CN113589439B - 一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜、方法和光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜、方法和光系统，Sagnac全反镜包括具有锥形耦合器的双芯光纤，所述双芯光纤包括对称分布在光纤中性轴两侧的第一纤芯和第二纤芯；在所述两根纤芯之间的包层中具有一U型光波导，所述U型光波导的开口部朝向所述锥形耦合器；所述锥形耦合器为3dB耦合器。本发明不仅具有单模光纤构成Sagnac全反镜的特点(即实现全反功能)，无需其他分立器件，并且由于双芯光纤与单模光纤相比，具有“实现功能器件的纤维集成化、体积小、便于与其他功能器件集成、稳定性高”的特点，因此实现了Sagnac全反镜的小型化、集成化。

Description

一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜、方法和光系统

技术领域

本发明涉及光纤领域，尤其涉及一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜、方法和光 系统。

背景技术

Sagnac全反镜一种新颖的全光纤器件，在众多应用中受到了广泛的关注。Sagnac提出 Sagnac效应并进行了一系列实验之后，人们在其基础上制作了光纤Sagnac环。入射光经光耦 合器后分成两束后各自在环中绕一周后仍在光纤耦合器处相遇并发生干涉。相向传输的两束 光是被透射还是被反射，由它们的相对相位决定。如果采用3dB耦合器，入射光将被全部反 射，此时Sagnac环相当于一个全反镜。传统的Sagnac环多用于制作光纤陀螺，随着光纤技 术的发展，光纤Sagnac环越来越多的被应用到其他领域中，如光纤声传感器、梳状滤波器、 光纤全反镜等。近年来，许多学者通过改变Sagnac环的结构或嵌入其他介质，使其应用更加 广泛。

传统的Sagnac环镜结构如图1所示，采用3dB耦合器与单模光纤构成，耦合器的两个输 出端口连接在一起形成闭环，入射光从Sagnac干涉仪的一个端口输入，经过耦合器后分成两 束相干光，分别沿顺时针和逆时针方向传输，它们经过环路的传播后返回耦合器，相干叠加 后再从耦合器输入侧的两个端口分别输出，反向传输两束光的相位差决定了反射光和透射光 的强度。(V.Vali,R.W.Shorthill."Fiber ring interferometer,"AppliedOptics,1976,15(5):1099.)。 但是传统的Sagnac环镜结构采用分立器件，即一个2*2的3dB光耦合器，并利用普通单模光 纤形成环腔，总体来说具有体积较大、元件分离、稳定性差等缺点。廖莎莎等人采用Sagnac 环结构，提出了一种基于绝缘体上硅的高反射率、低温度敏感性的片上光反镜方案。(廖莎 莎,张甜甜,包航,刘继伟,廖希."高反射率、低温度敏感性的片上光反射镜,"光学学 报,2021,41(04):195-202.)。但是该方案采用硅基制备，成本较高，难以实际应用。

同时，现有技术中只采用单模光纤，并且在传播过程中偏振态不发生改变(可以采用保 偏光纤或者光纤偏振控制器)。并且，假设功率非常低，以至于非线性效应(尤其是克尔效 应)可以忽略。另外，假设光纤中没有光强损耗，并且光纤耦合器的功率分离比为50:50(即， 3-dB耦合器)。在这种情况下，干涉条件使所有输入的光重新返回到入射端口。这表明此时 光纤环反射镜是一个很理想的反射器，工作在很大的波长范围内，并且在任意偏振态的情况。 光纤环的长度对结果也没有影响。同样的，光纤环中的环境效应，例如温度改变，不会有影 响，因为它不能影响偏振态。但是，当采用单模光纤做Sagnac全反镜时，由于单模光纤自身 的体积较大，在一些情况会出现安装不方便、以及与其他部件集成不好的问题。

