CN112904489B - 光纤偏振分光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤偏振分光器，所述光纤偏振分光器包括：第一纤芯，第一纤芯的横截面为椭圆形，第一纤芯具有顺次连接的第一输入直通段、第一耦合段和第一输出直通段；第二纤芯，第二纤芯的横截面为椭圆形，第二纤芯具有顺次连接的第二输入直通段、第二耦合段和第二输出直通段，第二输入直通段和第一输入直通段的距离大于第一目标距离，第二耦合段与第一耦合段沿第二纤芯的宽度方向正对设置，第二耦合段与第一耦合段的距离小于第二目标距离，第二输出直通段与第一输出直通段的距离大于第一目标距离；包层，包层包覆于第一纤芯和第二纤芯。本发明提供的光纤偏振分光器，能够降低外界环境扰动造成的影响，得到的偏振光精度较高，更加稳定。

Description

光纤偏振分光器

技术领域

本发明涉及光纤通信和光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤偏振分光器。

背景技术

偏振分光器是一种将输入的非偏振光分成两束正交的线偏振光的器件，是光通信和光传感系统中的关键无源光器件，可广泛应用光学干涉仪、光学陀螺仪、生物传感器以及偏振复用系统等，偏振分光器自问世以来就受到了广泛的关注和研究。

目前的偏振分光器主要可以分为以下几种类型：1、晶体型偏振分光器，如沃拉斯顿棱镜、格兰-泰勒棱镜，主要应用于传统分立光学系统；2、波导型偏振分光器，如多模干涉偏振分光器、硅波导偏振分光器，主要应用于光波导和硅基集成光学系统；3、光子晶体型偏振分光器，主要应用于光子晶体光学系统；4、光纤型偏振分光器，如多单模、多模光纤偏振分光器，主要应用于光纤通信系统和光纤传感系统。然而这几种偏振分光器输出的偏振光容易受到外界环境扰动的影响，得到的偏振光精度较低，不够稳定。

发明内容

本发明提供一种光纤偏振分光器，用以解决现有技术中输出的偏振光容易受到外界环境扰动的影响，得到的偏振光精度较低，不够稳定的缺陷，实现降低外界环境扰动造成的影响，得到的偏振光精度较高，更加稳定。

本发明提供一种光纤偏振分光器，所述光纤偏振分光器包括：第一纤芯，所述第一纤芯的横截面为椭圆形，所述第一纤芯具有顺次连接的第一输入直通段、第一耦合段和第一输出直通段；第二纤芯，所述第二纤芯的横截面为椭圆形，所述第二纤芯具有顺次连接的第二输入直通段、第二耦合段和第二输出直通段，所述第二输入直通段和所述第一输入直通段的距离大于第一目标距离，所述第二耦合段与所述第一耦合段沿所述第二纤芯的宽度方向正对设置，所述第二耦合段与所述第一耦合段的距离小于第二目标距离，所述第二输出直通段与所述第一输出直通段的距离大于第一目标距离；包层，所述包层包覆于所述第一纤芯和所述第二纤芯。

根据本发明提供的一种光纤偏振分光器，所述第一耦合段包括：第一渐进子耦合段、第一完全子耦合段、第一渐出子耦合段，所述第一输入直通段通过所述第一渐进子耦合段与所述第一完全子耦合段连接，所述第一完全子耦合段通过第一渐出子耦合段与所述第一输出直通段连接；所述第二耦合段包括：第二渐进子耦合段、第二完全子耦合段和第二渐出子耦合段，所述第二输入直通段通过所述第二渐进子耦合段与所述第二完全子耦合段连接，所述第二完全子耦合段通过第二渐出子耦合段与所述第二输出直通段连接；所述第二完全子耦合段与所述第一完全子耦合段平行。

根据本发明提供的一种光纤偏振分光器，所述第二完全子耦合段的横截面的长轴与所述第一完全子耦合段的横截面的长轴平行，所述第二完全子耦合段的横截面的短轴与所述第一完全子耦合段的横截面的短轴在同一直线上。

根据本发明提供的一种光纤偏振分光器，所述第一渐进子耦合段与所述第二渐进子耦合段之间的距离大于2.0μm，且小于4.0μm；或者，所述第一完全子耦合段与所述第二完全子耦合段之间的距离大于2.0μm，且小于2.5μm；或者，所述第一渐出子耦合段与所述第二渐出子耦合段之间的距离大于2.0μm，且小于4.0μm。

