CN108345132A - 一种基于钒酸钇晶体的单偏振光传输控制方法及光纤隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钒酸钇晶体的单偏振光传输控制方法及光纤隔离器，包括输入端准直器、第一钒酸钇晶体、第一法拉第旋转器、第二钒酸钇晶体、第二法拉第旋转器、第三钒酸钇晶体和输出端准直器；输入端准直器与输出端准直器均包括套管、光纤毛细管和准直透镜，光纤毛细管与准直透镜设置于套管内；第一钒酸钇晶体与第二钒酸钇晶体光轴成45°夹角，第二钒酸钇晶体与第三钒酸钇晶体光轴成45°夹角，还包括磁环，分别套设在第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器上；本发明只有一束偏振光输出，光功率及光谱更为稳定，可以提高光纤陀螺的精度和标度因数稳定性，可耦合保偏光纤，匹配光纤陀螺光路；并且不需要1/2λ波片，光束始终在正中心不存在位移。
Description
技术领域
本发明属于光纤无源器件领域，具体涉及一种基于钒酸钇晶体的单偏振光传输控制方法及光纤隔离器。
背景技术
光纤陀螺是一种角速率传感器，是惯性导航系统中的重要部件，已广泛应用于航空航天等军事及民用领域中。在高精度光纤陀螺中，其光源为掺铒光纤光源(ASE光源)，这是因为ASE光源具有较高的输出功率和较稳定的光谱特性，有助于降低光纤陀螺的噪声。
ASE光源包括铒纤光纤、泵源、波分复用器、光纤隔离器、光纤滤波器、光纤反射镜等器件，其中，光纤隔离器的作用是防止回反光影响光源的性能，是必不可少的器件。
目前所采用的光纤隔离器为偏振无关型，其原理是将输入光分为o光和e光，经过法拉第晶体旋光后，再汇合一起；当光由反向端输入时，由于法拉第效应的非互易性，光束发生偏转，无法到达输入端。
具体的，专利名称为“一种偏振无关光纤隔离器(201520794491.1)”的发明专利具体公开了偏振无关型光纤隔离器的结构及工作原理，由于其正向传输光保留了o光和e光，光功率及光谱不稳定，光纤陀螺的精度和标度因数稳定性不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于钒酸钇晶体的单偏振光传输控制方法，解决现有技术中光功率及光谱不稳定，光纤陀螺的精度和标度因数稳定性不高的问题。
本发明为了解决现有技术问题所采用的技术方案如下：
提供一种基于钒酸钇晶体的单偏振光传输控制方法，在保证o光的传输方向始终不变条件下，使e光在所述钒酸钇晶体中被不断分开，位移量逐渐增大，最终不满足传输条件而损耗掉；
具体包括以下步骤：
在光路上依次设置输入端准直器、第一钒酸钇晶体、第一法拉第旋转器、第二钒酸钇晶体、第二法拉第旋转器、第三钒酸钇晶体和输出端准直器于外封管内；
分别嵌套设置磁环于第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器上；
设置第一钒酸钇晶体使其光轴方向与水平方向平行，光经第一钒酸钇晶体输出为o光和e光并分开一定位移；
设置第二钒酸钇晶体使其光轴方向与所述第一钒酸钇晶体光轴方向呈45°夹角，o光和e光经第一法拉第旋转器旋转45°并传输进入第二钒酸钇晶体，在第二钒酸钇晶体中o光传输方向保持不变，e光继续分开一定位移；
设置第三钒酸钇晶体使其光轴方向与所述第二钒酸钇晶体光轴方向呈45°夹角，o光和e光经第二法拉第旋转器旋转45°并传输进入第三钒酸钇晶体，在第三钒酸钇晶体中o光传输方向保持不变，e光继续分开一定位移；
最终，当e光与o光之间位移距离大于3倍光斑大小，e光无法耦合输出，仅输出o光，实现单偏振光输出。
进一步地，在钒酸钇晶体中e光与o光之间位移距离为钒酸钇晶体长度的1/10，晶体越长，e光与o光之间位移距离越大；当e光与o光之间位移距离超过3倍光斑大小时，e光无法耦合输出，光斑大小为0.2mm，为了保证e光与o光之间位移距离超过3倍光斑大小即0.6mm，所述第一钒酸钇晶体、第二钒酸钇晶体和第三钒酸钇晶体总长度大于6mm，以保证足够的隔离度和偏振消光比。
