CN108363144B - 一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其至少包括光纤(11)和端帽(12)、光纤(13)和端帽(14)、光纤(15)和端帽(16)、环形器芯和基板，光纤(11)与端帽(12)相连，光纤(13)与端帽(14)相连，光纤(15)与端帽(16)相连，环形器芯安装在基板上，环形器芯能够使进入其中的光束发生偏移或位移。本发明通过波导扩束和曲面自准直输出的原理实现光束在曲面端帽的扩束准直，以及曲面端帽收集和耦合信号光进入尾纤纤芯，一体化的曲面光纤端帽有效提高环形器内的光束的耦合效率，提升光纤环形器的功率承受能力。

Description

一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器
技术领域
本发明涉及光无源器件，特别是多端口高功率光纤环形器。
背景技术
光环形器是一种多端口输入输出的非互易性控制光束传播方向的光学器件，光信号在器件中只能沿着特定的端口顺序传输，当光信号的传输顺序变更时其损耗很大，因此可实现信号隔离的作用。
由于光环形器的这种顺序传输特性，使其成为双向通信和激光传输中的重要器件。目前，光环形器广泛地用于激光系统、相干探测和水听器中。随着光纤激光器功率的提升，尾纤输入输出的光环形器结合高功率光纤激光器的相干探测等应用对光环形器的功率承受能力提出了更高的要求。
现有技术“一种基于光纤和透镜阵列的光环形器CN103955026B”、“一种光环形器CN 103995319B”、“Compact low crosstalk,three-port optical circulatorEP0860731B1”、“Bi-directional optical circulator and applications there ofUS6538815”、“method and system for providing a simplified in-line opticalcirculator US 6782145”，主要是基于透镜的空间耦合方式，这种耦合方式是在光纤端面加入透镜,因此结构较为复杂。一般采用λ/4的光纤自聚焦透镜,透镜的尺寸、波长等必须与光纤相匹配，如有偏离，则耦合效率低，光斑质量差，严重会使光信号发生损耗。因此这种传统的耦合技术装调难度大，耦合效率存在瓶颈，特别是耦合损耗带来的发热激发光纤端面损伤限制了器件的功率承受能力。
发明内容
鉴于现有技术中存在众多缺陷，本发明提供一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器的技术方案，具体为：
至少包括光纤(11)和端帽(12)、光纤(13)和端帽(14)、光纤(15)和端帽(16)、环形器芯)和基板；
所述光纤(11)与端帽(12)相连，光纤(13)与端帽(14)相连，光纤(15)与端帽(16)相连；
所述环形器芯安装在基板上；
所述环形器芯能够使进入其中的光束发生偏移或位移；
所述端帽的一端为平面，另一端为曲面，光纤与端帽的平面端进行相连接，连接方式为一体化熔接；
所述端帽的曲面用于光束的准直输出或耦合输入到光纤；
光束通过进入光纤(11)后经端帽(12)的曲面变成的准直光束入射到环形器芯(17)，偏移后的准直光束经端帽(14)的曲面耦合到其光纤(13)的尾芯输出；
光束通过进入光纤(13)后经端帽(14)的曲面变成的准直光束入射到环形器芯(17)，偏移后的准直光束经端帽(16)的曲面耦合到其光纤(15)的尾芯输出；
所述端帽的曲面的曲率半径R为：
Figure BDA0001655341750000021
其中光纤内的激光束腰半径为w0、发散角为θ0，端帽的长度为L，端帽材料的折射率为n。
其中光纤、端帽、环形器芯等部件都固定的安装在基板上。
所述的曲面光纤端帽由光纤和端帽熔接组成，所述的光纤的一端切平面后与端帽的平面一端熔接，光纤轴和端帽母线共轴。所述的光纤可以为保偏光纤，也可以为非保偏光纤。
所述的端帽可以为多种不同的形状，如圆柱形、圆锥形，其平面一端与光纤熔接，其另一端为曲面用于光束的准直输出或耦合输入到纤芯，曲率半径R根据端帽长度进行设计
Figure BDA0001655341750000022
其中光纤内的激光束腰半径为w0、发散角为θ0，长度为L的端帽材料的折射率为n。
所述的端帽长度和口径与目标扩束光斑尺寸相关，为保证器件的效率可靠性，端帽直径D应大于目标扩束光斑直径