根据本发明提供的一种光纤偏振分光器，所述第一完全子耦合段的长度为5500μm至6000μm；所述第二完全子耦合段的长度为5500μm至6000μm。

根据本发明提供的一种光纤偏振分光器，所述第一渐进子耦合段的长度为50μm至100μm，所述第二渐进子耦合段的长度为50μm至100μm；或者，所述第一渐出子耦合段的长度为50μm至100μm，所述第二渐出子耦合段的长度为50μm至100μm。

根据本发明提供的一种光纤偏振分光器，所述第一输入直通段的长度大于550μm，所述第二输入直通段的长度大于550μm；或者，所述第一输出直通段的长度大于550μm，所述第二输出直通段的长度大于550μm。

根据本发明提供的一种光纤偏振分光器，所述第一纤芯的横截面的长轴长度与短轴长度的比值为3∶2，所述第二纤芯的横截面的长轴长度与短轴长度的比值为3∶2。

根据本发明提供的一种光纤偏振分光器，所述包层的材料为二氧化硅，所述第一纤芯和所述第二纤芯的材料均为掺杂的二氧化硅，所述第一纤芯和所述第二纤芯的折射率高于所述包层的折射率。

根据本发明提供的一种光纤偏振分光器，所述包层的截面的外轮廓形状为圆形或者D字型。

本发明提供的光纤偏振分光器，通过设置并排的椭圆形第一纤芯和椭圆形第二纤芯，能够实现将光束分离为相互正交的偏振光，能够降低外界环境扰动造成的影响，得到的偏振光精度较高，更加稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的光纤偏振分光器的结构示意图；

图2是本发明提供的光纤偏振分光器横截面示意图之一；

图3是本发明提供的光纤偏振分光器横截面示意图之二；

图4是本发明提供的光纤偏振分光器的偏振消光比与完全耦合区长度之间的关系示意图；

图5是本发明提供的光纤偏振分光器的光路传输图；

图6是本发明提供的光纤偏振分光器的第一输出直通段得到的线偏振光示意图；

图7是本发明提供的光纤偏振分光器的第二输出直通段得到的线偏振光示意图。

附图标记：

1：第一输入直通段； 2：第二输入直通段； 3：第一渐进子耦段；

4：第一完全子耦合 5：第一渐出子耦合 6：第一输出直通段；

段； 段；

7：第二输出直通段； 8：第二渐进子耦合 9：第二完全子耦合

段； 段；

10：第二渐出子耦合

段。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图7描述本发明的光纤偏振分光器。

本发明提供的光纤偏振分光器，是基于形状双折射全保偏光纤设计的。

如图1所示，本发明提供一种光纤偏振分光器，该光纤偏振分光器包括：第一纤芯、第二纤芯和包层。

其中，第一纤芯的横截面为椭圆形，第一纤芯具有顺次连接的第一输入直通段1、第一耦合段和第一输出直通段6。

第二纤芯的横截面为椭圆形，第二纤芯具有顺次连接的第二输入直通段2、第二耦合段和第二输出直通段7。

第一输入直通段1和第二输入直通段2均用于和上段光纤对准连接，将光导入，第一耦合段和第二耦合段用于基于形状双折射原理，使得第一纤芯中的光束和第二纤芯中的光束发生相互作用，使得两个光束转变为相互正交的光束，使得第一输出直通段6输出的光束和第二输出直通段7输出的光束是相互正交的线偏振光。