进一步地，所述输入端准直器与输出端准直器结构相同均包括套管、光纤毛细管和准直透镜，所述光纤毛细管与准直透镜耦合并粘接设置于套管内；
所述输入端准直器与单模光纤连接，所述单模光纤穿设于光纤毛细管内，所述单模光纤与光纤毛细管粘接；
所述输出端准直器与保偏光纤对轴连接，所述保偏光纤穿设于光纤毛细管内，所述保偏光纤与光纤毛细管粘接。
具体的，所述第一钒酸钇晶体经切割成立方体，所述光轴位于与外表面平行的任一截面内且方向与所属截面底边平行或重合的直线方向相同；
所述第二钒酸钇晶体经切割成立方体，所述光轴位于与外表面平行的任一截面内且方向与所属截面对角线平行或重合的直线方向相同；
所述第三钒酸钇晶体经切割成立方体，所述光轴位于与外表面平行的任一截面内且方向与所属截面底边平行或重合的直线方向垂直。
进一步地，还包括研磨所述光纤毛细管，所述研磨角度为8°，以防止端面反射。
本发明的另一个目的在于提供一种应用于所述传输控制方法的光纤隔离器，实现单偏振光输出，可耦合保偏光纤，与光纤陀螺整体光路方案相匹配。
包括依次设置于外封管内的输入端准直器、第一钒酸钇晶体、第一法拉第旋转器、第二钒酸钇晶体、第二法拉第旋转器、第三钒酸钇晶体和输出端准直器；
所述输入端准直器与输出端准直器结构相同均包括套管、光纤毛细管和准直透镜，所述光纤毛细管与准直透镜耦合并粘接设置于套管内；
所述第一钒酸钇晶体与第二钒酸钇晶体光轴方向成45°夹角，所述第二钒酸钇晶体与第三钒酸钇晶体光轴方向成45°夹角。
还包括磁环，所述磁环分别套设在第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器上。
进一步地，所述输入端准直器与单模光纤连接，所述单模光纤穿设于光纤毛细管内，所述单模光纤与光纤毛细管粘接；
所述输出端准直器与保偏光纤对轴连接，所述保偏光纤穿设于光纤毛细管内，所述保偏光纤与光纤毛细管粘接。
具体的，所述光纤毛细管研磨角度相对垂直方向呈8°。
更具体的，所述准直透镜为G-Lens准直镜。
进一步地，所述输入端准直器与第一钒酸钇晶体间隔为1mm；所述第三钒酸钇晶体与输出端准直器间隔为1mm。
本发明有益效果如下：
1.本发明为单偏振输出，输出为单偏振光，只有一束偏振光输出，光功率及光谱更为稳定，可以提高光纤陀螺的精度和标度因数稳定性；
2.本发明为单偏振输出，可耦合保偏光纤，与光纤陀螺整体光路方案相匹配；此外，还可以与其它器件结合实现相对强度噪声对消，可进一步提高光纤陀螺精度，本发明应用于光纤陀螺中是一种最佳的选择；
3.本发明中光纤隔离器应用了基于钒酸钇晶体的传输控制方法，其钒酸钇晶体通过切割实现不同光轴方向的需要，钒酸钇晶体形状多变，能够满足不同的器件要求，特别是在切割成立方体形状状态下，器件容易摆放，结构紧凑；
4.与传统光纤隔离器相比，本发明的单偏振光纤隔离器不需要1/2λ波片，而且光束始终在正中心，不存在位移，为器件的制作和封装带来方便。
附图说明
图1为本实施例中单偏振光纤隔离器结构图；
图2为本实施例中单偏振光传输光路图；
图3为本实施例中光纤毛细管示意图；
图4为本实施例中第一钒酸钇晶体光路示意图；
图5为本实施例中第二钒酸钇晶体光路示意图；
图6为本实施例中第三钒酸钇晶体光路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
本实施例提供一种基于钒酸钇晶体的单偏振光传输控制方法，包括：
如图1所示，在光路上依次设置输入端准直器1-0、第一钒酸钇晶体1-4、第一法拉第旋转器1-5、第二钒酸钇晶体1-7、第二法拉第旋转器1-8、第三钒酸钇晶体1-10和输出端准直器1-17于外封管内；分别嵌套设置磁环1-6于第一法拉第旋转器1-5和第二法拉第旋转器1-8上。
输入端准直器1-0与输出端准直器1-17结构相同。
输入端准直器1-0包括套管1-15、光纤毛细管1-2和准直透镜1-3，光纤毛细管1-2与准直透镜1-3耦合并通过胶水粘接设置于套管1-15内；输入端准直器1-0与单模光纤1-1连接，单模光纤1-1穿设于光纤毛细管1-2内，单模光纤1-1与光纤毛细管1-2粘接。
