CN106932860B - 2×2保偏光纤分束偏振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种2×2保偏光纤分束偏振器，包括间隔设置在同一光路上的第一光纤对和第二光纤对，在第一光纤对和第二光纤对之间的光路上同时设有偏振片与功率分束的滤光片，在所述偏振片与所述第一光纤对之间的光路上设有第一透镜，在所述偏振片和功率分束的滤光片与所述第二光纤对之间的光路上设有第二透镜。本专利能够非常巧妙地实现单一器件分束与起偏检偏的功能，并且具有波长通带平坦，波长相关损耗小、波长通带纹波小，偏振消光比高，特别是对于返回的光波，通过同一偏振片2次，偏振消光比可以倍增等优点，同时具有性能稳定，工作波长范围宽，温度范围大，具有可靠性好，成品率高，工艺一致性、重复性好，成本低等优势。

Description

2×2保偏光纤分束偏振器

技术领域

本发明涉及光纤通信、光纤传感技术领域，具体的说是一种2×2保偏光纤分束偏振器。

背景技术

光纤传感系统的光学结构中，光纤电流互感器、光纤陀螺，以及光纤水听器等，通常需要光纤元器件能够实现光功率分束与起偏检偏功能。

传统方案，需要实现光功率分束与起偏、检偏功能，只能采用光纤耦合器与光纤偏振器分立元件组合，也有采用光纤耦合器与偏振分束器等分立元件组合，尚没有集成分束与起偏检偏功能于一体的器件。

此外，传统方案仍然不能解决如下问题：

1.对偏振器的偏振消光比要求达到高于60dB以上，目前尚没有单个光纤偏振器能够达到如此高的性能指标。

2.由于大多是宽谱光源应用，对于光功率分束，要求光谱能够达到2倍6dB光源带宽以上，即约80nm，而目前传统的光纤耦合器均不能实现这么宽的工作波长范围。

3.要求能够集成多个功能的单个光纤元件，以提高系统可靠性，降低系统成本，降低系统复杂程度，提高系统性能。

本专利所设计的保偏分束偏振器，能够非常巧妙地实现单一器件分束与起偏检偏的功能，同时具有性能稳定，工作波长范围宽，温度范围大，偏振消光比高，此外，具有可靠性好，成品率高，工艺一致性、重复性好，成本低等优势。

传统方案，需要实现光功率分束与起偏、检偏功能，只能采用光纤耦合器与光纤偏振器分立元件组合，也有采用光纤耦合器与偏振分束器等分立元件组合，尚没有集成分束与起偏检偏功能于一体的器件。

传统方案所制作的保偏光纤耦合器具有各种不可克服的弱点。由于必须采用匹配型保偏光纤，与常规的保偏光纤应力区域不兼容，保偏光纤熔接机几乎不能正确识别匹配型保偏光纤的应力轴，无论0度对准熔接，还是90度对准熔接，均会大幅度增加光路熔接的复杂程度，降低系统性能。除此之外，还具有普通单模耦合器具有的各种弱点，如较差的波长相关损耗WDL，温度相关损耗TDL，很差的偏振相关损耗PDL，以及较差的长期可靠性等，可以参见已有专利描述。

传统的光纤偏振器有磨抛光纤方案，在刨面上蒸镀金属膜，吸收大部分TM模，TE模损耗相对较小；弱点：可靠性差，偏振消光比很差，可生产制造性差，对于保偏光纤基本不能实现工艺操作，因此不能商业使用；

采用单一偏振片方案，受限制于光学结构于偏振片的偏振消光比，达到高于40dB的偏振消光比非常困难。

光功率分束，通常使用最多的情况是光纤耦合器，包括单模光纤耦合器与保偏光纤耦合器。也有采用环形器方案，偏振分束器方案。但是，采用这4种方案存在不可克服的弱点：

1.熔融拉锥制作的保偏耦合器，工作波长范围窄，工作温度范围有限，偏振消光比低，一般情况下全温范围<18dB，成品率低，工艺一致性、重复性差，原材料浪费严重，导致生产成本高；

2.熔融拉锥制作的保偏耦合器，保偏光纤的应力方向只能够采用Fig-6中所示方式，因为光纤被拉长，应力区减弱，因此偏振保持能力相对变弱；本专利所设计的保偏分束器，不但可以采用Fig-6的结构，而且可以采用Fig-7中的结构，能够增强应力分布，提高偏振保持的性能；

3.光纤环形器代替光纤耦合器的弱点：由于工作机理限制，存在较大的波长相关损耗(WDL)，偏振相关损耗(PDL)。温度相关损耗(TDL)，以及各种损耗交叉影响，反而会大幅度降低系统的其他性能，如系统的线性以及系统的测量误差，所以商业系统中宁愿采用传统的光纤耦合器，而不采用光纤环形器；