如图1和图2所示，第二输入直通段2和第一输入直通段1的距离大于第一目标距离，这样就使得第一输入直通段1中的光束和第二输入直通段2中的光束并不发生相互作用。

第一目标距离可以为预设的距离值，比如可以为4.9μm，在这种情况下，第二输入直通段2和第一输入直通段1的距离大于4.9μm，比如可以为5μm。

如图1和图3所示，第二耦合段与第一耦合段沿第二纤芯的宽度方向正对设置，也就是第一耦合段和第二耦合段并排布置，第二耦合段与第一耦合段的距离小于第二目标距离。

第二目标距离可以为预设的距离值，比如可以为2.2μm，第二耦合段中的光束与第一耦合段中的光束能够发生相互作用，由于第一耦合段和第二耦合段的纤芯横截面均为椭圆形，当非偏振光或者部分偏振光入射到分光器时，在经过第一耦合段和第二耦合段时，光波的倏逝场耦合到相邻的波导中，光波在两个波导臂之间相互耦合，呈正弦规律在两波导中传输，而由于椭圆纤芯的形状双折射效应，轴向不对称的纤芯结构产生光正交分量传输快慢不同，X偏振光和Y偏振光的等效折射率不同，导致两偏振光耦合长度也不同。通过选取合理设计结构参数，调整完全耦合区长度和光纤纤芯之间的距离，使得X偏振光从直通臂输出和Y偏振光从耦合臂输出，实现两束正交偏振光分离。

第二输出直通段7与第一输出直通段6的距离大于第一目标距离，这样就使得第一输出直通段6中的光束和第二输出直通段7中的光束并不发生相互作用。

第一目标距离可以为预设的距离值，比如可以为4.9μm，在这种情况下，第二输入直通段2和第一输入直通段1的距离大于4.9μm，比如可以为5μm。

包层包覆于第一纤芯和第二纤芯，也就是第一纤芯和第二纤芯内嵌于包层，包层可以对光束起到一定的折射作用，能够将光束和环境光隔绝，包层和第一纤芯或包层和第二纤芯构成椭圆纤芯保偏光纤，不是传统的单模圆芯。包层也能够对第一纤芯和第二纤芯起到保护作用，能够降低外界环境造成的扰动。

本发明采用全保偏光纤结构实现偏振分光器，与传统晶体以及波导偏振分光器相比，具有重量轻、体积小、结构紧凑，抗机械冲击和振动能力强以及与光纤系统兼容性好等优点。

本发明基于形状双折射原理，采用椭圆纤芯保偏光纤实现全保偏光纤偏振分光器，与常规单模、多模光纤偏振分光器相比，具有稳定输出的线偏振光，偏振态不受外界环境扰动影响，适用于高精度相干光通信系统和光传感系统。

本发明提供的光纤偏振分光器，通过设置并排的椭圆形第一纤芯和椭圆形第二纤芯，能够实现将光束分离为相互正交的偏振光，能够降低外界环境扰动造成的影响，得到的偏振光精度较高，更加稳定。

在一些实施例中，第一耦合段包括：第一渐进子耦合段3、第一完全子耦合段4、第一渐出子耦合段5，第一输入直通段1通过第一渐进子耦合段3与第一完全子耦合段4连接，第一完全子耦合段4通过第一渐出子耦合段5与第一输出直通段6连接。

第一渐进子耦合段3和第一渐出子耦合段5能够形成过渡区域，光束从第一输入直通段1输入，依次经过第一输入直通段1、第一渐进子耦合段3、第一完全子耦合段4、第一渐出子耦合段5以及第一输出直通段6。

第二耦合段包括：第二渐进子耦合段8、第二完全子耦合段9和第二渐出子耦合段10，第二输入直通段2通过第二渐进子耦合段8与第二完全子耦合段9连接，第二完全子耦合段9通过第二渐出子耦合段10与第二输出直通段7连接。

第二渐进子耦合段8和第二渐出子耦合段10能够形成过渡区域，光束从第二输入直通段2输入，依次经过第二输入直通段2、第二渐进子耦合段8、第二完全子耦合段9、第二渐出子耦合段10以及第二输出直通段7。

第二完全子耦合段9与第一完全子耦合段4平行，可以使得两束光线在第二完全子耦合段9和第一完全子耦合段4之间发生更好的相互作用，产生的偏振光精度更高。

而第一渐进子耦合段3、第二渐进子耦合段8、第一渐出子耦合段5以及第二渐出子耦合段10在承担将光束耦合功能的同时，还承担过渡功能。

在一些实施例中，第二完全子耦合段9的横截面的长轴与第一完全子耦合段4的横截面的长轴平行。

可以理解的是，第一完全子耦合段4和第二完全子耦合段9的纤芯横截面均为椭圆形，也就是均具有长轴和短轴，此处第一完全子耦合段4的横截面的长轴和第二完全子耦合段9的横截面的长轴相互平行，第一完全子耦合段4的横截面的短轴和第二完全子耦合段9的横截面的短轴共线，也就是在同一直线上，这样设置，能够进一步提升耦合效果，能够实现更高消光比偏振态分离。