双芯光纤是一种具有特殊折射率分布的特种光纤，它突破了常规光纤的折射率分布结构， 在同一根光纤中排布了两根相互平行的纤芯，既可以作为光传输介质，又可构造新的光器件。 20世纪60年代初期，就有学者研究光在两个平行波导间的能量耦合。1980年，双芯光纤的 实验验证使耦合模理论得到重大突破。1981年，研究人员利用双芯光纤对弯曲波导耦合特性 的测量以及耦合系数与弯曲半径间的关系，设计出光纤型光方向耦合开关。80年代末，研究 人员利用双芯光纤对波长和偏振态的选择性以及光谱特性，把双芯光纤初步应用于光传感器 件，包括温度、应力和位移的测量。随后双芯光纤的非线性效应也被研究，用于实现被动锁 模器件和超快速全光开关。基于双芯光纤制作的光纤器件，具有器件尺寸易精确控制、耦合 区机械应力小、更加紧凑稳定和不易受外界影响等优点，在光传感和光通信等多个领域得到 了广泛的应用，主要体现在光纤滤波器、光干涉仪、光连接器、光纤放大器、光分插复用器、 光纤开关、光学镊子和光纤传感器等方面。因此研究双芯光纤具有重要的理论和实际意义， 随着研究的深入必将会给光纤通信和光纤传感带来新的突破。

双芯光纤与单模光纤相比，天生就具有“实现功能器件的纤维集成化，体积小，便于与其 他功能器件集成，稳定性高”的特性，但是双芯光纤并没有用于实现Sagnac全反镜的先例。

因此在现有技术中，以双芯光纤的结构制作出来的Sagnac全反镜、方法和光系统，属于 本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反 镜、方法和光系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的第一方面，提供一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜，包括具有锥形耦 合器的双芯光纤，所述双芯光纤包括对称分布在光纤中性轴两侧的第一纤芯和第二纤芯；在 所述两根纤芯之间的包层中具有一U型光波导，所述U型光波导的开口部朝向所述锥形耦合 器，所述锥形耦合器为3dB耦合器。

进一步地，所述两根纤芯的非锥形耦合器部分均相互平行。

进一步地，所述U型光波导的波导部包括第一直线波导件、第二直线波导件和弯曲连接 件，所述弯曲连接件将第一直线波导件和第二直线波导件连接，所述第一直线波导件和第二 直线波导件平行，所述U型光波导与纤芯处于同一平面。

进一步地，通过调节第一直线波导件的耦合长度、第二直线波导件的耦合长度、第一直 线波导件到纤芯的距离、第二直线波导件到纤芯的距离，调节纤芯与U型光波导的耦合效率。

本发明的第二方面，提供一种所述的基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜的使用方法， 包括以下步骤：

从第一纤芯输入的光信号，经过锥形耦合器后从A1端口和A2端口输出，所述A1端口 为锥形耦合器靠近U型光波导侧的一端，所述A2端口为锥形耦合器靠近U型光波导侧的另 一端，所述A1端口位于第一纤芯上，所述A2端口位于第二纤芯上；

从A1端口输出的光信号临近B1端口时，能量在第一纤芯与U型光波导之间发生转移， 使光信号耦合入U型光波导，经过U型光波导后，能量在U型光波导与第二纤芯之间发生转移，进而光信号耦合回第二纤芯中；同样的，从A2端口输出的光信号临近B2端口时，能 量在第二纤芯与U型光波导之间发生转移，使光信号耦合入U型光波导，经过U型光波导 后，能量在U型光波导与第一纤芯之间发生转移，进而光信号耦合回第一纤芯中；所述B1 端口为U型光波导靠近第一纤芯的耦合端，所述B2端口为U型光波导靠近第二纤芯的耦合 端；

经过U型光波导相向传输的两束光经过锥形耦合器后，将从第一纤芯全部反射出去。

本发明的第三方面，提供一种光系统，包括：

基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜；

单模光纤，设置于锥形耦合器远离U型光波导的一侧，与其中一根纤芯连接；

光环形器，其中一个端口与所述单模光纤连接。

本发明的第四方面，提供一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜的制备方法，包括 以下步骤：

采用熔融拉锥的方式在双芯光纤上构造一个锥形耦合器，所述双芯光纤包括对称分布在 光纤中性轴两侧的第一纤芯和第二纤芯，所述锥形耦合器为3dB耦合器；

利用飞秒激光微加工技术，在两个纤芯之间的包层中写入一段U型光波导，所述U型光 波导的开口部朝向所述锥形耦合器。

进一步地，所述两根纤芯的非锥形耦合器部分均相互平行。

进一步地，所述U型光波导的波导部包括第一直线波导件、第二直线波导件和弯曲连接 件，所述弯曲连接件将第一直线波导件和第二直线波导件连接，所述第一直线波导件和第二 直线波导件平行，所述U型光波导与纤芯处于同一平面。

