CN108710223A - 一种全光纤磁光器件 - Google Patents

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郭曦
邢志坤
孙琪真
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    • G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
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Abstract

本发明公开了一种全光纤磁光器件，全光纤磁光器件为一根在两端刻有45°倾斜光纤光栅的高掺铽光纤，第一段45°倾斜光纤光栅作为线起偏器，第二段45°倾斜光纤光栅作为线检偏器，高掺铽光纤作为磁光材料。在两个45°倾斜光纤光栅之间的高掺铽光纤有效长度区施加与高掺铽光纤轴向平行的磁场，利用法拉第旋转效应，通过改变磁场大小控制在该全光纤磁光器件中传输的光的偏振方向，实现全光纤磁光隔离器和全光纤磁光开关的功能。全光纤磁光器件为一根在两端刻有45°倾斜光纤光栅的高掺铽光纤，结构简单紧凑，便于与其他光电器件集成，且由于采用一体化结构，具有插入损耗小、机械强度高、热稳定性好、支持高功率、隔离度高等优点，更适合现代全光纤系统。

Description

一种全光纤磁光器件
技术领域
本发明涉及集成光电子技术领域，具体涉及一种全光纤磁光器件。
背景技术
磁光器件，指利用外加磁场的调制方式且基于磁致旋光效应工作的光学器件。磁致旋光效应，又称法拉第效应，即具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，且旋光角取决于磁感应强度和磁光晶体的维尔德系数，旋转方向仅与磁场方向相关。磁光器件主要有磁光隔离器、磁光开关、磁光调制器及光纤电流传感器等，随着光纤通信和光纤传感技术的迅猛发展，磁光器件将具有更加广泛的应用前景，例如磁光隔离器可以消除光学系统中有害的反射光，提高光波传输效率，广泛应用于多级激光放大器、光参量振荡器等激光系统中；磁光开关，可通过控制磁场来实现光路的切换，相较于其它光开关具有速度快、耗能小、稳定性好、可集成的优势。
目前，较为成熟的磁光器件多以体型器件为主，采用磁光晶体作为核心部件，但其体积较大，制作复杂，稳定性差，难以集成，且插入损耗大，不支持高功率，难以适应现代全光纤系统。另外，磁光晶体的维尔德系数有限，实现一定的旋光角通常需要外加强磁场，限制了其在磁光器件中的应用。因而一种一体化、可集成、低损耗、高功率的全光纤磁光器件就显得非常必要。
发明内容
针对现有的磁光器件由于采用磁光晶体作为核心部件，导致磁光器件存在集成困难、损耗大、功率低的问题，本发明提供一种全光纤磁光器件，这种新型的磁光器件具有一体化结构，易于制作，轻便小巧，便于与其他光电器件集成，且插入损耗低，支持高功率，能更好地应用于现代全光纤系统。
为实现上述目的，本发明提供一种全光纤磁光器件，全光纤磁光器件为一根在两端刻有45°倾斜光纤光栅的高掺铽光纤，第一段45°倾斜光纤光栅作为线起偏器，第二段45°倾斜光纤光栅作为线检偏器，两个45°倾斜光纤光栅之间的高掺铽光纤有效长度区作为磁光材料，在高掺铽光纤有效长度区施加与高掺铽光纤轴向平行的磁场，利用法拉第旋转效应，通过改变磁场大小控制在该全光纤磁光器件中传输激光的偏振方向，从而实现对通入全光纤磁光器件的激光的控制。
优选地，通过设置高掺铽光纤有效长度区长度、高掺铽光纤掺杂浓度、高掺铽光纤的工作波长、施加磁场的磁场强度及两个45°倾斜光纤光栅光轴夹角，实现对通入全光纤磁光器件激光的控制。