输出端准直器1-17包括套管1-16、光纤毛细管1-12和准直透镜1-11，光纤毛细管1-12与准直透镜1-11耦合并粘接设置于套管1-16内；输出端准直器1-17与保偏光纤1-13连接，保偏光纤1-13穿设于光纤毛细管1-12内，保偏光纤1-13与光纤毛细管1-12粘接。
输入端准直器1-0与第一钒酸钇晶体1-4间隔为1mm；第三钒酸钇晶体1-10与输出端准直器1-17间隔为1mm
如图4所示，设置第一钒酸钇晶体1-4使其光轴方向与水平方向平行，光经第一钒酸钇晶体输出为o光和e光并分开一定位移。
如图5所示，设置第二钒酸钇晶体1-7使其光轴方向与第一钒酸钇晶体1-4光轴方向呈45°夹角；
o光和e光经第一法拉第旋转器1-5旋转45°并传输进入第二钒酸钇晶体1-7，在第二钒酸钇晶体1-7中o光传输方向保持不变，e光继续分开一定位移。
如图6所示，设置第三钒酸钇晶体1-10使其光轴方向与第二钒酸钇晶体1-7光轴方向呈45°夹角；
o光和e光经第二法拉第旋转器旋转45°并传输进入第三钒酸钇晶体1-10，在第三钒酸钇晶体1-10中o光传输方向保持不变，e光继续分开一定位移；
如图2所示，第一钒酸钇晶体1-4、第二钒酸钇晶体1-7和第三钒酸钇晶体1-10总长度大于6mm，o光的传输方向始终不变，而e光在三块钒酸钇晶体中被不断分开，位移量逐渐增大，在第三钒酸钇晶体1-10中，e光与o光之间位移距离超过0.6mm，大于3倍光斑大小，e光无法耦合传输，最终被损耗，仅输出o光，实现单偏振光输出。
如图3所示，还包括研磨光纤毛细管，研磨角度相对垂直方向呈8°，以防止端面反射。
本实施例工作原理具体为：
如图2、4～6所示，2-1、2-2和2-3分别为第一钒酸钇晶体1-4、第二钒酸钇晶体1-7和第三钒酸钇晶体1-10，首先进入第一钒酸钇晶体1-4的光被分为o光和e光，其偏振方向相互垂直，其中o光的传输方向不变，而e光有一个6°的偏转角度，在晶体的输出端分开一定的位移。
如图4～6所示，在第一法拉第旋转器1-5中，o光和e光都旋转45°并传输进入第二钒酸钇晶体，第二钒酸钇晶体1-7与第一钒酸钇晶体1-4成45°夹角，所以在第一钒酸钇晶体1-4中的o光和e光经第一法拉第旋转器1-5旋转45°后，在第二钒酸钇晶体1-7中依然是o光和e光，其中，o光的传输方向不变，而e光被进一步分开；同样，在第二法拉第旋转器1-8中，o光和e光又一次旋转45°，第三钒酸钇晶体1-10与第二钒酸钇晶体1-7也成45°夹角，所以在第三钒酸钇晶体1-10中o光传输方向保持不变，e光继续分开一定位移。
如图2所示，第一钒酸钇晶体1-4、第二钒酸钇晶体1-7和第三钒酸钇晶体1-10总长度大于6mm，o光的传输方向始终不变，而e光在三块钒酸钇晶体中被不断分开，位移量逐渐增大，在第三钒酸钇晶体1-10中，e光与o光之间位移距离超过0.6mm，大于3倍光斑大小，e光无法耦合传输，最终被损耗，仅输出o光，实现单偏振光输出。
反向传输光进入法拉第旋转体后，由于法拉第效应的非互易性，o光转变为e光，e光转变为o光，因此在第三钒酸钇晶体1-10输出时产生位移；同样在第二钒酸钇晶体1-7传输中位移进一步加大，因此被损耗掉，所以反向光无法传输。
本实施例中，o光和e光经钒酸钇晶体分开后，只有其中一束光可以输出，而另一束光损耗掉，因此输出光为只有一束偏振光，光功率及光谱更为稳定，可以提高光纤陀螺的精度和标度因数稳定性。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，钒酸钇晶体通过切割实现光轴方向上的45°夹角，具体的，
如图4所示，设置第一钒酸钇晶体1-4使其光轴方向与水平方向平行，光经第一钒酸钇晶体输出为o光和e光并分开一定位移；具体的，第一钒酸钇晶体1-4经切割成立方体，光轴位于与外表面A平行的任一截面内且方向与所属截面底边平行或重合的直线方向相同；其中切割形状不限于立方体，可以是圆柱体或其它形状。