进一步地，通过在写入一段U型光波导的过程中，调节第一直线波导件的耦合长度、第 二直线波导件的耦合长度、第一直线波导件到纤芯的距离、第二直线波导件到纤芯的距离， 调节纤芯与U型光波导的耦合效率。

本发明的有益效果是：

(1)在本发明的一示例性实施例中，采用双芯光纤构造的Sagnac全反镜，不仅具有单 模光纤构成Sagnac全反镜的特点(即实现全反功能)，无需其他分立器件，并且由于双芯光 纤与单模光纤相比，具有“实现功能器件的纤维集成化、体积小、便于与其他功能器件集成、 稳定性高”的特点，因此实现了Sagnac全反镜的小型化、集成化。

也就是说，利用Sagnac结构实现输入信号的全反射，不对输入信号的光谱进行改变(即 不会产生干涉谱)；并且在本示例性实施例的Sagnac结构中，在光波导的协助下，双芯光纤 的两个纤芯形成了一个环腔。也就是说，经3dB耦合器(需要额外说明的是，当锥形耦合器 为3dB耦合器时，功率分离比可以达到50:50)输出的两路信号将在环腔中反向传输，但两 路信号经历的传输路径相同。

对应的使用方法、光系统、制备方法和制备设备也具有相同的优点。

(2)而在本发明的又一示例性实施例中，为了使耦合的效果更好，也即是进一步提高光 信号在纤芯与U型光波导之间实现信号能量的转移效果，将U型光波导设置为与纤芯处于同 一平面。

(3)而在本发明的又一示例性实施例中，当优化包括第一直线波导件的耦合长度、第二 直线波导件的耦合长度、第一直线波导件到纤芯的距离、第二直线波导件到纤芯的距离在内 的结构参数后，不仅调节纤芯与U型光波导的耦合效率，还可以实现光信号在纤芯与U型光 波导之间实现信号能量的在预设百分比的转移。

附图说明

图1为现有技术中Sagnac全反镜的结构示意图；

图2为本发明一示例性实施例中的Sagnac全反镜的结构示意图；

图3为本发明一示例性实施例中的U型光波导的结构示意图；

图4为本发明又一示例性实施例中的光系统结构示意图；

图5为本发明一示例性实施例中的Sagnac全反镜的制备方法流程图；

图中，1-双芯光纤，2-锥形耦合器，3-纤芯，301-第一纤芯，302-第二纤芯，4-U型光波 导，401-开口部，402-波导部，40201-第一直线波导件，40202-第二直线波导件，40203-弯曲 连接件，5-单模光纤，6-光环形器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明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 没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水 平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于 描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定 的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、 “连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以 是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两 个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申 请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除 非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多 个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信 息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申 请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信 息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响 应于确定”。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要 性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突 就可以相互结合。

其中，现有技术的Sagnac全反镜只采用单模光纤，并且在传播过程中偏振态不发生改变 (可以采用保偏光纤或者光纤偏振控制器)。并且，假设功率非常低，以至于非线性效应(尤 其是克尔效应)可以忽略。另外，假设光纤中没有光强损耗，并且光纤耦合器的功率分离比 为50:50(即，3-dB耦合器)。在这种情况下，干涉条件使所有输入的光重新返回到入射端 口。这表明此时光纤环反射镜是一个很理想的反射器，工作在很大的波长范围内，并且在任 意偏振态的情况。光纤环的长度对结果也没有影响。同样的，光纤环中的环境效应，例如温 度改变，不会有影响，因为它不能影响偏振态。但是，当采用单模光纤做Sagnac全反镜时， 由于单模光纤自身的体积较大，在一些情况会出现安装不方便、以及与其他部件集成不好的 问题。

