CN109283696A - 一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件 - Google Patents

一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，包括光纤、倾斜光纤光栅(3)以及输出耦合系统，其中：光纤由光纤纤芯(1)和光纤包层(2)组成，构成导光的器件；倾斜光纤光栅(3)的光栅平面与光纤纤轴成45°夹角；输出耦合系统采用外耦合模式和内耦合模式。本发明采用的原材料普遍，价格便宜，加工容易，制造简单，生产成本低，便于大规模生产；因充分利用光纤灵活可弯曲的特点，故方便了器件的使用；因采用了45°倾斜光纤光栅，故可以有效地将一束光中的P波和S波进行分离，同时充分利用该器件全光纤的特点，大大方便了所述偏振分束器在光纤系统中的集成应用及其他场景中的柔性应用。

Description

一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件
技术领域
本发明涉及光纤光学技术领域，具体是一种基于45°倾斜光纤光栅的半双工偏振分束器件。
背景技术
偏振分束器件作为传统光学元件产生单一偏振光，已广泛应用于光学、激光等领域。常规的偏振分束棱镜只产生单一偏振方向光，或两个线偏振光束有一定夹角的光束。而产生两偏振相互垂直的光束，同时传播方向相互平行的器件，通常是采用Walk-off晶体。目前存在的最大折射率差值的双折射晶体，如钒酸钇和金红石，walk-off角约6°，当晶体为10mm长时，o光和e光分离仅1mm。
偏振光分束器能实现电磁波两种相互正交偏振模式的分离并沿不同方向传播，在光通信、光存储和集成光路中发挥中重要作用。随着光纤、薄膜、蚀刻等技术的迅速发展和广泛应用，基于微光学原理的偏振分束方法得到了很好的发展。目前在偏振分束方面常用的微光学手段有Y分支、多层膜结构、缺陷法、晶体结构法、定向耦合等。这些方法都各自有自身的优点，但同时也存在不足和限制：基于光子晶体的定向耦合实现的偏振分束器传输损耗小，但是分束角小，须在输出端引入弯曲波导，加大了器件尺寸；基于晶体结构的偏振分束器结构紧凑，可以实现器件的高层次集成，然而它的设计是复杂而耗时的，制造是比较困难和高成本的，而且其偏振分束性能依赖于结构参数和操作波长；基于多模干涉结构的偏振分束器结构简单，但是总是很长不利于集成化。
总之，上述各种分束系统或多或少都存在着加工困难、结构复杂、集成度不高的缺陷。
一般情况下，自然光在两种各向同性介质的界面上反射和折射时，反射光和折射光均为部分偏振光，只有当入射角为某特定角度时，反射光才是线偏振光，振动方向垂直于入射面，而折射光仍然为部分偏振光，且此时反射光与折射光互相垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用θb表示，此规律称为布儒斯特定律，原理图见图1。
由折射定律和几何关系布儒斯特角可由下式计算得：
θb＝arctan(n2/n1)
在45度倾斜光纤光栅(45°-TFG)中，布儒斯特角的计算公式可表示如下：
其中，ncore为光纤芯层的初始折射率，Δn为紫外光刻写光栅时引入的折射率增量，通常为10-4量级，远小于光纤芯层的初始折射率，所以可得光栅的布儒斯特角或起偏角为45°，正是倾斜光栅条纹的倾角。