在一些实施例中，第一渐进子耦合段3与第二渐进子耦合段8之间的距离大于2.0μm，且小于4.0μm，可以为3.2μm至3.5μm，例如3.3μm，或者，第一完全子耦合段4与第二完全子耦合段9之间的距离大于2.0μm，且小于2.5μm，比如可以为2.2μm。或者，第一渐出子耦合段5与第二渐出子耦合段10之间的距离大于2.0μm，且小于4.0μm，可以为3.2μm至3.5μm，例如3.3μm。

如图4所示，发明人经过实验，绘制出了光纤偏振分光器的偏振消光比与完全耦合区长度的关系曲线，在一些实施例中，根据该曲线可以将第一完全子耦合段4的长度设置为5500μm至6000μm，比如可以为5825μm；第二完全子耦合段9的长度设置为5500μm至6000μm，比如可以为5825μm。

如图1、图5、图6和图7所示，在第一输入直通段1的端口a和第二输入直通段2的端口b输入非偏振光后，光束在光线偏振分光器中的光路传输如图5，此时将产生偏振分束效应，X偏振光将从第一输出直通段6的端口c输出，输出的偏振态如图6，Y偏振光将从第二输出直通段7的端口d输出，输出的偏振态如图7，此时第一输出直通段6的消光比为30.13dB，第二输出直通段7的消光比为32.78dB。

在一些实施例中，第一渐进子耦合段3的长度为50μm至100μm，比如可以为80μm，第二渐进子耦合段8的长度为50μm至100μm，比如可以为80μm；或者，第一渐出子耦合段5的长度为50μm至100μm，比如可以为80μm，第二渐出子耦合段10的长度为50μm至100μm，比如可以为80μm。

在一些实施例中，第一输入直通段1的长度大于550μm，比如可以为600μm，第二输入直通段2的长度大于550μm，比如可以为600μm。

或者，第一输出直通段6的长度大于550μm，比如可以为600μm，第二输出直通段7的长度大于550μm，比如可以为600μm。

在一些实施例中，第一纤芯的横截面的长轴长度与短轴长度的比值为3∶2，第二纤芯的横截面的长轴长度与短轴长度的比值为3∶2，这样设置，能够实现更高消光比偏振态分离。

在一些实施例中，包层的材料为二氧化硅，第一纤芯和第二纤芯的材料均为掺杂的二氧化硅，第一纤芯和第二纤芯的折射率高于包层的折射率。

在一些实施例中，包层的截面形状为圆形或者D字型，这样能够使得第一纤芯和第二纤芯的输出光能够有更加稳定的输出偏振态。

本专利可以采用两种制备方式得到基于形状双折射的全保偏光纤偏振分光器。具体包含第一纤芯和第二纤芯，两大结构整体平行、紧凑。

其中，制备方案一：首先设定好拉锥初始参数，将除去涂覆层的两根全保偏光纤裸纤清洗擦拭干净，放在夹具上固定好，利用CCD电子成像法或显微镜观察法判断出两根椭圆纤芯全保偏光纤长轴和短轴的位置，控制夹具位置使之在长轴平行、短轴共线的位置固定，再将对好轴的两根裸纤通过设备移动靠拢在一起；将光纤连接到光功率计上，然后将工位转换至加热平台，利用氢氧焰对两根光纤进行加热熔融，光纤夹具向两侧拉伸，并采用计算机监视偏振分光器输出端口光功率及偏振消光比，与此同时，计算机控制着拉锥平台对光纤进行熔融拉锥，控制拉锥长度5200μm-6200μm，从而导致在光纤被加热的区域处形成了一个具有特殊结构的耦合区，包含渐进耦合区50μm-100μm和完全耦合区5100μm-6100μm；之后对偏振分光器进行封装，保证输入直通区长度大于550μm，保护结构的完整性；最后对偏振分光器进行消光比数据测试，测试符合偏振消光比>30dB要求的光纤偏振分光器，此时认为制作成功。