双芯光纤是一种具有特殊折射率分布的特种光纤，它突破了常规光纤的折射率分布结构， 在同一根光纤中排布了两根相互平行的纤芯，既可以作为光传输介质，又可构造新的光器件。 双芯光纤与单模光纤相比，天生就具有“实现功能器件的纤维集成化，体积小，便于与其他功 能器件集成，稳定性高”的特性，但是双芯光纤并没有用于实现Sagnac全反镜的先例。

因此在下述示例性实施例中，解决了本领域亟待解决的问题，提供了以双芯光纤的结构 制作出来的Sagnac全反镜、方法和光系统。

参见图2，图2示出了本发明一示例性实施例提供的一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac 全反镜，包括具有锥形耦合器2的双芯光纤1，所述双芯光纤1包括对称分布在光纤中性轴 两侧的第一纤芯301和第二纤芯302；在所述两根纤芯3之间的包层中具有一U型光波导4， 所述U型光波导4的开口部401朝向所述锥形耦合器2，所述锥形耦合器2为3dB耦合器。

为方便说明，在如图2所示的Sagnac全反镜中，以双芯光纤1的方向为x轴(正方向为 锥形耦合器2到U型光波导4)，以另外两个垂直方向为y方向和z方向。另外，双芯光纤 1中的两根纤芯3分别为第一纤芯301和第二纤芯302。

另外需要说明的是，双芯光纤1在包层中存在两个纤芯3，属于特种光纤；从光波导的 物理结构出发，双芯光纤1主要分为同轴双芯光纤和非同轴双芯光纤。其中，同轴双芯光纤， 也称作双包层光纤或双环芯光纤，即包层中的两个纤芯3在以包层圆心为轴线的同一轴线上， 表现为内外两个纤芯3的结构。而本示例性实施例采用的是非同轴式的双芯光纤1，非同轴 双芯光纤为在一个在包层中存在两个独立纤芯3的光纤。

另外，非同轴双芯光纤可分为轴对称(相对于光纤包层的圆心)的非同轴双芯光纤和轴偏 移的非同轴双芯光纤。轴偏移的非同轴双芯光纤的两个纤芯3仍是平行芯，但是两个纤芯3 的对称轴向光纤一侧偏移。典型的例如可以使其中一个纤芯3正好位于整个双芯光纤1的中 轴上。而在本示例性实施例中和附图中采用的是轴对称的非同轴对称双芯光纤，即两个纤芯 3对称于U型光波导4中心。

同时，所选用的双芯光纤1为单模双芯光纤，两个纤芯3均只支持基模信号传输，采用 飞秒激光直写的U型光波导4也仅支持基模信号传输。

具体地，当采用本示例性实施例中的Sagnac全反镜时，从第一纤芯301输入的光信号， 经过锥形耦合器2后从A1端口和A2端口输出(当采用3dB耦合器时，为等分输出)，所述A1端口为锥形耦合器2靠近U型光波导4侧的一端，所述A2端口为锥形耦合器2靠近U型 光波导4侧的另一端，所述A1端口位于第一纤芯301上，所述A2端口位于第二纤芯302上；

从A1端口输出的光信号临近B1端口时，能量在第一纤芯301与U型光波导4之间发生 转移，使光信号耦合入U型光波导4，经过U型光波导4后，能量在U型光波导4与第二纤 芯302之间发生转移，进而光信号耦合回第二纤芯302中；同样的，从A2端口输出的光信 号临近B2端口时，能量在第二纤芯302与U型光波导4之间发生转移，使光信号耦合入U 型光波导4，经过U型光波导后4，能量在U型光波导4与第一纤芯301之间发生转移，进 而光信号耦合回第一纤芯301中；所述B1端口为U型光波导4靠近第一纤芯301的耦合端， 所述B2端口为U型光波导4靠近第二纤芯302的耦合端；