优选地，全光纤磁光器件还包括套设于高掺铽光纤有效长度区的永磁体，用于提供与高掺铽光纤轴向平行的磁场，所提供磁场方向为由第一段45°倾斜光纤光栅至第二段45°倾斜光纤光栅方向；且两个45°倾斜光纤光栅光轴夹角为45°；使得激光仅能从第一段45°倾斜光纤光栅至第二段45°倾斜光纤光栅方向通过全光纤磁光器件，反向则截止；使得所述全光纤磁光器件用作全光纤磁光隔离器。
优选地，全光纤磁光器件还包括套设于高掺铽光纤有效长度区的通电线圈，通电线圈轴线同高掺铽光纤轴向平行，所提供磁场方向为由第一段45°倾斜光纤光栅至第二段45°倾斜光纤光栅方向；
通过改变通电线圈电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅至第二段45°倾斜光纤光栅方向上旋光角为两个45°倾斜光纤光栅光轴夹角θo，由第二段45°倾斜光纤光栅至第一段45°倾斜光纤光栅方向上旋光角为使得激光仅能从第一段45°倾斜光纤光栅至第二段45°倾斜光纤光栅方向通过全光纤磁光器件，反向则截止；使得所述全光纤磁光器件用作全光纤磁光隔离器。
优选地，根据公式θ＝V(λ)B(I)L调整通电线圈电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅至第二段45°倾斜光纤光栅方向上旋光角为两个45°倾斜光纤光栅光轴夹角θo，由第二段45°倾斜光纤光栅至第一段45°倾斜光纤光栅方向上旋光角为实现所述全光纤磁光器件用作中心波长可调谐的全光纤磁光隔离器。
优选地，全光纤磁光器件还包括套设于高掺铽光纤有效长度区的通电线圈，通电线圈轴线同高掺铽光纤轴向平行，所提供磁场方向为由第一段45°倾斜光纤光栅至第二段45°倾斜光纤光栅方向；
让通电线圈通入导通电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅至第二段45°倾斜光纤光栅方向上旋光角为两个45°倾斜光纤光栅光轴夹角θo，激光允许从全光纤磁光器件通过；让通电线圈通入截止电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅至第二段45°倾斜光纤光栅方向上旋光角为或者激光无法从全光纤磁光器件通过。
优选地，两个45°倾斜光纤光栅光轴平行，导通电流为零。
优选地，两个45°倾斜光纤光栅光轴为90°，截止电流为零。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的全光纤磁光器件为一根在两端刻有45°倾斜光纤光栅的高掺铽光纤，其结构简单紧凑，便于与其他光电器件集成，且由于采用一体化结构，具有插入损耗小、机械强度高、热稳定性好、支持高功率、隔离度高的优点，更适合现代全光纤系统，在光纤激光器、光纤通信、光纤传感等领域应用广泛。
2、本发明提供的全光纤磁光器件，其原材料来源丰富，制作简单，可大规模批量生产，适用于工业化。
3、本发明提供的全光纤磁光器件，通过设置有效长度区长度、高掺铽光纤的掺杂浓度、高掺铽光纤的工作波长、施加磁场的磁场强度及两个45°倾斜光纤光栅光轴夹角，可以实现激光隔离器和激光开关功能。
附图说明
图1为本发明所述全光纤磁光器件的基本结构示意图；
图2为本发明所述基于永磁体的全光纤磁光隔离器的结构示意图；
图3为本发明所述基于永磁体的全光纤磁光隔离器正向通光示意图；
图4为本发明所述基于永磁体的全光纤磁光隔离器反向通光示意图；
图5为本发明所述基于通电线圈的全光纤磁光隔离器的结构示意图；
图6为本发明所述基于通电线圈的全光纤磁光开关的结构示意图；