其中，制备方案二：两根裸露椭圆纤芯全保偏光纤洗净后，利用CCD电子成像法或显微镜观察法等判断出两根椭圆纤芯全保偏光纤长轴和短轴的位置，进行轴向姿态控制下的侧边抛磨，抛磨平面平行于椭圆纤芯的长轴，形成包层为D形结构，同时保证抛磨形状的对称性。控制抛磨深度1.1μm，使得光纤纤芯之间的距离2.2μm，控制抛磨长度为5500μm-5530μm，5800μm-5850μm，6120μm-6160μm，形成渐进耦合区和完全耦合区；再将两根经侧边抛磨的椭圆纤芯全保偏光纤抛磨面平行粘合：使用石英粉作为助粘剂，用火焰加热石英粉形成助粘层，使两根光纤熔融粘合在一起。实时监测偏振分光器输出端口偏振消光比，使其偏振消光比>30dB，即完成光纤偏振分光器的制备。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种光纤偏振分光器，其特征在于，包括：

第一纤芯，所述第一纤芯的横截面为椭圆形，所述第一纤芯具有顺次连接的第一输入直通段、第一耦合段和第一输出直通段；

第二纤芯，所述第二纤芯的横截面为椭圆形，所述第二纤芯具有顺次连接的第二输入直通段、第二耦合段和第二输出直通段，所述第二输入直通段和所述第一输入直通段的距离大于第一目标距离，所述第二耦合段与所述第一耦合段沿所述第二纤芯的宽度方向正对设置，所述第二耦合段与所述第一耦合段的距离小于第二目标距离，所述第二输出直通段与所述第一输出直通段的距离大于第一目标距离，所述第一输入直通段的长度大于550μm，所述第二输入直通段的长度大于550μm；或者，所述第一输出直通段的长度大于550μm，所述第二输出直通段的长度大于550μm；

包层，所述包层包覆于所述第一纤芯和所述第二纤芯；

其中，所述第一纤芯的横截面的长轴长度与短轴长度的比值为3:2，所述第二纤芯的横截面的长轴长度与短轴长度的比值为3:2；所述第一输出直通段的消光比和所述第二输出直通段的消光比均大于30dB。

2.根据权利要求1所述的光纤偏振分光器，其特征在于，

所述第一耦合段包括：第一渐进子耦合段、第一完全子耦合段、第一渐出子耦合段，所述第一输入直通段通过所述第一渐进子耦合段与所述第一完全子耦合段连接，所述第一完全子耦合段通过所述第一渐出子耦合段与所述第一输出直通段连接；

所述第二耦合段包括：第二渐进子耦合段、第二完全子耦合段和第二渐出子耦合段，所述第二输入直通段通过所述第二渐进子耦合段与所述第二完全子耦合段连接，所述第二完全子耦合段通过所述第二渐出子耦合段与所述第二输出直通段连接；所述第二完全子耦合段与所述第一完全子耦合段平行。

3.根据权利要求2所述的光纤偏振分光器，其特征在于，所述第二完全子耦合段的横截面的长轴与所述第一完全子耦合段的横截面的长轴平行，所述第二完全子耦合段的横截面的短轴与所述第一完全子耦合段的横截面的短轴在同一直线上。

4.根据权利要求2所述的光纤偏振分光器，其特征在于，所述第一渐进子耦合段与所述第二渐进子耦合段之间的距离大于2.0μm，且小于4.0μm；

或者，所述第一完全子耦合段与所述第二完全子耦合段之间的距离大于2.0μm，且小于2.5μm；

或者，所述第一渐出子耦合段与所述第二渐出子耦合段之间的距离大于2.0μm，且小于4.0μm。

5.根据权利要求2所述的光纤偏振分光器，其特征在于，所述第一完全子耦合段的长度为5500μm至6000μm；

所述第二完全子耦合段的长度为5500μm至6000μm。

6.根据权利要求2所述的光纤偏振分光器，其特征在于，所述第一渐进子耦合段的长度为50μm至100μm，所述第二渐进子耦合段的长度为50μm至100μm；

或者，所述第一渐出子耦合段的长度为50μm至100μm，所述第二渐出子耦合段的长度为50μm至100μm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光纤偏振分光器，其特征在于，所述包层的材料为二氧化硅，所述第一纤芯和所述第二纤芯的材料均为掺杂的二氧化硅，所述第一纤芯和所述第二纤芯的折射率高于所述包层的折射率。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的光纤偏振分光器，其特征在于，所述包层的截面的外轮廓形状为圆形或者D字型。

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