经过U型光波导4相向传输的两束光经过锥形耦合器2后，将从第一纤芯301全部反射 出去。

因此，当采用本示例性实施例的采用双芯光纤构造的Sagnac全反镜，将光路和光器件微 缩集成到一根光纤中，不仅具有单模光纤构成Sagnac全反镜的特点(即实现全反功能)，无 需其他分立器件(即图1中的耦合器)，并且由于双芯光纤与单模光纤相比，具有“实现功能 器件的纤维集成化、体积小、便于与其他功能器件集成、稳定性高”的特点，因此实现了Sagnac 全反镜的小型化、集成化。其中，只需要单根双芯光纤即可实现Sagnac全反镜的方案：锥形 耦合器通过对双芯光纤拉锥实现；而Sagnac的环腔结构通过在两个纤芯之间利用飞秒激光写 入波导结构实现。

需要说明的是，与Michelson干涉仪相比：(1)本示例性实施例的Sagnac全反镜的目的 是利用Sagnac结构实现输入信号的全反射，不对输入信号的光谱进行改变(即不会产生干涉 谱)，与现有技术中利用双芯保偏光纤构造Michelson干涉仪结构的目的并不相同(目的是 产生干涉信号，其光谱特定为周期性的干涉谱)。(2)并且在本示例性实施例的Sagnac结 构中，在光波导的协助下，双芯光纤的两个纤芯形成了一个环腔。也就是说，经3dB耦合器 (需要额外说明的是，当锥形耦合器2为3dB耦合器时，功率分离比可以达到50:50)输出 的两路信号将在环腔中反向传输，但两路信号经历的传输路径相同。而现有技术中的 Michelson干涉仪是利用两臂(这里是双芯光纤的两个纤芯)的反射信号产生干涉，两个反射 信号只在本纤芯中传输。也就是说，两个参与干涉的反射信号具有不同的传输路径。

更优地，在一示例性实施例中，如图2所示，所述两根纤芯3的非锥形耦合器2部分均 相互平行。

更优地，基于上述示例性实施例，在又一示例性实施例中，如图3所示，所述U型光波 导4的波导部402包括第一直线波导件40201、第二直线波导件40202和弯曲连接件40203， 所述弯曲连接件40203将第一直线波导件40201和第二直线波导件40202连接，所述第一直 线波导件40201和第二直线波导件40202平行，所述U型光波导4与纤芯3处于同一平面。

具体地，如图3所示，整个U型光波导4包括开口部401和波导部402，第一直线波导件40201为与第一纤芯301靠近的一边，而第二直线波导件40202为与第二纤芯302靠近的一边。

在该示例性实施例中，为了使耦合的效果更好，也即是进一步提高光信号在纤芯3与U 型光波导4之间实现信号能量的转移效果，将U型光波导4设置为与纤芯3处于同一平面。

更优地，基于上述示例性实施例，在又一示例性实施例中，通过调节第一直线波导件40201 的耦合长度、第二直线波导件40202的耦合长度、第一直线波导件40201到纤芯3的距离、 第二直线波导件40202到纤芯3的距离，调节纤芯3与U型光波导4的耦合效率。

具体地，在该示例性实施例中，当优化包括第一直线波导件40201的耦合长度(图3中 示意为L)、第二直线波导件40202的耦合长度、第一直线波导件40201到纤芯3的距离(图3中示意为d)、第二直线波导件40202到纤芯3的距离在内的结构参数后，不仅调节纤芯3 与U型光波导4的耦合效率(调节每个纤芯3与U型光波导4的耦合效率)，还可以实现光 信号在纤芯3与U型光波导4之间实现信号能量的在预设百分比的转移，其中只要两个耦合 区的耦合效率一致，不是100％转移也可以实现全反镜。

具体地，当采用图2和图3中所示的U型光波导4，双芯光纤1的纤芯3直径为9μm， 包层直径为125μm，纤芯3间距为43μm；如图1所示，纤芯3与U型光波导波导4之间的 间距d＝12μm，纤芯3与U型光波导4之间的耦合长度L＝16.88mm。