图7为本发明所述基于通电线圈的全光纤磁光开关的结构示意图；
附图中的标记为：1—光纤包层，2—光纤纤芯，3—第一段45°倾斜光纤光栅，4—高掺铽光纤有效长度区，5—第二段45°倾斜光纤光栅，6—永磁体套管，7—通电线圈。
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供的全光纤磁光器件为一根在两端均刻有45°倾斜光纤光栅3、5的高掺铽光纤。其中，45°倾斜光纤光栅是指光栅条纹跟光纤横截面之间的夹角为45°。高掺铽光纤是指铽含量高于56wt.％。两个45°倾斜光纤光栅之间的有效长度区4作为磁光材料，有较高的维尔德系数，具体由掺杂浓度和工作波长决定。第一段45°倾斜光纤光栅3和第二段45°倾斜光纤光栅5均由紫外光刻写于高掺铽光纤的纤芯2中，采用相位掩模技术进行刻写，其光栅平面与光纤纤轴成45°夹角。
由布鲁斯特定律可知，p波(TM模)通过45°倾斜光纤光栅区域继续以低损耗在芯层中传输，而s波(TE模)从45°倾斜光纤光栅区域侧面辐射，故45°倾斜光纤光栅在此作为理想的线性偏振器件，有较高的偏振消光比，具体由光栅长度决定。
本发明提供的全光纤磁光器件中，第一段45°倾斜光纤光栅3作为线起偏器，第二段45°倾斜光纤光栅5作为线检偏器。两个45°倾斜光纤光栅之间的有效长度区4作为磁光材料。
当光由靠近第一段45°倾斜光纤光栅3的端部入射后，有效长度区4在磁场作用下使激光的偏振方向发生旋转，若发生旋转后的激光偏振方向同第二段45°倾斜光纤光栅5的偏振方向相同或者相差小于90°的角度，则激光能够通过第二段45°倾斜光纤光栅5，实现对从第一段45°倾斜光纤光栅3至第二段45°倾斜光纤光栅5方向激光的控制。同理，可以实现第二段45°倾斜光纤光栅5至第一段45°倾斜光纤光栅3激光控制。
外加磁场的技术方案有两种，一种是外加永磁体，一种是外加通电线圈。下面分别进行描述：
如图2所示，首先定义光的传输方向从左至右为正向，从右至左为反向。本发明提供全光纤磁光隔离器包括上述图1中全光纤磁光器件和永磁体构成。永磁体置于两段45°倾斜光纤光栅3和5之间的有效长度区4外部的套管内，用于提供磁场，且磁场方向平行于光纤轴向且为正向。两段45°倾斜光纤光栅3和5的通光轴成45°角，通过有效长度区4的线偏光的旋光角满足以下关系：
θ＝VBL
其中，θ为旋光角，V为有效长度区4的维尔德系数，B为永磁体产生的磁场作用在有效长度区4的纤轴上沿正向的磁感应强度，L为有效长度区4的长度。
则全光纤磁光隔离器的透过率，由传输矩阵法可得：
简化后为：
通过设计掺铽的质量分数和高掺铽光纤的长度，选取合适的永磁体，可使得旋光角为45°角，高掺铽光纤透过率为100％，全光纤磁光隔离器正向导通，旋光角为-45°角，高掺铽光纤透过率为0％，全光纤磁光隔离器反向隔离。
如图3所示，本发明提供的全光纤磁光隔离器的正向导通光路为：当光通过45°倾斜光纤光栅3后，成为沿竖直方向偏振的线偏振光，再通过高掺铽光纤有效长度区4，当磁场方向平行于光纤轴向且为正向时，偏振方向右旋45°角，与45°倾斜光纤光栅5的透光方向一致，全光纤磁光隔离器正向导通。
如图4所示，本发明提供的全光纤磁光隔离器的反向隔离光路为：当光通过所述45°倾斜光纤光栅5后，成为沿右斜方向45°偏振的线偏振光，再通过高掺铽光纤有效长度区4，当磁场方向平行于光纤轴向且为正向时，偏振方向右旋45°角，与45°倾斜光纤光栅3的透光方向垂直，所述全光纤磁光隔离器反向隔离。
