离功能模块进行隔离。
下面结合具体实施实例，进一步阐述本发明，以下实施实例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。
本发明的第一个实施例描述如下：
旋光晶体(5)的选择：
旋光晶体(5)的几何尺寸对整个器件中耦合光学器件的设计、左右楔角片(3)(6)装配时错开距离等有着直接的关系。下文均是按照常见的TGG晶体材料的尺寸Φ5mm×50mm进行设计。此外，旋光晶体(5)及其表面应针对于工作波长进行材料的选择与镀膜增透，针对于1微米激光，晶体选择为TGG晶体，表面镀膜加强1微米激光的透过，减小TGG材料的反射。
耦合透镜焦距与口径的选择：
耦合透镜焦距的设计与两个参数有关，一个是上述的旋光晶体(5)的尺寸限制，一个是输入光纤(1)纤芯的数值孔径。针对于常见的125微米双包层光纤的数值孔径NA＝0.08/0.46。需要满足最基本的条件为NA×f＜D/2，其中，D为TGG晶体直径，可计算焦距f应小于31.25mm。考虑到装配时的便利性，光斑大小约为晶体尺寸的二分之一，f选择为15mm-20mm较为合适，此时的光斑大小为2.4mm(f1＝15mm)。输出耦合透镜(9)的选择与输出光纤(10)光纤的尺寸有关，对于常见的400微米双包层光纤NA0.11/0.46，根据上述光斑，可计算出f2为21.8mm。因输出透镜在耦合时由于楔角片分光产生e光和o光的光程差问题，考虑偏振模色散效应，输出透镜必须选择非球面透镜。
楔角片的角度选择：
经准直后的平行光入射到左侧楔角片(3)后，因楔角片的泥酸锂材料对不同偏振态o光和e光的折射率不同(no＝2.29，ne＝2.2081064nm)，分为两束光，这两束光满足基本的折射定律nsin＝nisinβi。其中，空气的折射率n＝1，可得出βi＝sin-1(sin/ni)。左侧楔角片出射角度可经计算为γi＝sin-1(nisin(-βi))，其中，i＝e/o。
当光束反向传输时，同样可依据折射定律，光经右侧楔角片的出射角度为γ′i＝sin-1(nisin(α-sin-1(sinα/ni)))，经法拉第旋光晶体后入射到左侧楔角片，对于左侧楔角片来说，反向光的偏振方向已旋转了90°，此时，e光变为o光，o光变为e光。经左侧楔角片后e光和o光的方向与水平方向的夹角可表述为：
θo＝sin-1(no(sin(α-sin-1(sinγ′e/no))))
θe＝sin-1(ne(sin(α-sin-1(sinγ′o/ne))))
通过计算可得出楔角角度与出射角度之间的关系。当楔角选择为10°时，e光和o光的反向光方向与水平方向上的夹角。
左右楔角片的位置与偏转设计：
根据上述理论计算结果，激光经左侧楔角片后偏转角度约为0.2弧度，经50mmTGG晶体后，到达右侧楔角片后光纤在水平位置上错开距离为10mm。右侧楔角片在偏振角度与左侧楔角片在沿偏振方向上存在45°角偏差。因左右楔角片内侧平行，旋转楔角片不会对激光传输路径产生影响。
分光镜的选择：
本实施例采用一块针对固定波长(1064nm)分光比例为99∶1的45°分光镜(7)实现对正向、反向光的分离。1064nm激光经该分光镜后，大部分能量(99％)投射依然按照原路径传输，剩余少部分能量(1％)与原传输路径成90°角被反射。为方便在实际安装，该分光镜应具备一定的分光容许角度(＞10°)。
监测窗口的选择：
在本实施例中，为方便对异常的输入输出激光进行监测，正反监测窗口(8)采用探测器+电路板的方式实现对信号的监测。有探测器完成信号的监测，电路板实现对信号的可视化还原，或将信号接入到系统中进行信号的处理。
带通滤波器的选择：
选用镀膜滤光片滤波无法达到窄带光谱滤波的目的，本实施例将输出光纤与带通滤波器(10)进行融合，由输出耦合透镜(9)耦合后的激光直接耦合到(10)中。基于滤波光栅的带通滤波器可实现低于1nm带宽的滤波。