Figure BDA0001655341750000023
Figure BDA0001655341750000024
其中，L为端帽的长度，d为光纤芯径，NA为光纤纤芯的数值孔径。
环形器芯可以是偏振相关型或者偏振无关型。
环形器芯至少包括偏振分光棱镜、双折射晶体、波片、旋转器、光速位移器中的一种和它们之间的组合。
环形器芯设置不同的光学元件的组合，能够使进入其中的光束发生偏移或位移，缩小光路结构的体积，如使顺序传输和逆序传输的光束发生一定的角度偏转或位移等功能
如偏振分光棱镜(PBS)，偏振分光棱镜能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。此偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。
双折射晶体，包括单轴晶体和双轴晶体。单轴晶体如石英，红宝石，冰。双轴晶体包括云母，蓝宝石，橄榄石，硫磺。
端帽的输出端面镀减反膜，镀膜波段与光纤环形器工作波长匹配。
基板附有散热装置，在高功率光纤环形器中由于具有较大功率，会产生大量热量，通过加入散热装置，能够迅速将环形器芯的热量带走，降低温度，从而提高器件的功率承受能力。
光纤环形器还安装有辅助安装板的热管理系统，可实现环形器在高功率激光条件下工作。
本发明通过波导扩束和曲面自准直输出的原理实现光束在曲面端帽的扩束准直，以及曲面端帽收集和耦合信号光进入尾纤纤芯，一体化的曲面光纤端帽有效提高环形器内的光束的耦合效率，提升光纤环形器的功率承受能力。曲面光纤端帽通过熔接制备成为一体化器件可精确保证光束的准直性能，便于光纤环形器集成和装调。
本发明的技术效果如下：
1)本发明基于曲面光纤端帽的耦合系统，结合尾纤的芯径和数值孔径优化设计端帽长度和出射面的曲率半径，不仅可实现对光纤入射光束的扩束准直，而且可以利用曲面端帽收集信号光并将其耦合到尾纤的纤芯；
2)由于光线与曲面端帽是通过熔接工艺的一体化器件，因此耦合系统无需装调，耦合效率高，发热小，光环形器可承受激光功率高；
3)端帽的输出端面镀减反膜，镀膜波段与光纤环形器工作波长吻合，能够减少或消除端帽曲面的反射光，可增加光的透过率；
4)光纤与端帽一体化熔接，增加了光纤的散热体积，进一步增加了器件的损伤阈值；
5)光纤与端帽共轴，提高光束质量。若光纤与端帽的轴发生偏移，会导致光斑的畸变，影响输出的光斑效果；
6)基板附有散热装置，在高功率光纤环形器中由于具有较大功率，会产生大量热量，通过加入散热装置，能够迅速将环形器芯的热量带走，降低温度，从而提高器件的功率承受能力；
7)本发明中的端帽的优化曲率半径
Figure BDA0001655341750000031
通过优化端帽的曲率半径，结合光环形器芯结构中光束一个端帽进入从另一个端帽射出，利用优化的曲率半径，能够使得系统的损耗达到最小；
8)本发明的光纤环形器具有体积小、插入损耗低、损伤阈值高等优点。
本发明简单有效地解决了光环形器的耦合效率和发热问题，有效地提升了器件的损伤阈值和功率承受能力。
附图说明
图1本发明的曲面光纤端帽结构示意图；
图2本发明的曲面光纤端帽的曲率半径对耦合损耗的影响；图3本发明的基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器结构示意图；
图4本发明的典型的偏振型环形器芯的结构示意图；
图5本发明的偏振无关型环形器芯的结构示意图。
具体图中的标号：
11：光纤，12：端面；12-1：端帽曲面；13：光纤，14：端面；15：光纤，16：端面；17：环形器芯；18：基板；19：散热装置；100：偏振分光棱镜，101：法拉第旋转器；102：波片103：偏振分光棱镜(PBS)；104：环形器芯；20：光束位移器，25：光束位移器，30：光束位移器；21、23、26、28、31、33为波片；22、24、27、29、32、34为法拉第旋转器；35：环形器芯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
图1是本发明的基于曲面光纤端帽的光纤端帽结构图，如图1所述，包括光纤(11)和端帽(12)和端帽曲面(12-1)，端帽的曲面半径为R，端帽为圆柱形，端帽的输出端面镀减反膜，例如：减反膜为SiO2，镀膜波段需要与光纤环形器工作波长匹配。光纤与曲面端帽是通过一体熔接工艺进行连接，光纤与端帽共轴，保证光速进入后不发生偏移，提高光斑质量，从而提高耦合效率。