本发明提供全光纤磁光隔离器，包括上述图1中全光纤磁光器件和通电线圈7。通电线圈7套设于全光纤磁光器中有效长度区4外部，且通电线圈7高掺铽光纤光轴相同，通过改变通电线圈电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅3至第二段45°倾斜光纤光栅5方向上旋光角为两个45°倾斜光纤光栅光轴夹角θo，使得经过有效长度区4的激光偏振方向同第二段45°倾斜光纤光栅5偏振方向相同，激光可以从第一段45°倾斜光纤光栅3至第二段45°倾斜光纤光栅5方向通过。
由第二段45°倾斜光纤光栅5至第一段45°倾斜光纤光栅3方向上旋光角为使得经过有效长度区4的激光偏振方向同第一段45°倾斜光纤光栅3偏振方向垂直，激光无法从第二段45°倾斜光纤光栅5至第一段45°倾斜光纤光栅3方向通过。该全光纤磁光器件起到隔离器作用。
如图5所示，本发明提供全光纤磁光隔离器，包括上述图1中全光纤磁光器件和通电线圈7。所述通电线圈7缠绕于两段45°倾斜光纤光栅3和5之间的有效长度区4外部，两段45°倾斜光纤光栅3和5的通光轴成45°角。通电线圈7中传导的电流与产生的磁场满足安培定则：
B＝μnI
其中，B为磁感应强度，μ为真空中的磁导率，n为线圈匝数，I为电流强度。磁场方向可由右手定则判断。
若所述通电线圈7中的电流方向为左进右出，则磁场方向平行于光纤轴向且为正向，旋光角θ满足：
θ＝V(λ)B(I)L
通过改变所述通电线圈中的电流大小来控制磁场大小，进而可实现一种中心波长λ可调谐的全光纤磁光隔离器。
本发明提供全光纤磁光开关，包括上述图1中全光纤磁光器件和套设于有效长度区4的通电线圈7，通电线圈轴线同高掺铽光纤轴向平行，所提供磁场方向为由第一段45°倾斜光纤光栅3至第二段45°倾斜光纤光栅5方向；
让通电线圈通入导通电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅3至第二段45°倾斜光纤光栅5方向上旋光角为两个45°倾斜光纤光栅光轴夹角θo，使得经过有效长度区4的激光偏振方向同第二段45°倾斜光纤光栅5偏振方向相同，激光可以从第一段45°倾斜光纤光栅3至第二段45°倾斜光纤光栅5方向通过。
让通电线圈通入截止电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅3至第二段45°倾斜光纤光栅5方向上旋光角为或者使得经过有效长度区4的激光偏振方向同第二段45°倾斜光纤光栅5偏振方向相差90°，激光无法从第一段45°倾斜光纤光栅3至第二段45°倾斜光纤光栅5方向通过。
如图6所示，本发明提供全光纤磁光开关，包括上述图1中全光纤磁光器件和通电线圈7。通电线圈7缠绕于两段45°倾斜光纤光栅3和5之间的有效长度区4外部。当两段45°倾斜光纤光栅的通光轴平行时，若通电线圈中无传导电流，则所述全光纤磁光开关导通，若通电线圈中有传导电流，则所述全光纤磁光开关的透过率为
简化后为：
通过设计通电线圈的匝数n、其中传导的电流I、有效长度L可得，旋转角度为90°时，全光纤磁光开关关断。
如图7所示，一种全光纤磁光开关，当所述两段45°倾斜光纤光栅的通光轴垂直时，若通电线圈中无传导电流，则所述全光纤磁光开关关断，若通电线圈中有传导电流，则所述全光纤磁光开关的透过率为：
简化后为：
通过设计通电线圈的匝数、其中传导的电流、所述基本结构的掺铽光纤有效长度可得，旋转角度为90°时，所述全光纤磁光开关导通。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全光纤磁光器件，其特征在于，全光纤磁光器件为一根在两端刻有45°倾斜光纤光栅(3、5)的高掺铽光纤(2)，第一段45°倾斜光纤光栅(3)作为线起偏器，第二段45°倾斜光纤光栅(5)作为线检偏器，两个45°倾斜光纤光栅(3、5)之间的高掺铽光纤有效长度区(4)作为磁光材料，在高掺铽光纤有效长度区(4)施加与高掺铽光纤轴向平行的磁场，利用法拉第旋转效应，通过改变磁场大小控制在该全光纤磁光器件中传输激光的偏振方向，从而实现对通入全光纤磁光器件的激光的控制。