如图5所示，设置第二钒酸钇晶体1-7使其光轴方向与第一钒酸钇晶体1-4光轴方向延顺时针方向呈45°夹角，具体的，第二钒酸钇晶体1-7经切割成立方体，光轴位于与外表面A平行的任一截面内且方向与所属截面对角线平行或重合的直线方向相同；其中切割形状不限于立方体，可以是圆柱体或其它形状。
o光和e光经第一法拉第旋转器1-5旋转45°并传输进入第二钒酸钇晶体1-7，在第二钒酸钇晶体1-7中依然是o光和e光。
如图6所示，设置第三钒酸钇晶体1-10使其光轴方向与第二钒酸钇晶体1-7光轴方向延顺时针方向45°夹角，具体的，第三钒酸钇晶体经切割成立方体，光轴位于与外表面A平行的任一截面内且方向与所属截面底边平行或重合的直线方向垂直；其中切割形状不限于立方体，可以是圆柱体或其它形状。
本实施例通过切割的技术方法能够实现钒酸钇晶体各种光轴方向的需要，钒酸钇晶体形状多变，能够满足不同的器件要求，特别是在切割成立方体形状状态下，器件容易摆放，结构紧凑易于工程实现。
实施例3
如图1所示，本实施例提供一种基于钒酸钇晶体的单偏振光纤隔离器，包括依次设置于外封管1-14内的输入端准直器1-0、第一钒酸钇晶体1-4、第一法拉第旋转器1-5、第二钒酸钇晶体1-7、第二法拉第旋转器1-8、第三钒酸钇晶体1-10和输出端准直器1-17；其中，第一钒酸钇晶体1-4、第一法拉第旋转器1-5、第二钒酸钇晶体1-7、第二法拉第旋转器1-8和第三钒酸钇晶体1-10在外封管1-14中并粘接固定，然后在耦合台上耦合输入端准直器和输出端准直器；输入端准直器进行五维调整，包括X、Y、Z及二维角度调整；输出端准直器只进行旋转角度调整，以保证光纤输出端具有较高的偏振消光比。
输入端准直器1-0与输出端准直器1-17结构相同。
输入端准直器1-0包括套管1-15、光纤毛细管1-2和准直透镜1-3，光纤毛细管1-2与准直透镜1-3耦合并通过胶水粘接设置于套管1-15内；输入端准直器1-0与单模光纤1-1连接，单模光纤1-1穿设于光纤毛细管1-2内，单模光纤1-1与光纤毛细管1-2粘接。
输出端准直器1-17包括套管1-16、光纤毛细管1-12和准直透镜1-11，光纤毛细管1-12与准直透镜1-11耦合并粘接设置于套管1-16内；输出端准直器1-17与保偏光纤1-13连接，保偏光纤1-13穿设于光纤毛细管1-12内，保偏光纤1-13与光纤毛细管1-12粘接。
输入端准直器1-0与第一钒酸钇晶体1-4间隔L1为1mm；第三钒酸钇晶体1-10与输出端准直器1-17间隔L2为1mm。
如图3所示，其中，单模光纤1-1或保偏光纤1-13和光纤毛细管1-2或1-12粘接好后，进行研磨和抛光，研磨物理角度为8°，以防止端面反射，光纤与毛细管的组成称为pigtail，可单独批量生产。
准直透镜1-3和1-11为G-Lens准直镜。
如图4～6所示，第一钒酸钇晶体1-4与第二钒酸钇晶体1-7光轴成45°夹角，第二钒酸钇晶体1-7与第三钒酸钇晶体1-10光轴成45°夹角。
如图1所示，还包括磁环1-6和1-9，磁环1-6和1-9分别套设在第一法拉第旋转器1-5和第二法拉第旋转器1-8上。
本实施例为单偏振光输出，可耦合保偏光纤，与光纤陀螺整体光路方案相匹配；此外，还可以与其它器件结合实现相对强度噪声对消，可进一步提高光纤陀螺精度，本发明应用于光纤陀螺中是一种最佳的选择。
传统基于钒酸钇晶体的光纤隔离器为偏振无关型，其内部需要增加两块1/2λ波片，使得到达下一块晶体的偏振态正交，即o光变为e光，e光变为o光，再合成一束光，但有一个偏移的位移，经过双级隔离后，位移量加倍；与传统光纤隔离器相比，本发明光纤隔离器不需要1/2λ波片，而且光束始终在正中心，不存在位移，为器件的制作和封装带来方便。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。
Claims (10)
1.一种基于钒酸钇晶体的单偏振光传输控制方法，其特征在于，在保证o光的传输方向始终不变条件下，使e光在所述钒酸钇晶体中被不断分开，位移量逐渐增大，最终不满足传输条件而损耗掉；
具体包括以下步骤：
在光路上依次设置输入端准直器、第一钒酸钇晶体、第一法拉第旋转器、第二钒酸钇晶体、第二法拉第旋转器、第三钒酸钇晶体和输出端准直器于外封管内；