端帽的曲面的曲率半径R需要满足以下条件：
Figure BDA0001655341750000041
其中光纤内的激光束腰半径为w0、发散角为θ0，端帽的长度为L，端帽材料的折射率为n。
端帽的直径D大于目标扩束光斑直径
Figure BDA0001655341750000042
其中
Figure BDA0001655341750000043
其中，d为光纤的芯径，NA为光纤纤芯的数值孔径。
通过优化光纤端帽的结构以及相应的尺寸设计，提高耦合效率。
请参阅图2，以端帽长度L为15mm为例，曲率半径为4.7mm时损耗可忽略，随着曲面半径与4.7mm偏差的变大，损耗迅速增加，例如曲率半径为5mm时，损耗可达到5dB。因此，曲率半径的设计和选取对系统的损耗影响非常明显。本实施例中的光纤可根据实施的光路结构采用保偏光纤或非保偏光纤。
本实施例中的光纤端帽结构能够应用于本发明的任一实施例中。
实施例2
请参阅图3，光纤环形器包括光纤(11)和端帽(12)、光纤(13)和端帽(14)、光纤(15)和端帽(16)、环形器芯(17)、基板(18)、散热装置和热管理系统(图中未示出)。光纤(11)与端帽(12)相连，光纤(13)与端帽(14)相连，光纤(15)与端帽(16)相连，环形器芯(17)安装在基板(18)上，基板上安装有散热装置(19)和热管理系统。环形器芯至少包括偏振分光棱镜、双折射晶体、波片、旋转器、光束位移器中的一种或者它们之间的组合，其环形器芯(17)能够使进入其中的光束发生偏移或位移；光纤和端帽的制作方法和条件与实施例1相同，端帽的曲面用于光束的准直输出或耦合输入到光纤；
光束1通过进入光纤(11)后经端帽(12)的曲面变成的准直光束入射到环形器芯(17)，偏移后的准直光束经端帽(14)的曲面耦合到其光纤(13)的尾芯输出光束1；
光束2通过进入光纤(13)后经端帽(14)的曲面变成的准直光束入射到环形器芯(17)，偏移后的准直光束经端帽(16)的曲面耦合到其光纤(15)的尾芯输出光束2；
尽管本实施中的光纤环形器仅采用了3个光纤与端帽形成3个光环器端口，实际光纤环行器中，可以采用实际情况采用更多的端口，如4个，5个，10个等。
实施例3
本实施采用的光纤和端帽的制作方法和条件与实施例1相同。
参见图4，光纤环形器包括光纤(11)和端帽(12)，光纤(13)和端帽(14)，光纤(15)和端帽(16)、光环形器芯(104)、散热装置(图中未示出)，光环形器芯(104)包括偏振分光棱镜(100)、法拉第旋转器(101)、波片(102)、偏振分光棱镜(103)。
光束1进入光纤(11)通过端面(12)的曲面扩成准直光束后进入环形器芯后射入端帽(14)的曲面耦合到光纤(13)的尾芯输出，光束2进入光纤(13)通过端面(14)的曲面扩成准直光束后进入环形器芯发生偏移射入端面(16)的曲面，经过曲面耦合到光纤(15)的尾芯输出，具体的光路过程如下：
光束1进入光纤(11)通过端面(12)的曲面扩成准直光束后进入环形器芯后射入偏振分光棱镜(100)后偏振状态不发生变化，后经过法拉旋转器(101)偏振方向顺时针旋转45°，后进入波片(102)逆时针旋转45°，此时光束1的偏振状态不发生变化，之后进入偏振分光棱镜(103)后射入端帽(14)的曲面，经过曲面耦合到光纤(13)尾芯输出。光束2进入光纤(13)通过端面(14)的曲面扩成准直光束后进入环形器芯后射入偏振分光棱镜(103)，其偏振方向不发生变化，后经过进入波片(102)后偏振方向顺时针旋转45°，后经过法拉旋转器(101)顺时针旋转45°，此时光束2的偏振状态相对于入射时是偏振状态发生90°的偏转，之后进入偏振分光棱镜(100)后光束的传播方向发生的90°的偏移，后光束2射入端帽(16)的曲面，经过曲面耦合到光纤(15)尾芯输出。
本实施例的光纤环形器，相对透镜耦合的环形器，其结构简单，体积小，光斑质量高，损失小，耦合效率也得到了较大的提高。
实施例4
本实施采用的光纤和端帽的制作方法和条件与实施例1相同。
参见图5，光纤环形器包括光纤(11)和端帽(12)，光纤(13)和端帽(14)，光纤(15)和端帽(16)、光环形器芯(35)、散热装置(图中未示出)，光环形器芯(35)包括光束位移器(20)、波片(21)、法拉第旋转器(22)、波片(23)、法拉第旋转器(24)、光束位移器(25)、波片(26)、法拉第旋转器(27)、波片(28)、法拉第旋转器(29)、光束位移器(30)、波片(31)、法拉第旋转器(32)、波片(33)、法拉第旋转器(34)。
