CN113466994A - 一种新型光纤耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤耦合器，具体是一种新型光纤耦合器。本发明解决了传统光纤耦合器导致光纤环形谐振腔集成度低、品质因数低的问题。一种新型光纤耦合器，包括沿光路从左向右依次设置的第一双纤毛细管、第一透镜、起偏检偏分光单元、第二透镜、第二双纤毛细管；第一双纤毛细管的轴线和第一透镜的轴线相互重合，且第一双纤毛细管的右端面和第一透镜的左端面为相互配合的斜面；第一双纤毛细管内分别穿设有第一保偏光纤和第一光子晶体光纤；第二双纤毛细管的轴线和第二透镜的轴线相互重合，且第二双纤毛细管的左端面和第二透镜的右端面为相互配合的斜面；第二双纤毛细管内分别穿设有第二保偏光纤和第二光子晶体光纤。本发明适用于谐振式光纤陀螺。

Description

一种新型光纤耦合器
技术领域
本发明涉及光纤耦合器，具体是一种新型光纤耦合器。
背景技术
光纤环形谐振腔（FRR）是谐振式光纤陀螺的核心敏感部件。在实际应用中，为了抑制谐振式光纤陀螺的偏振噪声、提高谐振式光纤陀螺的环境适应能力，光纤环形谐振腔通常采用光纤耦合器与光子晶体光纤环熔接而成。但由于传统光纤耦合器的结构所限，光纤环形谐振腔普遍存在集成度低、品质因数低的问题。具体阐述如下：其一，若光纤环形谐振腔采用单个传统光纤耦合器与光子晶体光纤环熔接而成，则光纤环形谐振腔只能输出反射峰，而无法输出透射峰，因此为了实现透射峰检测，光纤环形谐振腔需要采用两个传统光纤耦合器与光子晶体光纤环熔接而成，由此导致光纤环形谐振腔的分立器件较多，从而导致光纤环形谐振腔的集成度低。其二，传统光纤耦合器缺少偏振控制器件，因此为了充分抑制光纤环形谐振腔的偏振噪声，需要在传统光纤耦合器与光子晶体光纤环之间独立设置偏振控制器件，由此同样导致光纤环形谐振腔的分立器件较多，从而同样导致光纤环形谐振腔的集成度低。其三，由于传统光纤耦合器采用普通光纤作为尾纤，导致传统光纤耦合器与光子晶体光纤环之间无法实现低损耗熔接，由此导致光纤环形谐振腔的品质因数低。基于此，有必要发明一种新型光纤耦合器，以解决传统光纤耦合器导致光纤环形谐振腔集成度低、品质因数低的问题。
发明内容
本发明为了解决传统光纤耦合器导致光纤环形谐振腔集成度低、品质因数低的问题，提供了一种新型光纤耦合器。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种新型光纤耦合器，包括沿光路从左向右依次设置的第一双纤毛细管、第一透镜、起偏检偏分光单元、第二透镜、第二双纤毛细管；
第一双纤毛细管的轴线和第一透镜的轴线相互重合，且第一双纤毛细管的右端面和第一透镜的左端面为相互配合的斜面；第一双纤毛细管内分别穿设有第一保偏光纤和第一光子晶体光纤，且第一保偏光纤位于第一光子晶体光纤的上方；第一保偏光纤的右端面和第一光子晶体光纤的右端面均与第一双纤毛细管的右端面齐平；第一保偏光纤的左端作为第一端口；第一光子晶体光纤的左端作为第二端口；
第二双纤毛细管的轴线和第二透镜的轴线相互重合，且第二双纤毛细管的左端面和第二透镜的右端面为相互配合的斜面；第二双纤毛细管内分别穿设有第二保偏光纤和第二光子晶体光纤，且第二保偏光纤位于第二光子晶体光纤的下方；第二保偏光纤的左端面和第二光子晶体光纤的左端面均与第二双纤毛细管的左端面齐平；第二保偏光纤的右端作为第三端口；第二光子晶体光纤的右端作为第四端口；
第一透镜的轴线和第二透镜的轴线相互平行。
工作时，将第二端口和第四端口均与光子晶体光纤环进行熔接，由此得到光纤环形谐振腔，如图3所示。光纤环形谐振腔的工作模式包括逆时针工作模式和顺时针工作模式，具体如下：一、逆时针工作模式：在第一端口放置光源，在第三端口放置光接收器。光源发出的光依次经第一端口、第一保偏光纤、第一透镜入射到起偏检偏分光单元。入射到起偏检偏分光单元的光大部分透过起偏检偏分光单元后散射损耗（没有输出），小部分经起偏检偏分光单元进行反射后依次经第一透镜、第一光子晶体光纤、第二端口、光子晶体光纤环（沿逆时针方向传播）、第四端口、第二光子晶体光纤、第二透镜再次入射到起偏检偏分光单元。再次入射到起偏检偏分光单元的光大部分透过起偏检偏分光单元后依次经第一透镜、第一光子晶体光纤入射到第二端口实现逆时针方向谐振，小部分经起偏检偏分光单元进行反射后依次经第二透镜、第二保偏光纤入射到第三端口，然后被光接收器探测。