由于具有相同的发明构思，基于上述任一Sagnac全反镜的示例性实施例，本发明的又一 示例性实施例中提供一种所述的基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜的使用方法，包括以 下步骤：

从A1端口输出的光信号临近B1端口时，能量在第一纤芯301与U型光波导4之间发生 转移，使光信号耦合入U型光波导4，经过U型光波导4后，能量在U型光波导4与第二纤 芯302之间发生转移，进而光信号耦合回第二纤芯302中；同样的，从A2端口输出的光信 号临近B2端口时，能量在第二纤芯302与U型光波导4之间发生转移，使光信号耦合入U 型光波导4，经过U型光波导后4，能量在U型光波导4与第一纤芯301之间发生转移，进 而光信号耦合回第一纤芯301中；所述B1端口为U型光波导4靠近第一纤芯301的耦合端， 所述B2端口为U型光波导4靠近第二纤芯302的耦合端；

经过U型光波导4相向传输的两束光经过锥形耦合器2后，将从第一纤芯301全部反射 出去。

由于该内容在对Sagnac全反镜的一示例性实施例的阐述过程中已经进行了说明，因此在 此不进行赘述。

由于具有相同的发明构思，基于上述任一Sagnac全反镜的示例性实施例，本发明的又一 示例性实施例中提供一种光系统，包括：

基于双芯光纤1的纤维集成Sagnac全反镜；

单模光纤5，设置于锥形耦合器2远离U型光波导4的一侧，与其中一根纤芯3连接；

光环形器6，其中一个端口与所述单模光纤5连接。

具体地，如图4所示，从光环形器6的1号端口输入的光信号，从光环形器6的2号端口输出，然后通过单模光纤5沿x轴正方向从第一纤芯301进入基于双芯光纤1的Sagnac全反镜中，光信号经过Sagnac全反镜后的反射后，沿着x轴反方向从第一纤芯301反射回来。接着，从第一纤芯301反射回来的光信号经过单模光纤后从光环形器6的2号端口输入，经过光环形器6后，从光环形器6的3号端口输出。

具体的，在本示例性实施例中，第一纤芯301和第二纤芯302都可作为输入及反射端口， 当单模光纤5与双芯光纤1的第一纤芯301熔接时，第一纤芯301作为输入及反射端口，反 射信号从第一纤芯301提取，此时的第二纤芯302没有返射信号；相应地，当单模光纤5与 双芯光纤1的第二纤芯302熔接时，第二纤芯302作为输入及反射端口，反射信号从第二纤 芯302提取。

另外，单模光纤5与双芯光纤1的熔接利用熔接机制备，利用熔接机的手动模式将单模 光纤5与双芯光纤1的其中一个纤芯3进行对芯熔接。

由于前述示例性实施例的Sagnac全反镜采用双芯光纤构造，因此使用Sagnac全反镜的 光系统，不仅具有单模光纤构成Sagnac全反镜的特点(即实现全反功能)，而且方便与其他 功能器件集成、且稳定性高，达到减小光系统体积的目的，满足一定要求。

在其中一示例性实施例中，以Sagnac全反镜的光系统具有非常广泛应用，它的其中一类 重要应用是制作光纤陀螺。光纤陀螺是以效应为基本原理，随着光纤技术迅速发展而出现的 一种新型光纤旋转传感器。由于它的相位调制传感方式具有极高灵敏度以及精巧和高机械强 度的实用性，它己成为航天、航空、航海等诸多领域中最具有发展前景的惯性部件。过去的 陀螺主要属机械型，其工作原理是带有转动轮或转动球所产生的大角度惯量测量。而近几年 出现的光纤陀螺可将旋转传感器的灵敏度提高了几个数量级，展现出极大的开发潜力。光纤 陀螺与传统的机械陀螺相比较具有以下优点：没有运动部件，不存在磨损，因此寿命长，启 动快构造简单，可靠性高耗电小动态范围宽等。而在又一示例性实施例中，以Sagnac全反镜 的光系统的另一个重要应用是用于构造光纤滤波器；针对不同的应用有多种构造方案。

