CN111045144B - 一种倾斜光纤光栅梳状起偏器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种倾斜光纤光栅梳状起偏器,包括宽带光源、光环形器、倾斜光纤光栅起偏元件及两个光谱仪,其中,倾斜光纤光栅起偏元件由反射光耦合元件和包层表面涂覆有纳米材料的倾斜光纤光栅构成,反射光耦合元件包括多模光纤、细芯光纤或无芯光纤;利用TE和TM偏振光对纳米材料的强偏振依赖特性,倾斜光纤光栅起偏元件在谐振波长位置激发反向传输的窄带TE偏振泄漏模和前向传输的窄带TM偏振泄漏模,反向传输的TE偏振泄漏模经反射光耦合元件采集,从而产生高偏振消光比且传播方向相反的TE偏振光和TM偏振光。实施本发明,具有偏振消光比高、带宽窄、光谱响应范围宽,且结构简单,易于制作,与现有光学设备及光通信系统集成应用便捷等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域,尤其涉及一种倾斜光纤光栅梳状起偏器。
背景技术
起偏器是用于产生单一偏振光的重要光学元件,在激光、通信、光谱分析、光学测量等诸多领域具有重要应用。
传统的起偏器由双折射晶体棱镜构成,利用双折射晶体的折射率差产生单一偏振方向光或具有一定夹角的两个线偏振光(即TE偏振光和TM偏振光)。目前,具有最大折射率差值的双折射晶体为钒酸钇和金红石,可产生偏振方向互相垂直且传播方向互相平行的两个线偏振光束。但该器件体积较大、机械稳定性差、损耗大,且两束偏振光分离仅1mm左右。
与传统棱镜起偏器相比,光纤起偏器具有许多优点,如体积小、插入损耗小、稳定性好以及与光通信系统兼容等。广泛报道的光纤起偏器由侧抛磨光纤和涂覆在其表面的纳米材料构成,其偏振原理基于纳米材料对不同偏振光的偏振相关吸收效应。目前,报道了许多类型的纳米材料用于制作光纤起偏器,如金属、液晶、石墨烯、碳纳米管已经聚合物材料等。其中,最广泛报道的方案是利用金属膜激发光纤表面等离子体共振来产生线偏振光,但只有在满足相位匹配条件的情况下才能激发表面等离子体共振,即不能在宽波段内激发表面等离子体共振,从而限制该器件的广泛应用。相比之下,石墨烯具有更优异的可调控特性。通过在侧抛磨光纤表面涂覆石墨烯,可在通信波段实现偏振消光比达27dB的线偏振起偏器(Q.Bao,et al,Nat.Photonics,5(7):411-415,2011)。然而,目前并没有较完善的工艺在光纤表面涂覆均匀且牢固的若干层石墨烯薄膜。另一方面,侧抛磨光纤破坏了光纤结构的完整性,从而降低了偏振器件的机械强度及稳定性。
光纤光栅可以在不破坏光纤结构的情况下通过模式耦合效应调控光的传输,特别地,通过在光纤内写入具有一定倾角的光栅,即倾斜光纤光栅,可极大增强偏振相关模式耦合效应。当光栅倾角为45°时,即45°倾斜光纤光栅,可以将TE偏振光耦合至辐射模从而辐射至光纤外界环境中,相应的TM偏振光直接通过光栅区域并沿光纤传播,从而产生传播方向互相垂直的两束线偏振光,偏振消光比可达40dB(K.Zhou,et al,Opt.Lett.,30(11):1285-1287,2005)。但是,一方面,45°倾斜光纤光栅起偏器受到一些因素的限制,只有当光栅倾角为45°时才能实现线偏振模式耦合,从而产生高偏振消光比的线偏振光,且光谱带宽很宽,不能用于产生窄带线偏振光;另一方面,45°倾斜光纤光栅属于大倾角光纤光栅,制备45°倾斜光纤光栅需要高能量激光且制备工艺非常复杂,需要精确控制制备参数。