45°倾斜光纤光栅(45°-TFG)的偏振原理见图2，当自然光进入45°-TFG，入射角为光栅的布儒斯特角45°，所以S偏振光在每个倾斜条纹界面上均要发生反射，耦合进包层成为辐射模，从光纤侧面辐射出去，而芯层模式中的P偏振光则完全不能反射，继续向前传输，通过45°TFG倾斜条纹多次折反射后，包层辐射模只有S偏振光，芯层导模基本上只有P偏振光，故45°TFG可以作为一种理想的偏振分束器件，实现TE、TM高效大角度分离。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现在偏振分束器结构复杂、加工困难的问题，提供一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器设计方法，这种偏振分束器具有结构简单，TE、TM可以实现高效大角度分离，结构简单，工作带宽大，易于加工制造等优点，同时还可以以半双工模式进行工作。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，包括光纤、倾斜光纤光栅3以及输出耦合系统，其中：光纤由光纤纤芯和光纤包层组成，构成导光的器件；倾斜光纤光栅的光栅平面与光纤纤轴成45°夹角；输出耦合系统采用外耦合模式和内耦合模式。
所述的外耦合模式采用基于刻写在单芯光纤上的45°倾斜光纤光栅结构，内耦合模式采用基于刻写在双芯光纤上的45°倾斜光纤光栅结构。
所述的外耦合模式中，45°倾斜光纤光栅刻写在单芯光纤上，前向侧面输出系统和后向侧面输出系统均由圆柱聚焦透镜、柱面聚焦透镜及保偏光纤跳线组成。
所述的内耦合模式中，在双芯光纤中刻有两个45°倾斜光纤光栅，而且在光纤制备的过程中拉制了特定尺寸、特定折射率的圆柱聚焦透镜，保证了两个45°倾斜光纤光栅在前向侧面输出系统和后向侧面输出系统中互为耦合输出器。
所述的圆柱聚焦透镜对垂直于光纤纤轴高斯发散的光进行聚焦。
所述的柱面聚焦透镜对沿着光纤纤轴平行出射的光进行聚焦。
所述的光在保偏光纤跳线传输过程中偏振态保持不变，保证侧面输出的光能够保偏输出。
由倾斜光纤光栅构成倾斜光栅区，其是对光纤纤芯进行折射率调制的结果，同时光栅平面于光纤纤轴成一定的夹角。
所述的倾斜光栅区对前向输入光和后向输入光的侧面输出方向相反。
所述的45°倾斜光纤光栅能够有效地将一束光中的P波和S波进行分离，同时充分利用该器件全光纤的特点，大大方便了所述偏振分束器在光纤系统中的集成应用及其他场景中的柔性应用。
本发明与现有技术相比具有以下技术优点：
1.现有的偏振分束器件主要是基于体材料或集成光学材料，体积大，成本高，制作工艺复杂；本发明所述偏振分束器件原材料普遍，价格便宜，设计加工容易，制造简单，生产成本低，便于大规模生产，便于满足现代系统高集成、小型化的需求。
2.现有的偏振分束器件偏振分束角小，制造之后不可改变，极大地限制了偏振分束器的应用，使后续光路变得复杂；本发明所述偏振分束器件充分利用光纤灵活可弯曲的特点，极大地方便了器件的使用。
3.现有的偏振分束器件所实现的偏振分束比完全由制作器件的材料本身的性质决定，控制难度高，对材料本身的制作要求高，成本昂贵；本发明所述的偏振分束器件所实现的偏振分束比完全由45°倾斜光纤光栅的偏振相关损耗(PDL)决定，在45°倾斜光纤光栅的制作过程中任意可控，制作简单，成本低廉。
4.现有的偏振分束器件的输出都是基于空间光耦合，对系统的运行及维护的要求高，成本昂贵，且不便于系统的移动。本发明所述的偏振分束器件中的内耦合模式输出避开了传统的空间光耦合，耦合输出稳定，便于系统的运行维护及在各种复杂环境中的使用。
5.采用的45°倾斜光纤光栅是一种良好的偏振器件，可以有效地将一束光中的P波和S波进行分离，同时充分利用该器件全光纤的特点，大大方便了所述偏振分束器在光纤系统中的集成应用及其他场景中的柔性应用。
附图说明
图1是布儒斯特定律原理示意图。
图2是45°倾斜光纤光栅(45°-TFG)的偏振原理。
图3是外耦合模式示意图。
图4是内耦合模式示意图。
图5为本发明所述外耦合模式的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件的示意图。
图6为本发明所述内耦合模式的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件的示意图。