无论光系统是上述哪种的应用，或者其他的应用，都具有减小体积、方便与其他功能器 件集成、且稳定性高的功能。

本发明的又一示例性实施例提供一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜的制备方 法，如图5所示，包括以下步骤：

采用熔融拉锥的方式在双芯光纤1上构造一个锥形耦合器2，所述双芯光纤1包括对称 分布在光纤中性轴两侧的第一纤芯301和第二纤芯302，所述锥形耦合器为3dB耦合器；

利用飞秒激光微加工技术，在两个纤芯3之间的包层中写入一段U型光波导4，所述U 型光波导4的开口部朝向所述锥形耦合器2。

其中需要说明的是，熔接器为公知的光纤熔接技术，工作原理是利用高压电弧将两光纤 断面熔化的同时用高精度运动机构平缓推进让两根光纤融合成一根，以实现光纤模场的耦合。 在本示例性实施例中，所述锥形耦合器2(优选为3dB耦合器)通过熔融拉锥方式制备。制 备过程中，需将双芯光纤1靠近熔接点一定距离的位置剥离1cm左右的涂覆层，然后将裸纤 部分对准火头位置在光纤拉锥机夹具上进行熔融拉锥，同时通过监测拉锥过程中直通端光功 率变化来判断双芯光纤1两个纤芯3的耦合程度，当直通端光功率下降到接近初始值一半时 停止拉锥。

而另外，飞秒激光微加工技术也为公知技术，其基于能量高度集中、热影响区小、无飞 溅无熔渣、不需特殊的气体环境、无后续工艺、双光子聚合加工精度可达0.7um等优势，飞 秒激光在诱导金属微结构加工应用方面和精细加工方面都取得了很大的进展。在本示例性实 施例中，飞秒激光脉冲中心波长为1550nm，脉冲持续时间为35fs，重复频率为5kHz。 在飞秒激光脉冲聚焦到双芯光纤1的纤芯3和包层之间的界面位置之前，将光纤1放置三维 位移平台上。在U型光波导4写入过程中，飞秒激光脉冲能量调整为500nJ，双芯光纤1的 整体平移速度设置为10μm/s。

具体地，当采用本示例性实施例中制备的Sagnac全反镜时，从第一纤芯301输入的光信 号，经过锥形耦合器2后从A1端口和A2端口输出，所述A1端口为锥形耦合器2靠近U型光波导4侧的一端，所述A2端口为锥形耦合器2靠近U型光波导4侧的另一端，所述A1 端口位于第一纤芯301上，所述A2端口位于第二纤芯302上；

从A1端口输出的光信号临近B1端口时，能量在第一纤芯301与U型光波导4之间发生 转移，使光信号耦合入U型光波导4，经过U型光波导4后，能量在U型光波导4与第二纤 芯302之间发生转移，进而光信号耦合回第二纤芯302中；同样的，从A2端口输出的光信 号临近B2端口时，能量在第二纤芯302与U型光波导4之间发生转移，使光信号耦合入U 型光波导4，经过U型光波导后4，能量在U型光波导4与第一纤芯301之间发生转移，进 而光信号耦合回第一纤芯301中；所述B1端口为U型光波导4靠近第一纤芯301的耦合端， 所述B2端口为U型光波导4靠近第二纤芯302的耦合端；

经过U型光波导4相向传输的两束光经过锥形耦合器2后，将从第一纤芯301全部反射 回来。

该示例性实施例中的作用与所述Sagnac全反镜的示例性实施例的发明构思相同，因此不 进行赘述。

更优地，在一示例性实施例中，所述两根纤芯3的非锥形耦合器2部分均相互平行。

更优地，在一示例性实施例中，所述U型光波导4的波导部402包括第一直线波导件40201、第二直线波导件40202和弯曲连接件40203，所述弯曲连接件40203将第一直线波导件40201和第二直线波导件40202连接，所述第一直线波导件40201和第二直线波导件40202平行，所述U型光波导4与纤芯3处于同一平面。