相比于传统光纤,微结构光纤或光子晶体光纤具有独特的微结构和光学特性,被视为有望替代传统光纤的下一代新型光纤。微结构光纤是一种横截面为二维周期空气孔结构的光子晶体,基于带隙效应将光限制在实心或空心纤芯内传播。空气孔的引入使得微结构光纤具有丰富的光学调控特性,为填充其他纳米材料提供了天然稳定的微通道,在微通道内极大增强了光与物质的相互作用,可用于制作性能优异的光流控光纤偏振器件(W.Qian,et al,Opt.Lett.,36:3296-3298,2011)。然而,由于微结构光纤空气孔尺寸非常微小,在空气孔内选择性填充纳米材料需要非常精密的制备工艺,且目前没有完善的微结构光纤熔接工艺及设备,导致插入损耗大,从而限制了微结构光纤起偏器的实际应用。
因此,亟需一种光纤起偏器,能够解决现有技术所存在的上述问题,具有偏振消光比高、带宽窄、光谱响应范围宽,且结构简单,易于制作,非常方便与现有光学设备及光通信系统集成应用等优点。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于,提供一种倾斜光纤光栅梳状起偏器,能够解决现有技术所存在的问题,具有偏振消光比高、带宽窄、光谱响应范围宽,且结构简单,易于制作,非常方便与现有光学设备及光通信系统集成应用等优点。
为了解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种倾斜光纤光栅梳状起偏器,包括宽带光源、光环形器、倾斜光纤光栅起偏元件以及两个光谱仪;其中,通过第一单模光纤将所述宽带光源与所述光环形器连接在一起,还通过第二单模光纤依序将所述光环形器、所述倾斜光纤光栅起偏元件及一光谱仪连接在一起,以及通过第三单模光纤将所述光环形器及另一光谱仪连接在一起;
所述宽带光源,用于产生非偏振光;
所述光环形器,用于转发所述宽带光源产生的非偏振光至所述倾斜光纤光栅起偏元件,以及转发所述倾斜光纤光栅起偏元件反射过来的窄带TE偏振光至相应的光谱仪中;
所述倾斜光纤光栅起偏元件包括依序连接的反射光耦合元件和倾斜光纤光栅;其中,所述倾斜光纤光栅起偏元件,用于将非偏振光经反射光耦合元件输出进入倾斜光纤光栅的纤芯内激发出同时包括TE偏振分量和TM偏振分量的纤芯导模后,倾斜光纤光栅的谐振波长位置的TE偏振纤芯导模会与反向传播的TE偏振态泄漏模发生强耦合形成窄带TE偏振光,反射回反射光耦合元件并传输至光环形器及对应直连的光谱仪中,同时倾斜光纤光栅的谐振波长位置的TM偏振纤芯导模仅能与反向传播TM偏振泄漏模发生弱耦合从而直接输出至倾斜光纤光栅相连的光谱仪中,从而产生高偏振消光比且传播方向相反的TE偏振光和TM偏振光;
所述两个光谱仪,分别用于对所述窄带TM偏振光及所述窄带TE偏振光之中相应一个的分析。
其中,所述倾斜光纤光栅的外表面包覆有一层纳米材料,且所述倾斜光纤光栅的光栅调制平面与光纤轴向的夹角小于45°,栅区长度大于10mm,光栅轴向周期大于100nm。
其中,所述纳米材料为氧化铟锡、二氧化钛、二氧化锡、三氧化二铟、氧化锌、氧化铝和聚合物材料之中一种。
其中,所述纳米材料通过磁控溅射法、溶胶凝胶法或层层自组装法中的一种方式均匀涂覆在所述倾斜光纤光栅的包层表面。
其中,所述倾斜光纤光栅采用紫外曝光技术刻写在石英单模光纤的纤芯区域的方式制作而成,或通过飞秒激光直写技术刻写在石英单模光纤的纤芯区域的方式制作而成。