4.偏振分束器的弱点：工作机理：基于光波在双折射晶体中传播，偏离光轴方向传播，o光和e光走离，从而实现2偏振光束分开；或者采用格兰棱镜、沃拉斯顿棱镜，偏振分束棱镜等实现2偏振光束分开。由于体积限制，商业的偏振分束器大多采用双折射晶体方案，由于光波传播限制，o光和e光的2偏振态光波在空间传播，仍然有部分重叠，所以偏振消光比一般不会高于30dB，通常仅能够达到25dB。从而大幅影响系统性能，特别是用于模拟的光纤传感系统。从而会降低温度、振动相关的性能。

发明内容

本发明提供了一种2×2保偏光纤分束偏振器，在实现光功率分束的同时，实现了光波的偏振方向单一偏振态选择或者检偏的功能。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来具体实现：

2×2保偏光纤分束偏振器，包括间隔设置在同一光路上的第一光纤对和第二光纤对，在第一光纤对和第二光纤对之间的光路上同时设有偏振片与功率分束的滤光片，在所述偏振片和功率分束的滤光片与所述第一光纤对之间的光路上设有第一透镜，在所述偏振片与所述第二光纤对之间的光路上设有第二透镜。

所述光学偏振片与功率分束的滤光片被装载在一对透镜中间，同时固定在小玻璃管的2端，并且同时固定于所述大玻璃管内部。

所述第一光纤对被装载在第一玻璃毛细管中，并由所述第一玻璃毛细管对所述第一光纤对进行固定。

所述第二光纤对被装载在第二玻璃毛细管中，并由所属第二玻璃毛细管对所述第二光纤对进行固定。

所述保偏光纤分束偏振器，还包括大玻璃管，用于将所述第一透镜、所述第二透镜和所述偏振片、功率分束的滤光片，以及固定这2个光学元件的小玻璃管容置于其中并进行固定。

所述保偏光纤分束偏振器，还包括固定第一玻璃毛细管的第一小玻璃管，与所述大玻璃管的一端对接，并将所述第一玻璃毛细管的至少一部分容置于其中。

所述保偏光纤分束偏振器，还包括固定第二玻璃毛细管的第二小玻璃管，与所述大玻璃管的另一端对接，并将所述第二玻璃毛细管的至少一部分容置于其中。

所述第一透镜为C型透镜，所述第二透镜为C型透镜，并且两个C型透镜的弧面靠近所述偏振片。

所述偏振片和功率分束的滤光片通过小玻璃管，同时被固定于所述大玻璃管内部。

所述保偏光纤分束偏振器，还包括介质膜部分反射镜，设置于所述偏振片与所述第二透镜之间的光路上。

所述第一透镜为自聚焦透镜，所述第二透镜为自聚焦透镜，并且两个梯度折射透镜相对安装，呈“八”字形布置，优选地，所述自聚焦透镜为梯度折射透镜。

所述第一光纤对的两个光纤均为保偏光纤，所述第二光纤对的两个光纤均为保偏光纤。

所述第一光纤对的两个光纤中的一个为保偏光纤，另一个为单模光纤；所述第二光纤对的两个光纤中的一个为保偏光纤，另一个为单模光纤；所述第一光纤对的保偏光纤与所述第二光纤对中的保偏光纤一一沿着光路对接，所述第一光纤对的单模光纤与所述第二光纤对中的单模光纤一一沿着光路对接。

本专利所设计的2×2保偏分束偏振器，能够非常巧妙地实现单一器件分束与起偏检偏的功能，并且具有波长通带平坦，波长相关损耗小、波长通带Ripple纹波小，偏振消光比高，特别是对于返回的光波，通过同一偏振片2次，偏振消光比可以倍增等优点，这是其他分立元件不可能实现的最大优势；同时具有性能稳定，工作波长范围宽，温度范围大，偏振消光比高，此外，具有可靠性好，成品率高，工艺一致性、重复性好，成本低等优势。

此外，本专利设计的分束偏振器方案，生产工艺采用先进的Glass Sleeve玻璃套管全胶工艺封装，光路无胶，能够承载相当大的光功率；熔融拉锥制作的保偏耦合器能够承载的光功率相对较小。

本专利具有特别的优点：

1.非常巧妙地集成了光纤器件的分束与偏振(起偏或检偏)的功能，即在实现光功率分束的同时，也实现了光波的偏振方向单一偏振态选择或者检偏的功能；

2.可以让光波往返通过同一个偏振片2次，而毋需采用2个偏振片，更加不用对准2个偏振片的角度，简化生产组装工艺，可以非常容易地实现偏振消光比倍增。

3.此外，继承了保偏光纤分束器工艺简单，稳定，性能可靠；输入输出光纤与相连接光纤类型相同，工作波长范围宽，成品率高，插入损耗小，工作温度范围宽，总长度较短的优点，并且可以解决在保偏光纤应力轴需要以特定角度对准的光路中熔接难度高的问题。