在本发明第一个实施例的基础上，本发明依据上述设计原则，可做出实施例2-5项调整：
实施例2，目前该旋光隔离功能模块采用的是单级楔形偏振无关设计，目的是为了结构紧凑，便于安装。同样的，采用平行平板型或者多级结构同样可实现类似的光隔离功能。
实施例3，针对不同的输入输出光纤，对耦合透镜进行再设计，适应不同的光纤。
实施例4，正向反向监测窗口同样可经过光学窗口进行耦合输出，可直接外接各类监测测量设备直接进行测量。
实施例5，根据各材料与器件的选择，本项发明可适应于不同波长，典型如2微米波段等等。
实施例6，对于器件的四个功能，可保留两个，典型如隔离滤波功能等。
本实施例器件性能预测：
1.隔离度：因采用楔形片结构，反向光无法耦合进入输入光纤中，因此在该实施例情况下反向光为零，可认为隔离度大于30dB；
2.插入损耗：主要由输入输出透镜的耦合损耗、分光镜的分光比、旋光晶体的损耗等因素构成。按目前实际工程经验，该器件的插入损耗可有效控制在1.5dB内；
3.滤波带宽：因采用带通滤波器滤波，带宽最窄可小于1nm，超出中心波长带宽外的光作为反向光被有效隔离；
4.TAP功能：可依据分光镜的分光比进行调整，如99∶1或者999∶1；
5.模场匹配：可根据输入输出耦合透镜适应任意双包层光纤。
当然，本发明还可以拓展其它多种实施例，在不背离本发明精神及实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变型都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
工作流程
本发明器件的工作流程可由正向传输和反向传输描述：
1.正向传输时，光经激光器前一级的输入光纤1被输入耦合透镜2准直为平行光，进入左侧楔角片3后，光束被分为o光和e光，其偏振方向相互垂直，传播方向呈一夹角，当它们经过法拉第旋光晶体5时，出射的o光和e光的偏振面各自顺时针方向旋转45°，由于右侧楔角片6的光轴相对于左侧楔角片(3)光轴正好呈45°夹角，所以o光和e光被右侧楔角片5折射到一起，合成两束间距很小的平行光束，实现光正向传输的功能。平行光束经分光镜(7)时小部分能量(1％)的激光被反射到监测窗口(8)处，实现分光检测功能。大部分激光(99％)透过分光镜继续传播，通过透镜9耦合到带通滤波器10的尾纤中，实现模场匹配功能，带通滤波器完成最后的带通滤波。
2.反向传输时，与正向传输类似，反向光由带通滤波器10尾纤发射，经输出耦合透镜9准直，分光镜7分出部分光到监测窗口8处，实现反向光监测功能。透射光到达右侧楔角片6后分成o光和e光，由于法拉第旋光晶体5的非互易性，振动面仍顺时针方向旋转45°，相对于左侧楔角片的光轴共转过了90°，经左侧楔角片3出射的两束线偏振光被左侧楔角片进一步分开一个较大的角度，不能耦合进光纤纤芯，从而达到反向隔离的目的。
本发明器件的结构组成可描述为：
1.输入光纤1的光纤头置于输入耦合透镜2的焦点位置上，输入光纤与透镜垂直放置。
2.经输入耦合透镜2准直后的激光平行入射到由左楔角片3、右楔角片6、法拉第旋光晶体5、磁环4构成的旋光隔离器上，其中，左楔角片3、右楔角片6的长直角边与旋光晶体平行安放。
3.分光镜7与主光轴成45°角安放，上检测窗口8光轴与分光镜成45°，可选择安装其他器件后确定位置打孔，孔的大小与光斑大小或安装的探测器大小相匹配。
4.输出耦合透镜9与主光轴垂直安置，其焦点处放置带通滤波器的输出光纤。
5.带通滤波器光纤可考虑与后一级无源光纤匹配。
6.器件间距根据器件自身尺寸根据第一实施例中的设计原则进行放置。
工作流程
本发明器件的工作流程可由正向传输和反向传输描述：