其中,所述倾斜光纤光栅的谐振波长由相位匹配条件决定,所述相位匹配条件可表示为:
其中,所述反射光耦合元件为多模光纤、细芯光纤或无芯光纤。
实施本发明实施例,具有如下有益效果:
(1)本发明的倾斜光纤光栅梳状起偏器利用纳米材料激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振,并结合泄漏模谐振的强偏振依赖特性,可在宽波段内产生互相垂直且传播方向相反的极窄带宽TE偏振光和TM偏振光,实现两束线偏振光的高效分离,偏振消光比可达57dB,光谱线宽低于0.5nm;
(2)本发明的倾斜光纤光栅梳状起偏器中的纳米材料用于扩大TE和TM偏振泄漏模损耗特性的差异,从而增强泄漏模与纤芯导模相互作用的偏振依赖特性,因此许多类型的高折射率纳米材料都可以用于增强泄漏模谐振,从而实现TE和TM偏振光的分离,如氧化铟锡、二氧化钛、二氧化锡、三氧化二铟、氧化锌、氧化铝和聚合物材料;
(3)本发明的倾斜光纤光栅梳状起偏器中的起偏元件及传输元件都由光纤构成,属于全光纤起偏器,结构简单,易于制作,非常方便与现有光学设备及光通信系统集成应用,便于整个系统的运行维护;
(4)本发明的倾斜光纤光栅梳状起偏器中的起偏元件为小角度倾斜光纤光栅,相比于45°倾斜光纤光栅,小角度倾斜光纤光栅更容易刻写,光栅写制参数更容易控制,成本更低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的倾斜光纤光栅梳状起偏器的连接结构示意图;
图2为本发明实施例提供的倾斜光纤光栅梳状起偏器中倾斜光纤光栅起偏元件内反射光耦合元件为多模光纤时的剖视图;
图3为本发明实施例提供的倾斜光纤光栅梳状起偏器中倾斜光纤光栅起偏元件内反射光耦合元件为细芯光纤时的剖视图;
图4为本发明实施例提供的倾斜光纤光栅梳状起偏器中倾斜光纤光栅起偏元件内反射光耦合元件为无芯光纤时的剖视图;
图5为本发明实施例提供的倾斜光纤光栅梳状起偏器中倾斜光纤光栅起偏元件内倾斜光纤光栅采用涂覆不同厚度氧化铟锡薄膜后所形成的透射谱图;
图6为本发明实施例提供的倾斜光纤光栅梳状起偏器中倾斜光纤光栅起偏元件内倾斜光纤光栅采用不同光栅长度后所形成的透射谱图;
图7为本发明实施例提供的倾斜光纤光栅梳状起偏器中倾斜光纤光栅起偏元件内倾斜光纤光栅在两个光栅长度下三个波长位置处的偏振响应曲线图;
图8为本发明实施例提供的倾斜光纤光栅梳状起偏器中倾斜光纤光栅起偏元件内倾斜光纤光栅的偏振特性的柱状对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1至图4所示,为本发明实施例中,提供的一种倾斜光纤光栅梳状起偏器,包括宽带光源1、光环形器2、倾斜光纤光栅起偏元件3以及两个光谱仪4;其中,通过第一单模光纤01将宽带光源1与光环形器2连接在一起,还通过第二单模光纤02依序将光环形器2、倾斜光纤光栅起偏元件3及一光谱仪4连接在一起,以及通过第三单模光纤03将光环形器2及另一光谱仪4连接在一起;
宽带光源1,用于产生非偏振光;
光环形器2,用于转发宽带光源1产生的非偏振光至倾斜光纤光栅起偏元件3中产生相互分离的窄带TE偏振光和窄带TM偏振光,以及转发倾斜光纤光栅起偏元件3反射过来的窄带TE偏振光至相应的光谱仪4中;