分别嵌套设置磁环于第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器上；
设置第一钒酸钇晶体使其光轴方向与水平方向平行，光经第一钒酸钇晶体输出为o光和e光并分开一定位移；
设置第二钒酸钇晶体使其光轴方向与所述第一钒酸钇晶体光轴方向呈45°夹角，o光和e光经第一法拉第旋转器旋转45°并传输进入第二钒酸钇晶体，在第二钒酸钇晶体中o光传输方向保持不变，e光继续分开一定位移；
设置第三钒酸钇晶体使其光轴方向与所述第二钒酸钇晶体光轴方向呈45°夹角，o光和e光经第二法拉第旋转器旋转45°并传输进入第三钒酸钇晶体，在第三钒酸钇晶体中o光传输方向保持不变，e光继续分开一定位移；
最终，当e光与o光之间位移距离大于3倍光斑大小，e光无法耦合输出，仅输出o光，实现单偏振光输出。
2.根据权利要求1所述单偏振光传输控制方法，其特征在于，所述第一钒酸钇晶体、第二钒酸钇晶体和第三钒酸钇晶体总长度大于6mm，以保证足够的隔离度和偏振消光比。
3.根据权利要求1所述单偏振光传输控制方法，其特征在于，所述输入端准直器与输出端准直器结构相同均包括套管、光纤毛细管和准直透镜，所述光纤毛细管与准直透镜耦合并粘接设置于套管内；
所述输入端准直器与单模光纤连接，所述单模光纤穿设于光纤毛细管内，所述单模光纤与光纤毛细管粘接；
所述输出端准直器与保偏光纤对轴连接，所述保偏光纤穿设于光纤毛细管内，所述保偏光纤与光纤毛细管粘接。
4.根据权利要求1所述单偏振光传输控制方法，其特征在于，所述第一钒酸钇晶体经切割成立方体，所述光轴位于与外表面平行的任一截面内且方向与所属截面底边平行或重合的直线方向相同；
所述第二钒酸钇晶体经切割成立方体，所述光轴位于与外表面平行的任一截面内且方向与所属截面对角线平行或重合的直线方向相同；
所述第三钒酸钇晶体经切割成立方体，所述光轴位于与外表面平行的任一截面内且方向与所属截面底边平行或重合的直线方向垂直。
5.根据权利要求1所述单偏振光传输控制方法，其特征在于，还包括研磨所述光纤毛细管，所述研磨角度为8°，以防止端面反射。
6.一种应用了权利要求1～5任意一项所述传输控制方法的光纤隔离器，其特征在于，包括依次设置于外封管内的输入端准直器、第一钒酸钇晶体、第一法拉第旋转器、第二钒酸钇晶体、第二法拉第旋转器、第三钒酸钇晶体和输出端准直器；
所述输入端准直器与输出端准直器结构相同均包括套管、光纤毛细管和准直透镜，所述光纤毛细管与准直透镜耦合并粘接设置于套管内；
所述第一钒酸钇晶体与第二钒酸钇晶体光轴方向成45°夹角，所述第二钒酸钇晶体与第三钒酸钇晶体光轴方向成45°夹角；
还包括磁环，所述磁环分别套设在第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器上。
7.根据权利要求6所述光纤隔离器，其特征在于，所述输入端准直器与单模光纤连接，所述单模光纤穿设于光纤毛细管内，所述单模光纤与光纤毛细管粘接；
所述输出端准直器与保偏光纤对轴连接，所述保偏光纤穿设于光纤毛细管内，所述保偏光纤与光纤毛细管粘接。
8.根据权利要求7所述光纤隔离器，其特征在于，所述光纤毛细管研磨角度相对垂直方向呈8°，以防止端面反射。
9.根据权利要求6所述光纤隔离器，其特征在于，所述第一钒酸钇晶体、第二钒酸钇晶体和第三钒酸钇晶体总长度大于6mm，以保证足够的隔离度和偏振消光比。
10.根据权利要求6所述光纤隔离器，其特征在于，所述输入端准直器与第一钒酸钇晶体间隔为1mm；所述第三钒酸钇晶体与输出端准直器间隔为1mm。
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| CN201810449363.1A CN108345132A (zh) | 2018-05-11 | 2018-05-11 | 一种基于钒酸钇晶体的单偏振光传输控制方法及光纤隔离器 |
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