图中：1.光纤芯层，2.光纤包层，3.倾斜光纤光栅，4.光束，5.P波，6.S波，7.柱面聚焦透镜，8.圆柱聚焦透镜，9.保偏光纤跳线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但不限定本发明。
本发明提供的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，包括构成导光的光纤、倾斜光纤光栅3以及输出耦合系统，其中：光纤由光纤纤芯1和光纤包层2组成；倾斜光纤光栅3的光栅平面与光纤纤轴成45°夹角，从而打破了光纤固有的圆对称性。同时，从45°倾斜光纤光栅前向和后向输入的光从侧面输出时，输出方向均垂直纤轴，但输出方向相反，保证了偏振分束器件半双工模式工作的可能。输出耦合系统有两种实现方案，一种是基于刻写在单芯光纤上的45°倾斜光纤光栅结构的外耦合模式，一种是基于刻写在双芯光纤上的45°倾斜光纤光栅结构的内耦合模式。
所述的导光的光纤具有由光纤纤芯1和光纤包层2构成的芯包结构，有利于光在保偏光纤中稳定传输。
所述的倾斜光栅区3是对光纤纤芯进行折射率调制的结果，同时光栅平面于光纤纤轴成一定的夹角。该倾斜光栅区对前向输入光和后向输入光的侧面输出方向相反，使得所述偏振分束器件可以实现半双工模式工作。
所述基于45°倾斜光纤光栅3的光偏振分束器件，利用的是45°倾斜光纤光栅3的偏振分光效应，45°倾斜光纤光栅3将入射光根据偏振特性进行分离，P波5(TM模)通过45°倾斜光纤光栅区域透射，S波6(TE模)从45°倾斜光纤光栅区域侧面衍射。
对于透射的P波5，在45°倾斜光纤光栅的尾纤中输出，同时，侧面衍射的S波6，沿着光纤方向平行出光，垂直光纤方向呈高斯发散。
所述的输出耦合系统可以使用外耦合模式和内耦合模式。
对于外耦合模式，如图3，可以用圆柱聚焦透镜8对垂直光纤方向的高斯发散进行汇聚，用柱面聚焦透镜7对沿着光纤方向的平行光进行汇聚，最终利用保偏光纤的数值孔径匹配条件，将S波通过保偏光纤进行输出。
对于内耦合模式，如图4，在双芯光纤制备的过程中，可以在双芯之间拉制特定尺寸、特定折射率的圆柱体作圆柱透镜使用，在透镜两侧的双芯上刻写两个45°倾斜光纤光栅A和B。当光从b处入射时，经过45°倾斜光纤光栅A，P波由d处输出，S波从侧面衍射，由于两纤芯距离很近，只需用圆柱透镜将高斯发散的光聚焦后耦合进45°倾斜光纤光栅B中，由c处输出。同理，反向由c处入射时，P波由a处输出，S波由b处输出。
由其中f表示凸透镜焦距，n表示凸透镜折射率，r1，r2表示凸透镜两个凸面的曲率半径，对于圆柱透镜而言，r1＝-r2＝r，r表示圆柱透镜半径，所以，是圆柱透镜焦距，由此可以设计双芯光纤中双芯与中间圆柱透镜的位置关系。
由上可知，45°倾斜光纤光栅的双向传输侧面输出方向相反的特性，可以实现偏振分束器件的半双工模式工作。
圆柱聚焦透镜8可以对垂直于光纤纤轴高斯发散的光进行聚焦。
柱面聚焦透镜7可以对沿着光纤纤轴平行出射的光进行聚焦。
光在保偏光纤跳线9中传输过程中偏振态保持不变，保证侧面输出的光能够保偏输出。
本发明提供的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其工作过程如下：
对于所述的外耦合模式，如图5所示，45°倾斜光纤光栅3刻写在单芯光纤上，前向侧面输出系统和后向侧面输出系统均由圆柱聚焦透镜8、柱面聚焦透镜7及保偏光纤跳线9组成。45°倾斜光纤光栅3的光栅平面与纤轴成45°夹角。前向传输的光，由于全反射在光纤纤芯中向前传输，经过45°倾斜光纤光栅3时，由于45°倾斜光纤光栅3的偏振分光效应，光纤传输的光分为S波6(TE模)和P波5(TM模)，P波5透过光栅区域，在保偏光纤芯层中保持偏振态输出，S波6经45°倾斜光栅衍射，从上侧输出，输出的光在垂直于光纤方向上呈高斯分布，由圆柱透镜8进行聚焦，在沿着光纤方向上平行出射，由柱面透镜7进行聚焦，最终耦合进保偏光纤跳线9中保持偏振态输出。同理，后向传输的光，P波6透过光栅区域，在保偏光纤芯层中保持偏振态输出，S波5从下侧输出，经过聚焦耦合后由保偏光纤跳线输出6。