倾斜光纤光栅起偏元件3包括依序连接的反射光耦合元件31和倾斜光纤光栅32;其中,倾斜光纤光栅起偏元件3,用于将非偏振光经反射光耦合元件31输出进入倾斜光纤光栅32的纤芯内激发出同时包括TE偏振分量和TM偏振分量的纤芯导模后,倾斜光纤光栅32的谐振波长位置的TE偏振纤芯导模会与反向传播的TE偏振态泄漏模发生强耦合形成窄带TE偏振光,反射回反射光耦合元件31并传输至光环形器2及对应直连的光谱仪4中,同时倾斜光纤光栅32的谐振波长位置的TM偏振纤芯导模仅能与反向传播TM偏振泄漏模发生弱耦合从而直接输出至倾斜光纤光栅32相连的光谱仪4中;从而产生高偏振消光比且传播方向相反的TE偏振光和TM偏振光;
两个光谱仪4,分别用于对窄带TM偏振光及窄带TE偏振光之中相应一个进行分析。
应当说明的是,倾斜光纤光栅起偏元件3产生窄带线偏振光的过程为:
首先,宽带光源1产生的非偏振光进入倾斜光纤光栅起偏元件3中的反射光耦合元件31,从反射光耦合元件31输出后进入倾斜光纤光栅32并在倾斜光纤光栅32纤芯的包层内激发同时包括TE偏振分量和TM偏振分量的纤芯导模,即TE偏振纤芯导模和TM偏振纤芯导模;
其次,在倾斜光纤光栅32谐振波长位置的TE偏振纤芯导模会与反向传播的TE偏振态泄漏模发生强耦合,即前向传播的TE偏振纤芯导模转换为反向传播的TE偏振泄漏模,然后传输至反射光耦合元件31内;而倾斜光纤光栅32谐振波长位置的TM偏振纤芯导模仅能与反向传播TM偏振泄漏模发生弱耦合,即TM偏振纤芯导模会直接通过倾斜光纤光栅32区域输出。
因此,非偏振光经过倾斜光纤光栅3后,TE偏振分量的纤芯导模转换为反向传播的TE偏振泄漏模,而TM偏振分量的纤芯导模直接输出,从而产生传播方向相反的两束线偏振光,即窄带TM偏振光与窄带TE偏振光传播方向相反并相互分离。
应当说明的是,倾斜光纤光栅32的谐振波长由相位匹配条件决定,所述相位匹配条件可表示为:
在本发明实施例中,倾斜光纤光栅32的外表面包覆有一层纳米材料33,且倾斜光纤光栅32的光栅调制平面与光纤轴向的夹角小于45°,栅区长度大于10mm,光栅轴向周期大于100nm;其中,倾斜光纤光栅32采用紫外曝光技术刻写在石英单模光纤的纤芯区域的方式制作而成,或通过飞秒激光直写技术刻写在石英单模光纤的纤芯区域的方式制作而成;纳米材料33为氧化铟锡、二氧化钛、二氧化锡、三氧化二铟、氧化锌、氧化铝和聚合物材料之中一种。
应当说明的是,纳米材料33的作用是极大减小了倾斜光纤光栅3内TE偏振泄漏模的损耗,并增强了倾斜光纤光栅3的包层对TE偏振泄漏模的反射,而TM偏振泄漏模的损耗和反射均远小于TE偏振泄漏模,从而扩大TE和TM偏振泄漏模损耗特性的差异,增强泄漏模与纤芯导模相互作用的偏振依赖特性。
在本发明实施例中,纳米材料33通过磁控溅射法、溶胶凝胶法、层层自组装法中的一种方式均匀涂覆在倾斜光纤光栅32的包层表面。
在本发明实施例中,反射光耦合元件31为多模光纤、细芯光纤或无芯光纤,通过光纤熔接的方式熔接在第二单模光纤02和倾斜光纤光栅32之间。
若反射光耦合元件31为多模光纤时(如图2所示),从倾斜光纤光栅32反射的TE偏振泄漏模进入多模光纤的纤芯,然后耦合进入第二单模光纤02的纤芯并传输进入光环形器2。
若反射光耦合元件31为细芯光纤时(如图3所示),从倾斜光纤光栅32反射的TE偏振泄漏模进入细芯光纤的包层,然后耦合进入第二单模光纤02的纤芯并传输进入光环形器2。
若反射光耦合元件31为无芯光纤时(如图4所示),从倾斜光纤光栅32反射的TE偏振泄漏模进入无芯光纤的包层,然后耦合进入第二单模光纤02的纤芯并传输进入光环形器2。