2.如权利要求1所述的全光纤磁光器件，其特征在于，通过设置高掺铽光纤有效长度区(4)长度、高掺铽光纤(2)掺杂浓度、高掺铽光纤(2)的工作波长、施加磁场的磁场强度及两个45°倾斜光纤光栅(3、5)光轴夹角，实现对通入全光纤磁光器件激光的控制。
3.如权利要求1或2所述的全光纤磁光器件，其特征在于，全光纤磁光器件还包括套设于高掺铽光纤有效长度区(4)的永磁体，用于提供与高掺铽光纤轴向平行的磁场，所提供磁场方向为由第一段45°倾斜光纤光栅(3)至第二段45°倾斜光纤光栅(5)方向；且两个45°倾斜光纤光栅(3、5)光轴夹角为45°；使得激光仅能从第一段45°倾斜光纤光栅(3)至第二段45°倾斜光纤光栅(5)方向通过全光纤磁光器件，反向则截止；使得所述全光纤磁光器件用作全光纤磁光隔离器。
4.如权利要求1或2所述的全光纤磁光器件，其特征在于，全光纤磁光器件还包括套设于高掺铽光纤有效长度区(4)的通电线圈，通电线圈轴线同高掺铽光纤轴向平行，所提供磁场方向为由第一段45°倾斜光纤光栅(3)至第二段45°倾斜光纤光栅(5)方向；
通过改变通电线圈电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅(3)至第二段45°倾斜光纤光栅(5)方向上旋光角为两个45°倾斜光纤光栅(3、5)光轴夹角θo，由第二段45°倾斜光纤光栅(5)至第一段45°倾斜光纤光栅(3)方向上旋光角为使得激光仅能从第一段45°倾斜光纤光栅(3)至第二段45°倾斜光纤光栅(5)方向通过全光纤磁光器件，反向则截止；使得所述全光纤磁光器件用作全光纤磁光隔离器。
5.如权利要求4所述的全光纤磁光器件，其特征在于，根据公式θ＝V(λ)B(I)L调整通电线圈电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅(3)至第二段45°倾斜光纤光栅(5)方向上旋光角为两个45°倾斜光纤光栅(3、5)光轴夹角θo，由第二段45°倾斜光纤光栅(5)至第一段45°倾斜光纤光栅(3)方向上旋光角为实现所述全光纤磁光器件用作中心波长可调谐的全光纤磁光隔离器。
6.如权利要求1或2所述的全光纤磁光器件，其特征在于，全光纤磁光器件还包括套设于高掺铽光纤有效长度区(4)的通电线圈，通电线圈轴线同高掺铽光纤轴向平行，所提供磁场方向为由第一段45°倾斜光纤光栅(3)至第二段45°倾斜光纤光栅(5)方向；
让通电线圈通入导通电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅(3)至第二段45°倾斜光纤光栅(5)方向上旋光角为两个45°倾斜光纤光栅(3、5)光轴夹角θo，激光允许从全光纤磁光器件通过；让通电线圈通入截止电流，使得由第一段45°倾斜光纤光栅(3)至第二段45°倾斜光纤光栅(5)方向上旋光角为或者激光无法从全光纤磁光器件通过。
7.如权利要求6所述的全光纤磁光器件，其特征在于，两个45°倾斜光纤光栅(3、5)光轴平行，导通电流为零。
8.如权利要求6所述的全光纤磁光器件，其特征在于，两个45°倾斜光纤光栅(3、5)光轴为90°，截止电流为零。
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