1.正向传输时，光经激光器前一级的输入光纤1被输入耦合透镜2准直为平行光，进入左侧楔角片3后，光束被分为o光和e光，其偏振方向相互垂直，传播方向呈一夹角，当它们经过法拉第旋光晶体5时，出射的o光和e光的偏振面各自顺时针方向旋转45°，由于右侧楔角片6的光轴相对于左侧楔角片3光轴正好呈45°夹角，所以o光和e光被右侧楔角片5折射到一起，合成两束间距很小的平行光束，实现光正向传输的功能。平行光束经分光镜7时小部分能量(1％)的激光被反射到监测窗口8处，实现分光检测功能。大部分激光(99％)透过分光镜继续传播，通过透镜9耦合到带通滤波器10的尾纤中，实现模场匹配功能，带通滤波器完成最后的带通滤波。
2.反向传输时，与正向传输类似，反向光由带通滤波器10尾纤发射，经输出耦合透镜9准直，分光镜7分出部分光到监测窗口8处，实现反向光监测功能。透射光到达右侧楔角片6后分成o光和e光，由于法拉第旋光晶体5的非互易性，振动面仍顺时针方向旋转45°，相对于左侧楔角片的光轴共转过了90°，经左侧楔角片3出射的两束线偏振光被左侧楔角片进一步分开一个较大的角度，不能耦合进光纤纤芯，从而达到反向隔离的目的。
Claims (3)
1.一种隔离滤波耦合多功能光纤器件，包括壳体(11)，在壳体(11)有由左楔角片(3)、法拉第旋光晶体(5)、磁环(4)和右楔角片(6)构成的旋光隔离器；其中，左楔角片(3)、法拉第旋光晶体(5)、右楔角片(6)在主光轴上；其特征在于，在旋光隔离器的左边的主光轴上垂直安置有输入耦合透镜(2)，在旋光隔离器的右边的主光轴上垂直安置有输出耦合透镜(9)，穿过壳体(11)的输入光纤(1)的光纤头置于输入耦合透镜(2)的左边的焦点位置上，穿过壳体(11)的带通滤波器(10)的尾纤端头置于输出耦合透镜(9)右边的焦点位置上。
2.根据要求1所述的.一种隔离滤波耦合多功能光纤器件，其特征在于，在旋光隔离器和输出耦合透镜(9)之间还安置有分光镜(7)，分光镜(7)与主光轴成45°；在分光镜(7)上面的壳体(11)上安装有上检测窗口(8)，在分光镜(7)下面的壳体(11)上安装有下检测窗口(12)。
3.根据要求1或2所述的.一种隔离滤波耦合多功能光纤器件，其特征在于，带通滤波器(10)的尾纤右端与后一级无源光纤匹配。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108098148A (zh) * | 2017-12-28 | 2018-06-01 | 北京工业大学 | 一种激光清洗装置 |
| CN109283706A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-01-29 | 英诺激光科技股份有限公司 | 混合型光隔离器 |
| CN111129937A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-08 | 山东省科学院激光研究所 | 一种窄带皮秒锁模光纤激光器 |
| CN111880319A (zh) * | 2020-08-18 | 2020-11-03 | 董述萍 | 一种带有原子陷波滤波器的汤姆逊散射诊断系统 |
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- 2014-09-30 CN CN201410513813.0A patent/CN105449497A/zh active Pending
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| WO2020098300A1 (zh) * | 2018-11-13 | 2020-05-22 | 英诺激光科技股份有限公司 | 混合型光隔离器 |
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