在光路上依次设有光束位移器(20)、光束位移器(25)、光束位移器(30)；
波片(21)置于法拉第旋转器(22)之前，波片(23)置于法拉第旋转器(24)之前，波片(31)置于法拉第旋转器(32)之前，波片(33)置于法拉第旋转器(34)之前；
波片(21)与法拉第旋转器(22)，波片(23)与法拉第旋转器(24)，波片(31)与法拉第旋转器(32)，波片(33)与法拉第旋转器(34)并行排列在光束位移器(20)与光束位移器(25)之间；
波片(26)置于法拉第旋转器(27)之前，波片(28)置于法拉第旋转器(29)之前；
波片(26)与法拉第旋转器(27)，波片(28)与法拉第旋转器(29)并行排列在光束位移器(25)与光束位移器(30)之间。
光束1进入光纤(11)通过端面(12)的曲面扩成准直光束后进入环形器芯(35)后发生偏移，后射入端帽(14)的曲面耦合到光纤(13)尾芯输出，光束2进入光纤(13)通过端面(14)的曲面扩成准直光束后进入环形器芯发生偏移射入端面(16)的曲面，经过曲面耦合到光纤(15)的尾芯输出，具体的光路过程如下：
光束1进入光纤(11)通过端面(12)的曲面扩成准直光束后进入环形器芯(35)，经过光束位位移器(20)分解为两束相互垂直偏振态分离的两束光1o和1e，其传播方向相同，即正常光1o和反长光1e，二者偏振方向相差90°。1e光经过波片(21)后偏振方向顺时针旋转45°，后经过法拉第旋转器(22)偏振方向再顺时针旋转45°，此时，1e光的偏振方向完成90°的偏转。1o光经过波片(23)后偏振方向逆时针旋转45°，后经过法拉第旋转器(24)偏振方向顺时针旋转45°，1e光的偏振方向不发生改变。此时，1e光和1o光的偏振方向的偏振方向相同，后1e光和1o光经过光束位移器(25)，偏振态不发生变化。1e光经过波片(26)后偏振方向逆时针旋转45°，后经过法拉第旋转器(27)偏振方向再顺时针旋转45°，此时1e光的偏振方向没有发生变化。1o光经过波片(28)后偏振方向顺时针旋转45°，后经过法拉第旋转器(29)偏振方向顺时针旋转45°，其偏振方向顺时针旋转了90°。此时，1e光和1o光的偏振方向相差90°，即偏振方向相互垂直。之后，1e光和1o光经过光束位移器(30)进行合束变成光束1后进入端帽(14)的曲面，经过曲面进行耦合到光纤(13)的尾芯输出。
光束2进入光纤(13)通过端面(14)的曲面扩成准直光束后进入环形器芯(35)，经过光束位移器(30)分解为两束偏振方向相互垂直的两束光2o和2e，其传播方向相同，即正常光2o和反长光2e，二者的偏振方向相差90°。2e光经过法拉第旋转器(29)偏振方向顺时针旋转45°，后光经过波片(28)后偏振方向逆时针旋转45°，即此时2e光的偏振方向不发生改变。2o光经过法拉第旋转器(27)先顺时针旋转45°，然后经过波片(28)顺时针旋转45°，即2o光的偏振方向顺时间旋转了90°。此时，2e和2o光的偏振方向相同。后2e和2o光经过光束位移器(25)，二者传播方向同时发生偏移。之后，2e光经过法拉第旋转器(34)，偏振方向先顺时针旋转45°，再经过波片(33)后，偏振方向再顺时针旋转45°，此时2e的偏振方向顺时针旋转90°。2o光经过法拉第旋转器(32)，偏振方向先顺时针旋转45°，再经过波片(31)后，偏振方向再逆时针旋转45°，即此时2o光的偏振方向不发生变化。在入射光束位移器(20)前，2o光和2e光的偏振方向相差90°，2o光和2e光经过光束位移器(20)进行合束成光束2，光束2经过端帽(16)的曲面耦合到光纤(15)的尾芯输出。
本实施中的散热装置在图中未示出，散热装置可以安装到基板的背面、正面以及其他适合的散热位置，光纤环形器还安装有辅助安装板的热管理系统，可实现环形器在高功率激光条件下工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，至少包括光纤和端帽、环形器芯和基板，所述光纤包括光纤一（11）、光纤二（13）和光纤三（15），所述端帽包括端帽一（12）、端帽二（14）和端帽三（16）；
所述光纤一（11）与所述端帽一（12）相连，所述光纤二（13）与所述端帽二（14）相连，所述光纤三（15）与所述端帽三（16）相连；
所述环形器芯安装在所述基板上；
所述环形器芯能够使进入其中的光束发生偏移或位移；