二、顺时针工作模式：在第三端口放置光源，在第一端口放置光接收器。光源发出的光依次经第三端口、第二保偏光纤、第二透镜入射到起偏检偏分光单元。入射到起偏检偏分光单元的光大部分透过起偏检偏分光单元后散射损耗（没有输出），小部分经起偏检偏分光单元进行反射后依次经第二透镜、第二光子晶体光纤、第四端口、光子晶体光纤环（沿顺时针方向传播）、第二端口、第一光子晶体光纤、第一透镜再次入射到起偏检偏分光单元。再次入射到起偏检偏分光单元的光大部分透过起偏检偏分光单元后依次经第二透镜、第二光子晶体光纤入射到第四端口实现顺时针方向谐振，小部分经起偏检偏分光单元进行反射后依次经第一透镜、第一保偏光纤入射到第一端口，然后被光接收器探测。
基于上述过程，与传统光纤耦合器相比，本发明所述的一种新型光纤耦合器通过采用全新结构，具备了如下优点：其一，采用单个本发明与光子晶体光纤环熔接而成的光纤环形谐振腔不仅能够输出反射峰，而且能够输出透射峰，因此在进行透射峰检测时，光纤环形谐振腔只需采用单个本发明与光子晶体光纤环熔接而成，由此显著减少了透射峰检测时光纤环形谐振腔的分立器件，从而显著提高了光纤环形谐振腔的集成度。其二，本发明集成有偏振控制器件，因此无需独立设置偏振控制器件即可充分抑制光纤环形谐振腔的偏振噪声，由此同样显著减少了透射峰检测时光纤环形谐振腔的分立器件，从而同样显著提高了光纤环形谐振腔的集成度。其三，本发明不再采用普通光纤作为尾纤，而是采用光子晶体光纤作为尾纤，因此本发明与光子晶体光纤环之间能够实现低损耗熔接，由此显著提高了光纤环形谐振腔的品质因数。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了传统光纤耦合器导致光纤环形谐振腔集成度低、品质因数低的问题，适用于谐振式光纤陀螺。
附图说明
图1是本发明的第一种结构示意图。
图2是本发明的第二种结构示意图。
图3是光纤环形谐振腔的结构示意图。
图中：101-第一双纤毛细管，102-第二双纤毛细管，201-第一透镜，202-第二透镜，301-第一保偏光纤，302-第二保偏光纤，401-第一光子晶体光纤，402-第二光子晶体光纤，501-第一偏振片，502-第二偏振片，601-第一分光片，602-第二分光片，7-光子晶体光纤环。
具体实施方式
实施例一
一种新型光纤耦合器，包括沿光路从左向右依次设置的第一双纤毛细管101、第一透镜201、起偏检偏分光单元、第二透镜202、第二双纤毛细管102；
第一双纤毛细管101的轴线和第一透镜201的轴线相互重合，且第一双纤毛细管101的右端面和第一透镜201的左端面为相互配合的斜面；第一双纤毛细管101内分别穿设有第一保偏光纤301和第一光子晶体光纤401，且第一保偏光纤301位于第一光子晶体光纤401的上方；第一保偏光纤301的右端面和第一光子晶体光纤401的右端面均与第一双纤毛细管101的右端面齐平；第一保偏光纤301的左端作为第一端口；第一光子晶体光纤401的左端作为第二端口；
第二双纤毛细管102的轴线和第二透镜202的轴线相互重合，且第二双纤毛细管102的左端面和第二透镜202的右端面为相互配合的斜面；第二双纤毛细管102内分别穿设有第二保偏光纤302和第二光子晶体光纤402，且第二保偏光纤302位于第二光子晶体光纤402的下方；第二保偏光纤302的左端面和第二光子晶体光纤402的左端面均与第二双纤毛细管102的左端面齐平；第二保偏光纤302的右端作为第三端口；第二光子晶体光纤402的右端作为第四端口；
第一透镜201的轴线和第二透镜202的轴线相互平行。
如图1所示，在本实施例中，所述起偏检偏分光单元包括沿光路从左向右依次设置的第一偏振片501、第一分光片601、第二分光片602、第二偏振片502；第一偏振片501的轴线、第一分光片601的轴线均与第一透镜201的轴线重合；第二偏振片502的轴线、第二分光片602的轴线均与第二透镜202的轴线重合。
在逆时针工作模式下，光源发出的光依次经第一端口、第一保偏光纤301、第一透镜201、第一偏振片501入射到第一分光片601。入射到第一分光片601的光大部分透过第一分光片601后散射损耗（没有输出），小部分经第一分光片601进行反射后依次经第一偏振片501、第一透镜201、第一光子晶体光纤401、第二端口、光子晶体光纤环7（沿逆时针方向传播）、第四端口、第二光子晶体光纤402、第二透镜202、第二偏振片502入射到第二分光片602。入射到第二分光片602的光大部分透过第二分光片602后依次经第一分光片601、第一偏振片501、第一透镜201、第一光子晶体光纤401入射到第二端口实现逆时针方向谐振，小部分经第二分光片602进行反射后依次经第二偏振片502、第二透镜202、第二保偏光纤302入射到第三端口，然后被光接收器探测。