如图5至图8所示,对本发明实施例中的一种倾斜光纤光栅梳状起偏器的应用场景做进一步说明:
在图5中,涂覆不同厚度氧化铟锡薄膜后的倾斜光纤光栅梳状起偏器的光栅长度为20mm,通过相位匹配条件可以得到,波长大于1.62μm的区域为包层模谐振,波长小于1.62μm的区域为泄漏模谐振。
在没有涂覆氧化铟锡薄膜时(标注为Bare的曲线),倾斜光纤光栅梳状起偏器的TE和TM偏振透射谱都非常微弱,包层模谐振和泄漏模谐振分界面出现了明显的幅度变化。随着氧化铟锡膜层厚度的增加,倾斜光纤光栅起偏元件的TE偏振泄漏模谐振幅度大幅增加,而TM偏振泄漏模谐振几乎保持不变;当氧化铟锡薄膜厚度增加至235nm时,TE偏振泄漏模谐振幅度远大于TM偏振泄漏模谐振,说明TE偏振纤芯导模与反向传输的TE偏振泄漏模在光栅区域发生强耦合,从而转化为反向传输的TE偏振泄漏模,而TM偏振纤芯导模直接通过光栅区域。当氧化铟锡厚度增加至350nm,TE偏振泄漏模谐振幅度会减小。
当氧化铟锡薄膜厚度为235nm时,倾斜光纤光栅梳状起偏器可以高效获得传播方向相反的窄带TE偏振光和TM偏振光。
在图6中,氧化铟锡薄膜厚度为235nm。随着光栅长度的增加,倾斜光纤光栅梳状起偏器的TE偏振泄漏模谐振大幅增强,而TM偏振泄漏模谐振变化非常微弱。当光栅长度为80mm时,波长介于1.45μm至1.62μm之间的TE偏振泄漏模谐振幅度超过20dB(绝对值),说明增加光栅长度可以获得非常高的偏振消光比。
在图7中,0°和180°,三个波长位置处的透射谱谐振强度都近似等于0dB,而在在90°和270°时三个波长位置处的透射谱谐振强度与光栅长度有关:光栅长度越长,谐振强度越强。对于80mm长度的倾斜光纤光栅,在90°和270°时,三个波长位置处的透射谱谐振强度(绝对值)分别达到42dB、57dB和23dB,从而可以获得高偏振消光比。
在图8中,对于没有涂覆氧化铟锡薄膜的情况(标注为Bare),相应的偏振消光比低于5dB,光谱线宽(FWHM)超过1nm,谐振峰强度低于5dB(绝对值),不能分离TE和TM偏振光。在倾斜光纤光栅表面涂覆氧化铟锡薄膜后(厚度为235nm),随着光栅长度增加,倾斜光纤光栅梳状起偏器的偏振消光比大幅增加,光谱线宽大幅减小,谐振峰强度大幅增加。当光栅长度为80mm时,波长为1.54μm处的偏振消光比达到57dB,光谱带宽小于0.5nm,谐振峰强度超过57dB,可高效率地分离TE偏振光和TM偏振光。
根据本实例的研究,本发明的倾斜光纤光栅梳状起偏器能在宽波段内产生高偏振消光比的窄带TE偏振光和TM偏振光,且传播方向相反。
实施本发明实施例,具有如下有益效果:
(1)本发明的倾斜光纤光栅梳状起偏器利用纳米材料激发倾斜光纤光栅梳状泄漏模谐振,并结合泄漏模谐振的强偏振依赖特性,可在宽波段内产生互相垂直且传播方向相反的极窄带宽TE偏振光和TM偏振光,实现两束线偏振光的高效分离,偏振消光比可达57dB,光谱线宽低于0.5nm;
(2)本发明的倾斜光纤光栅梳状起偏器中的纳米材料用于扩大TE和TM偏振泄漏模损耗特性的差异,从而增强泄漏模与纤芯导模相互作用的偏振依赖特性,因此许多类型的高折射率纳米材料都可以用于增强泄漏模谐振,从而实现TE和TM偏振光的分离,如氧化铟锡、二氧化钛、二氧化锡、三氧化二铟、氧化锌、氧化铝和聚合物材料;