所述端帽的一端为平面，另一端为曲面，所述光纤与所述端帽的平面端进行相连接，连接方式为一体化熔接；
所述端帽的曲面用于光束的准直输出或耦合输入到所述光纤；
光束通过进入所述光纤一（11）后经所述端帽一（12）的曲面变成的准直光束入射到所述环形器芯，偏移后的准直光束经所述端帽二（14）的曲面耦合到其光纤二（13）的尾芯输出；
光束通过进入所述光纤二（13）后经所述端帽二（14）的曲面变成的准直光束入射到所述环形器芯，偏移后的准直光束经所述端帽三（16）的曲面耦合到其光纤三（15）的尾芯输出；
所述端帽的曲面的曲率半径R为：
Figure 558575DEST_PATH_IMAGE001
，
其中光纤内的激光束腰半径为
Figure 24192DEST_PATH_IMAGE002
、发散角为θ 0，端帽的长度为L，端帽材料的折射率为n。
2.根据权利要求1所述的一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，所述的环形器芯包括偏振相关型或偏振无关型。
3.根据权利要求2所述的一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，所述环形器芯至少包括偏振分光棱镜、双折射晶体、波片、旋转器、光束位移器中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，所述光纤的轴和端帽的母线共轴。
5.根据权利要求1所述的一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，所述的端帽的形状包括圆柱形或圆锥形。
6.根据权利要求1所述的一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，所述端帽的直径D大于目标扩束光斑直径φ，
其中φ=2L×tan(NA )+d，其中，L为端帽的长度，d为光纤的芯径，NA为光纤纤芯的数值孔径。
7.根据权利要求1所述的一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，所述端帽的输出端面镀减反膜，镀膜波段与光纤环形器工作波长匹配。
8.根据权利要求1所述的一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，所述基板上附有散热装置。
9.根据权利要求1所述的一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，所述环形器芯包括偏振分光棱镜一（100）、法拉第旋转器一（101）、波片一（102）、偏振分光棱镜二（103）；
在光路上依次设有所述偏振分光棱镜一（100）、所述法拉第旋转器一（101）、所述波片一（102）、所述偏振分光棱镜二（103）。
10.根据权利要求1所述的一种基于曲面光纤端帽的高功率光纤环形器，其特征在于，环形器芯包括光束位移器一（20）、波片二（21）、法拉第旋转器二（22）、波片三（23）、法拉第旋转器三（24）、光束位移器二（25）、波片四（26）、法拉第旋转器四（27）、波片五（28）、法拉第旋转器五（29）、光束位移器三（30）、波片六（31）、法拉第旋转器六（32）、波片七（33）、法拉第旋转器七（34）；
在光路上依次设有所述光束位移器一（20）、所述光束位移器二（25）、所述光束位移器三（30）；
所述波片二（21）置于所述法拉第旋转器二（22）之前，所述波片三（23）置于所述法拉第旋转器三（24）之前，所述波片六（31）置于所述法拉第旋转器六（32）之前，所述波片七（33）置于所述法拉第旋转器七（34）之前；
所述波片二（21）与所述法拉第旋转器二（22），所述波片三（23）与所述法拉第旋转器三（24），所述波片六（31）与所述法拉第旋转器六（32），所述波片七（33）与所述法拉第旋转器七（34）并行排列在所述光束位移器一（20）与所述光束位移器二（25）之间；
所述波片四（26）置于所述法拉第旋转器四（27）之前，所述波片五（28）置于所述法拉第旋转器五（29）之前；
所述波片四（26）与所述法拉第旋转器四（27），所述波片五（28）与所述法拉第旋转器五（29）并行排列在所述光束位移器二（25）与所述光束位移器三（30）之间。
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