4.同时也可以使一些特殊功能的保偏光纤器件可以直接集成在保偏光纤分束器上，例如光纤Lyot消偏器等。适用于特殊的传感系统中，例如光纤电流互感器、光纤陀螺、光纤水听器等。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是一实施例提供的基于C-Lens的保偏光纤分束偏振器的结构示意图。

图2是一实施例提供的基于自聚焦透镜Grin-Lens的保偏光纤分束偏振器的结构示意图。

具体实施方式

如图1-2所示，保偏光纤分束偏振器，包括间隔设置在同一光路上的第一光纤对11和第二光纤对12，在第一光纤对11和第二光纤对12之间的光路上设有偏振片13，以及功率分束的滤光片22，在所述偏振片13与所述第一光纤对11之间的光路上设有第一透镜14，在所述偏振片13与所述第二光纤对12之间的光路上设有第二透镜15。

所述第一光纤对11被装载在第一玻璃毛细管16中，并由所述第一玻璃毛细管16对所述第一光纤对11进行固定。

所述第二光纤对12被装载在第二玻璃毛细管17中，并由所属第二玻璃毛细管对所述第二光纤对进行固定。

所述保偏光纤分束偏振器，还包括大玻璃管18，用于将所述第一透镜14、所述第二透镜15和所述偏振片13容置于其中并进行固定。

所述保偏光纤分束偏振器，还包括第一小玻璃管19，与所述大玻璃管18的一端对接，并将所述第一玻璃毛细管16的至少一部分容置于其中。

所述保偏光纤分束偏振器，还包括第二小玻璃管20，与所述大玻璃管18的另一端对接，并将所述第二玻璃毛细管17的至少一部分容置于其中。

如图1所示，所述第一透镜为C型透镜，所述第二透镜为C型透镜，并且其中1个C型透镜的弧面靠近所述偏振片13，另外1个C型透镜的弧面靠近所述功率分束的滤光片22。

所述偏振片13和功率分束的滤光片22，同时通过小玻璃管21被固定于所述大玻璃管内部。

如图2所示，所述第一透镜14为自聚焦透镜，所述第二透镜15为自聚焦透镜，并且两个自聚焦透镜相对安装，呈“八”字形布置。

所述第一光纤对的两个光纤均为保偏光纤，所述第二光纤对的两个光纤均为保偏光纤。

所述第一光纤对的两个光纤中的一个为保偏光纤，另一个为单模光纤；所述第二光纤对的两个光纤中的一个为保偏光纤，另一个为单模光纤；所述第一光纤对的保偏光纤与所述第二光纤对中的保偏光纤一一沿着光路对接，所述第一光纤对的单模光纤与所述第二光纤对中的单模光纤一一沿着光路对接。

本专利所设计的保偏分束偏振器，能够非常巧妙地实现单一器件分束与起偏检偏的功能，同时具有性能稳定，工作波长范围宽，温度范围大，偏振消光比高，此外，具有可靠性好，成品率高，工艺一致性、重复性好，成本低等优势。

此外，本专利设计的分束偏振器方案，生产工艺采用先进的Glass Sleeve玻璃套管全胶工艺封装，光路无胶，能够承载相当大的光功率；熔融拉锥制作的保偏耦合器能够承载的光功率相对较小。

本专利具有特别的优点：

1.非常巧妙地集成了光纤器件的分束与偏振(起偏或检偏)的功能，即在实现光功率分束的同时，也实现了光波的偏振方向单一偏振态选择或者检偏的功能；

2.可以让光波往返通过同一个偏振片2次，而毋需采用2个偏振片，更加不用对准2个偏振片的角度，简化生产组装工艺，可以非常容易地实现偏振消光比倍增。

3.此外，继承了保偏光纤分束器工艺简单，稳定，性能可靠；输入输出光纤与相连接光纤类型相同，工作波长范围宽，成品率高，插入损耗小，工作温度范围宽，总长度较短的优点，并且可以解决在保偏光纤应力轴需要以特定角度对准的光路中熔接难度高的问题。

4.同时也可以使一些特殊功能的保偏光纤器件可以直接集成在保偏光纤分束器上，例如光纤Lyot退偏器等。适用于特殊的传感系统中，例如光纤电流互感器、光纤陀螺、光纤水听器等。