(3)本发明的倾斜光纤光栅梳状起偏器中的起偏元件及传输元件都由光纤构成,属于全光纤起偏器,结构简单,易于制作,非常方便与现有光学设备及光通信系统集成应用,便于整个系统的运行维护;
(4)本发明的倾斜光纤光栅梳状起偏器中的起偏元件为小角度倾斜光纤光栅,相比于45°倾斜光纤光栅,小角度倾斜光纤光栅更容易刻写,光栅写制参数更容易控制,成本更低。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (4)
1.一种倾斜光纤光栅梳状起偏器,其特征在于,包括宽带光源、光环形器、倾斜光纤光栅起偏元件以及两个光谱仪;其中,通过第一单模光纤将所述宽带光源与所述光环形器连接在一起,还通过第二单模光纤依序将所述光环形器、所述倾斜光纤光栅起偏元件及一光谱仪连接在一起,以及通过第三单模光纤将所述光环形器及另一光谱仪连接在一起;
所述宽带光源,用于产生非偏振光;
所述光环形器,用于转发所述宽带光源产生的非偏振光至所述倾斜光纤光栅起偏元件中,以及转发所述倾斜光纤光栅起偏元件反射过来的窄带TE偏振光至相应的光谱仪中;
所述倾斜光纤光栅起偏元件包括依序连接的反射光耦合元件和倾斜光纤光栅;其中,所述倾斜光纤光栅起偏元件,用于将非偏振光经反射光耦合元件输出进入倾斜光纤光栅的纤芯内激发出同时包括TE偏振分量和TM偏振分量的纤芯导模后,倾斜光纤光栅的谐振波长位置的TE偏振纤芯导模会与反向传播的TE偏振态泄漏模发生强耦合形成窄带TE偏振光,反射回反射光耦合元件并传输至光环形器及对应直连的光谱仪中,同时倾斜光纤光栅的谐振波长位置的TM偏振纤芯导模仅能与反向传播TM偏振泄漏模发生弱耦合从而直接输出至倾斜光纤光栅相连的光谱仪中,从而产生高偏振消光比且传播方向相反的TE偏振光和TM偏振光;
所述两个光谱仪,分别用于对所述窄带TM偏振光及所述窄带TE偏振光之中相应一个进行分析;
所述倾斜光纤光栅的外表面包覆有一层纳米材料,且所述倾斜光纤光栅的光栅调制平面与光纤轴向的夹角小于45°,栅区长度大于10mm,光栅轴向周期大于100nm;
所述纳米材料为氧化铟锡、二氧化钛、二氧化锡、三氧化二铟、氧化锌、氧化铝和聚合物材料之中一种;
所述倾斜光纤光栅的谐振波长由相位匹配条件决定,所述相位匹配条件表示为:
2.如权利要求1所述的倾斜光纤光栅梳状起偏器,其特征在于,所述纳米材料通过磁控溅射法、溶胶凝胶法或层层自组装法中的一种方式均匀涂覆在所述倾斜光纤光栅的包层表面。
3.如权利要求1所述的倾斜光纤光栅梳状起偏器,其特征在于,所述倾斜光纤光栅采用紫外曝光技术刻写在石英单模光纤的纤芯区域的方式制作而成,或通过飞秒激光直写技术刻写在石英单模光纤的纤芯区域的方式制作而成。
4.如权利要求1所述的倾斜光纤光栅梳状起偏器,其特征在于,所述反射光耦合元件为多模光纤、细芯光纤或无芯光纤。
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High extinction ratio in-fiber polarizers based on 45° tilted fiber Bragg gratings;Kaiming Zhou etc.;《OPTICS LETTERS》;20050601;第30卷(第11期);正文第1286-1287页,图3 * |
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