在顺时针工作模式下，光源发出的光依次经第三端口、第二保偏光纤302、第二透镜202、第二偏振片502入射到第二分光片602。入射到第二分光片602的光大部分透过第二分光片602后散射损耗（没有输出），小部分经第二分光片602进行反射后依次经第二偏振片502、第二透镜202、第二光子晶体光纤402、第四端口、光子晶体光纤环7（沿顺时针方向传播）、第二端口、第一光子晶体光纤401、第一透镜201、第一偏振片501入射到第一分光片601。入射到第一分光片601的光大部分透过第一分光片601后依次经第二分光片602、第二偏振片502、第二透镜202、第二光子晶体光纤402入射到第四端口实现顺时针方向谐振，小部分经第一分光片601进行反射后依次经第一偏振片501、第一透镜201、第一保偏光纤301入射到第一端口，然后被光接收器探测。
具体实施时，所述第一双纤毛细管101采用玻璃制成；所述第二双纤毛细管102采用玻璃制成。第一双纤毛细管101的右端面和第一透镜201的左端面为相互配合的8°斜面；第二双纤毛细管102的左端面和第二透镜202的右端面为相互配合的8°斜面。所述第一透镜201为渐变折射率透镜或球透镜；所述第二透镜202为渐变折射率透镜或球透镜；若第一透镜201为渐变折射率透镜，则第一保偏光纤301的右端、第一光子晶体光纤401的右端均位于第一透镜201的节点位置；若第一透镜201为球透镜，则第一保偏光纤301的右端、第一光子晶体光纤401的右端均位于第一透镜201的焦面处；若第二透镜202为渐变折射率透镜，则第二保偏光纤302的左端、第二光子晶体光纤402的左端均位于第二透镜202的节点位置；若第二透镜202为球透镜，则第二保偏光纤302的左端、第二光子晶体光纤402的左端均位于第二透镜202的焦面处。所述第一分光片601的透过率为90%~99%、反射率为1%~10%；所述第二分光片602的透过率为90%~99%、反射率为1%~10%。所述第一保偏光纤301可替换为单模光纤或光子晶体光纤；所述第二保偏光纤302可替换为单模光纤或光子晶体光纤；所述第一光子晶体光纤401可替换为单模光纤或保偏光纤；所述第二光子晶体光纤402可替换为单模光纤或保偏光纤。第一端口的位置和第二端口的位置可以互换；若第一端口的位置和第二端口的位置互换，则第三端口的位置和第四端口的位置亦必需互换。第一透镜201的轴线和第二透镜202的轴线之间的距离应保证第二端口入射的光可以进入到第四端口。
实施例二
一种新型光纤耦合器，包括沿光路从左向右依次设置的第一双纤毛细管101、第一透镜201、起偏检偏分光单元、第二透镜202、第二双纤毛细管102；
第一双纤毛细管101的轴线和第一透镜201的轴线相互重合，且第一双纤毛细管101的右端面和第一透镜201的左端面为相互配合的斜面；第一双纤毛细管101内分别穿设有第一保偏光纤301和第一光子晶体光纤401，且第一保偏光纤301位于第一光子晶体光纤401的上方；第一保偏光纤301的右端面和第一光子晶体光纤401的右端面均与第一双纤毛细管101的右端面齐平；第一保偏光纤301的左端作为第一端口；第一光子晶体光纤401的左端作为第二端口；
第二双纤毛细管102的轴线和第二透镜202的轴线相互重合，且第二双纤毛细管102的左端面和第二透镜202的右端面为相互配合的斜面；第二双纤毛细管102内分别穿设有第二保偏光纤302和第二光子晶体光纤402，且第二保偏光纤302位于第二光子晶体光纤402的下方；第二保偏光纤302的左端面和第二光子晶体光纤402的左端面均与第二双纤毛细管102的左端面齐平；第二保偏光纤302的右端作为第三端口；第二光子晶体光纤402的右端作为第四端口；
第一透镜201的轴线和第二透镜202的轴线相互平行。
如图2所示，在本实施例中，所述起偏检偏分光单元包括沿光路从左向右依次设置的第一分光片601、第一偏振片501、第二偏振片502、第二分光片602；第一分光片601的轴线与第一透镜201的轴线重合；第二分光片602的轴线与第二透镜202的轴线重合；第一偏振片501和第二偏振片502相互贴合，且二者的轴线相互重合。