本专利采用玻璃套管工艺，组装工艺如下：

1.在显微镜下对准保偏光纤的应力轴方向，经过端面抛光、镀增透膜后制作成保偏光纤；

2.然后利用玻璃套管工艺进行耦合组装，其中尾纤也可以选择单模光纤进行组合，形成半保偏半单模光纤的结构；

3.其中功率分束器可以采用薄膜滤光片的镀膜工艺实现所需要制作的分束比，或者直接在自聚焦透镜Grin-Lens的端面蒸镀光功率分束介质薄膜；

4.然后在另外一面固定偏振片，以实现起偏于检偏功能。工艺简单，稳定，性能可靠；

5.因为蒸镀的介质薄膜工作波长带宽可达100nm，因此具有宽带光谱的特点，而且偏振片的工作波长带宽也非常宽，可以实现紧凑、高效、集成等功能；

6.此外，还具有成品率高，插入损耗小，工作温度范围宽，总长度较短(<27mm)的优点；

适用于光纤传感，特别是光纤电流互感器、光纤陀螺；以及光通信、工业激光、光学测量等多方面应用。

优点：

1.专利所述的2×2保偏分束偏振器，具有波长通带平坦，波长相关损耗小、波长通带Ripple纹波小，偏振消光比高，特别是对于返回的光波，通过同一偏振片2次，偏振消光比可以倍增等优点，这是其他分立元件不可能实现的最大优势；

2.如果采用一端2根光纤一根是保偏光纤，另外一根是单模光纤；另外一端的2根光纤同样一根是保偏光纤，另外一根是单模光纤；实现保偏光纤输入，偏振片起偏，提高光源的偏振消光比，透射到保偏光纤中；返回的光波经过保偏光纤，可以实现入射到单模光纤前双次检偏，偏振消光比可以倍增等优点。用于光纤传感领域，同样在提高传感系统的温度稳定性前提下，可以实现降低器件的成本，降低器件制作的工艺难度的优点。

具体组装工艺

1.准备FTA(Fiber Tube Assembly)：保偏光纤定轴；固定；端面抛光；光纤端面蒸镀介质增透膜；

2.C透镜方案，反射镜与偏振片组装；

3.C透镜组装，或者自聚焦透镜组装；

4.耦合对准与器件封装；

5.金属外套管封装。

最后应说明的是：以上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.2×2保偏光纤分束偏振器，其特征在于，包括间隔设置在同一光路上的第一光纤对和第二光纤对，在第一光纤对和第二光纤对之间的光路上同时设有偏振片和功率分束的滤光片，在所述偏振片与所述第一光纤对之间的光路上设有第一透镜，在所述功率分束的滤光片与所述第二光纤对之间的光路上设有第二透镜；所述偏振片与功率分束的滤光片，同时固定在小玻璃管的2端，并且同时固定于大玻璃管内部；

所述保偏光纤分束偏振器，还包括介质膜部分反射镜，设置于所述偏振片与所述第二透镜之间的光路上；所述光学偏振片与功率分束的滤光片被装载在一对透镜中间。

2.如权利要求1所述的保偏光纤分束偏振器，其特征在于，所述第一光纤对被装载在第一玻璃毛细管中，并由所述第一玻璃毛细管对所述第一光纤对进行固定。

3.如权利要求1所述的保偏光纤分束偏振器，其特征在于，所述第二光纤对被装载在第二玻璃毛细管中，并由所述第二玻璃毛细管对所述第二光纤对进行固定。

4.如权利要求1所述的保偏光纤分束偏振器，其特征在于，还包括大玻璃管，用于将所述第一透镜、所述第二透镜和所述偏振片容置于其中并进行固定。

5.如权利要求2所述的保偏光纤分束偏振器，其特征在于，所述保偏光纤分束偏振器，还包括第一小玻璃管，与所述大玻璃管的一端对接，并将所述第一玻璃毛细管的至少一部分容置于其中。

6.如权利要求3所述的保偏光纤分束偏振器，其特征在于，所述保偏光纤分束偏振器，还包括第二小玻璃管，与所述大玻璃管的另一端对接，并将所述第二玻璃毛细管的至少一部分容置于其中。

7.如权利要求1-4之一所述的保偏光纤分束偏振器，其特征在于，所述第一透镜为C型透镜，所述第二透镜为C型透镜，并且两个C型透镜的弧面靠近所述偏振片；

或者，所述第一透镜为自聚焦透镜，所述第二透镜为自聚焦透镜，并且两个自聚焦透镜相对安装，呈“八”字形布置，所述自聚焦透镜为梯度折射透镜。

8.如权利要求1所述的保偏光纤分束偏振器，其特征在于，所述第一光纤对的两个光纤均为保偏光纤，所述第二光纤对的两个光纤均为保偏光纤；

或者，所述第一光纤对的两个光纤中的一个为保偏光纤，另一个为单模光纤；所述第二光纤对的两个光纤中的一个为保偏光纤，另一个为单模光纤；所述第一光纤对的保偏光纤与所述第二光纤对中的保偏光纤一一沿着光路对接，所述第一光纤对的单模光纤与所述第二光纤对中的单模光纤一一沿着光路对接。

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