对于所述的内耦合模式，如图6所示，在双芯光纤中刻有两个45°倾斜光纤光栅3，而且在光纤制备的过程中拉制了特定尺寸、特定折射率的圆柱聚焦透镜8，保证了两个45°倾斜光纤光栅3在前向侧面输出系统和后向侧面输出系统中互为耦合输出器。两个45°倾斜光纤光栅3的光栅平面与各自纤芯成45°夹角。前向传输的光由b处入射，由于全反射在纤芯中向前传输，经过45°倾斜光纤光栅3时，由于45°倾斜光纤光栅3的偏振分光效应，光纤传输的光分为S波6(TE模)和P波5(TM模)，P波6透过光栅区域，由d处输出，S波5经45°倾斜光栅3衍射，从上侧输出，输出的光在垂直于光纤方向上呈高斯分布，由圆柱透镜8进行聚焦，最终耦合进第二个45°倾斜光纤光栅3中，由c处输出。同理，后向传输的光由c处入射，P波6由a处输出，S波5由b输出。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征是包括光纤、倾斜光纤光栅(3)以及输出耦合系统，其中：光纤由光纤纤芯(1)和光纤包层(2)组成，构成导光的器件；倾斜光纤光栅(3)的光栅平面与光纤纤轴成45°夹角；输出耦合系统采用外耦合模式和内耦合模式。
2.根据权利要求1所述的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征在于：外耦合模式采用基于刻写在单芯光纤上的45°倾斜光纤光栅结构，内耦合模式采用基于刻写在双芯光纤上的45°倾斜光纤光栅结构。
3.根据权利要求2所述的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征在于：外耦合模式中，45°倾斜光纤光栅刻写在单芯光纤上，前向侧面输出系统和后向侧面输出系统均由圆柱聚焦透镜、柱面聚焦透镜及保偏光纤跳线组成。
4.根据权利要求2所述的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征在于：内耦合模式中，在双芯光纤中刻有两个45°倾斜光纤光栅，而且在光纤制备的过程中拉制了特定尺寸、特定折射率的圆柱聚焦透镜，保证了两个45°倾斜光纤光栅在前向侧面输出系统和后向侧面输出系统中互为耦合输出器。
5.根据权利要求3或4所述的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征在于：圆柱聚焦透镜对垂直于光纤纤轴高斯发散的光进行聚焦。
6.根据权利要求3所述的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征在于：柱面聚焦透镜对沿着光纤纤轴平行出射的光进行聚焦。
7.根据权利要求1所述的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征在于：光在保偏光纤跳线(9)中传输过程中偏振态保持不变，保证侧面输出的光能够保偏输出。
8.根据权利要求1所述的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征在于：由倾斜光纤光栅(3)构成倾斜光栅区，其是对光纤纤芯进行折射率调制的结果，同时光栅平面与光纤纤轴成一定的夹角。
9.根据权利要求8所述的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征在于：倾斜光栅区对前向输入光和后向输入光的侧面输出方向相反。
10.根据权利要求1所述的基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，其特征在于：45°倾斜光纤光栅能够有效地将一束光中的P波和S波进行分离。
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