在逆时针工作模式下，光源发出的光依次经第一端口、第一保偏光纤301、第一透镜201入射到第一分光片601。入射到第一分光片601的光大部分透过第一分光片601后散射损耗（没有输出），小部分经第一分光片601进行反射后依次经第一透镜201、第一光子晶体光纤401、第二端口、光子晶体光纤环7（沿逆时针方向传播）、第四端口、第二光子晶体光纤402、第二透镜202入射到第二分光片602。入射到第二分光片602的光大部分透过第二分光片602后依次经第二偏振片502、第一偏振片501、第一分光片601、第一透镜201、第一光子晶体光纤401入射到第二端口实现逆时针方向谐振，小部分经第二分光片602进行反射后依次经第二透镜202、第二保偏光纤302入射到第三端口，然后被光接收器探测。
在顺时针工作模式下，光源发出的光依次经第三端口、第二保偏光纤302、第二透镜202入射到第二分光片602。入射到第二分光片602的光大部分透过第二分光片602后散射损耗（没有输出），小部分经第二分光片602进行反射后依次经第二透镜202、第二光子晶体光纤402、第四端口、光子晶体光纤环7（沿顺时针方向传播）、第二端口、第一光子晶体光纤401、第一透镜201入射到第一分光片601。入射到第一分光片601的光大部分透过第一分光片601后依次经第一偏振片501、第二偏振片502、第二分光片602、第二透镜202、第二光子晶体光纤402入射到第四端口实现顺时针方向谐振，小部分经第一分光片601进行反射后依次经第一透镜201、第一保偏光纤301入射到第一端口，然后被光接收器探测。
具体实施时，所述第一双纤毛细管101采用玻璃制成；所述第二双纤毛细管102采用玻璃制成。第一双纤毛细管101的右端面和第一透镜201的左端面为相互配合的8°斜面；第二双纤毛细管102的左端面和第二透镜202的右端面为相互配合的8°斜面。所述第一透镜201为渐变折射率透镜或球透镜；所述第二透镜202为渐变折射率透镜或球透镜；若第一透镜201为渐变折射率透镜，则第一保偏光纤301的右端、第一光子晶体光纤401的右端均位于第一透镜201的节点位置；若第一透镜201为球透镜，则第一保偏光纤301的右端、第一光子晶体光纤401的右端均位于第一透镜201的焦面处；若第二透镜202为渐变折射率透镜，则第二保偏光纤302的左端、第二光子晶体光纤402的左端均位于第二透镜202的节点位置；若第二透镜202为球透镜，则第二保偏光纤302的左端、第二光子晶体光纤402的左端均位于第二透镜202的焦面处。所述第一分光片601的透过率为90%~99%、反射率为1%~10%；所述第二分光片602的透过率为90%~99%、反射率为1%~10%。所述第一保偏光纤301可替换为单模光纤或光子晶体光纤；所述第二保偏光纤302可替换为单模光纤或光子晶体光纤；所述第一光子晶体光纤401可替换为单模光纤或保偏光纤；所述第二光子晶体光纤402可替换为单模光纤或保偏光纤。第一端口的位置和第二端口的位置可以互换；若第一端口的位置和第二端口的位置互换，则第三端口的位置和第四端口的位置亦必需互换。第一透镜201的轴线和第二透镜202的轴线之间的距离应保证第二端口入射的光可以进入到第四端口。
第一偏振片501和第二偏振片502亦可相互平行，此时需保证二者的偏振方向均与第一保偏光纤301的慢轴方向、第二保偏光纤302的慢轴方向平行。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型光纤耦合器，其特征在于：包括沿光路从左向右依次设置的第一双纤毛细管（101）、第一透镜（201）、起偏检偏分光单元、第二透镜（202）、第二双纤毛细管（102）；
第一双纤毛细管（101）的轴线和第一透镜（201）的轴线相互重合，且第一双纤毛细管（101）的右端面和第一透镜（201）的左端面为相互配合的斜面；第一双纤毛细管（101）内分别穿设有第一保偏光纤（301）和第一光子晶体光纤（401），且第一保偏光纤（301）位于第一光子晶体光纤（401）的上方；第一保偏光纤（301）的右端面和第一光子晶体光纤（401）的右端面均与第一双纤毛细管（101）的右端面齐平；第一保偏光纤（301）的左端作为第一端口；第一光子晶体光纤（401）的左端作为第二端口；
第二双纤毛细管（102）的轴线和第二透镜（202）的轴线相互重合，且第二双纤毛细管（102）的左端面和第二透镜（202）的右端面为相互配合的斜面；第二双纤毛细管（102）内分别穿设有第二保偏光纤（302）和第二光子晶体光纤（402），且第二保偏光纤（302）位于第二光子晶体光纤（402）的下方；第二保偏光纤（302）的左端面和第二光子晶体光纤（402）的左端面均与第二双纤毛细管（102）的左端面齐平；第二保偏光纤（302）的右端作为第三端口；第二光子晶体光纤（402）的右端作为第四端口；
第一透镜（201）的轴线和第二透镜（202）的轴线相互平行。
2.根据权利要求1所述的一种新型光纤耦合器，其特征在于：所述起偏检偏分光单元包括沿光路从左向右依次设置的第一偏振片（501）、第一分光片（601）、第二分光片（602）、第二偏振片（502）；第一偏振片（501）的轴线、第一分光片（601）的轴线均与第一透镜（201）的轴线重合；第二偏振片（502）的轴线、第二分光片（602）的轴线均与第二透镜（202）的轴线重合。
3.根据权利要求1所述的一种新型光纤耦合器，其特征在于：所述起偏检偏分光单元包括沿光路从左向右依次设置的第一分光片（601）、第一偏振片（501）、第二偏振片（502）、第二分光片（602）；第一分光片（601）的轴线与第一透镜（201）的轴线重合；第二分光片（602）的轴线与第二透镜（202）的轴线重合；第一偏振片（501）和第二偏振片（502）相互贴合，且二者的轴线相互重合。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种新型光纤耦合器，其特征在于：所述第一双纤毛细管（101）采用玻璃制成；所述第二双纤毛细管（102）采用玻璃制成。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种新型光纤耦合器，其特征在于：第一双纤毛细管（101）的右端面和第一透镜（201）的左端面为相互配合的8°斜面；第二双纤毛细管（102）的左端面和第二透镜（202）的右端面为相互配合的8°斜面。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种新型光纤耦合器，其特征在于：所述第一透镜（201）为渐变折射率透镜或球透镜；所述第二透镜（202）为渐变折射率透镜或球透镜；若第一透镜（201）为渐变折射率透镜，则第一保偏光纤（301）的右端、第一光子晶体光纤（401）的右端均位于第一透镜（201）的节点位置；若第一透镜（201）为球透镜，则第一保偏光纤（301）的右端、第一光子晶体光纤（401）的右端均位于第一透镜（201）的焦面处；若第二透镜（202）为渐变折射率透镜，则第二保偏光纤（302）的左端、第二光子晶体光纤（402）的左端均位于第二透镜（202）的节点位置；若第二透镜（202）为球透镜，则第二保偏光纤（302）的左端、第二光子晶体光纤（402）的左端均位于第二透镜（202）的焦面处。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种新型光纤耦合器，其特征在于：所述第一分光片（601）的透过率为90%~99%、反射率为1%~10%；所述第二分光片（602）的透过率为90%~99%、反射率为1%~10%。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种新型光纤耦合器，其特征在于：所述第一保偏光纤（301）可替换为单模光纤或光子晶体光纤；所述第二保偏光纤（302）可替换为单模光纤或光子晶体光纤；所述第一光子晶体光纤（401）可替换为单模光纤或保偏光纤；所述第二光子晶体光纤（402）可替换为单模光纤或保偏光纤。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种新型光纤耦合器，其特征在于：第一端口的位置和第二端口的位置可以互换；若第一端口的位置和第二端口的位置互换，则第三端口的位置和第四端口的位置亦必需互换。
10.根据权利要求1或2或3所述的一种新型光纤耦合器，其特征在于：第一透镜（201）的轴线和第二透镜（202）的轴线之间的距离应保证第二端口入射的光可以进入到第四端口。
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