更优地，在一示例性实施例中，通过在写入一段U型光波导4的过程中，调节第一直线 波导件40201的耦合长度、第二直线波导件40202的耦合长度、第一直线波导件40201到纤 芯3的距离、第二直线波导件40202到纤芯3的距离，调节纤芯3与U型光波导4的耦合效率。

本发明的又一示例性实施例提供一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜的制备装 置，包括：

熔接器，用于采用熔融拉锥的方式在双芯光纤1上构造一个锥形耦合器2，所述双芯光 纤1包括对称分布在光纤中性轴两侧的第一纤芯301和第二纤芯302，所述锥形耦合器为3dB 耦合器；

飞秒激光微加工装置，用于在两个纤芯3之间的包层中写入一段U型光波导4，所述U 型光波导4的开口部朝向所述锥形耦合器2。

其中需要说明的是，该示例性实施例中的作用与所述Sagnac全反镜的示例性实施例的发 明构思相同，因此不进行赘述。

更优地，在一示例性实施例中，所述两根纤芯3的非锥形耦合器2部分均相互平行。

更优地，在一示例性实施例中，所述U型光波导4的波导部402包括第一直线波导件40201、第二直线波导件40202和弯曲连接件40203，所述弯曲连接件40203将第一直线波导件40201和第二直线波导件40202连接，所述第一直线波导件40201和第二直线波导件40202平行，所述U型光波导4与纤芯3处于同一平面。

更优地，在一示例性实施例中，通过在写入一段U型光波导4的过程中，调节第一直线 波导件40201的耦合长度、第二直线波导件40202的耦合长度、第一直线波导件40201到纤 芯3的距离、第二直线波导件40202到纤芯3的距离，调节纤芯3与U型光波导4的耦合效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所 属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。 这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处 于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜，其特征在于：包括具有锥形耦合器的双芯光纤，所述双芯光纤包括对称分布在光纤中性轴两侧的第一纤芯和第二纤芯；在所述两根纤芯之间的包层中具有一U型光波导，所述U型光波导的开口部朝向所述锥形耦合器；所述锥形耦合器为3dB耦合器。

2.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜，其特征在于：所述两根纤芯的非锥形耦合器部分均相互平行。

3.根据权利要求2所述的一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜，其特征在于：所述U型光波导的波导部包括第一直线波导件、第二直线波导件和弯曲连接件，所述弯曲连接件将第一直线波导件和第二直线波导件连接，所述第一直线波导件和第二直线波导件平行，所述U型光波导与纤芯处于同一平面。

4.根据权利要求3所述的一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜，其特征在于：通过调节第一直线波导件的耦合长度、第二直线波导件的耦合长度、第一直线波导件到纤芯的距离、第二直线波导件到纤芯的距离，调节纤芯与U型光波导的耦合效率。

5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

从第一纤芯输入的光信号，经过锥形耦合器后从A1端口和A2端口输出，所述A1端口为锥形耦合器靠近U型光波导侧的一端，所述A2端口为锥形耦合器靠近U型光波导侧的另一端，所述A1端口位于第一纤芯上，所述A2端口位于第二纤芯上；

从A1端口输出的光信号临近B1端口时，能量在第一纤芯与U型光波导之间发生转移，使光信号耦合入U型光波导，经过U型光波导后，能量在U型光波导与第二纤芯之间发生转移，进而光信号耦合回第二纤芯中；同样的，从A2端口输出的光信号临近B2端口时，能量在第二纤芯与U型光波导之间发生转移，使光信号耦合入U型光波导，经过U型光波导后，能量在U型光波导与第一纤芯之间发生转移，进而光信号耦合回第一纤芯中；所述B1端口为U型光波导靠近第一纤芯的耦合端，所述B2端口为U型光波导靠近第二纤芯的耦合端；

经过U型光波导相向传输的两束光经过锥形耦合器后，将从第一纤芯全部反射出去。

6.一种光系统，其特征在于：包括：

如权利要求1～4中任意一项所述的基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜；

单模光纤，设置于锥形耦合器远离U型光波导的一侧，与其中一根纤芯连接；

光环形器，其中一个端口与所述单模光纤连接。

7.一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

采用熔融拉锥的方式在双芯光纤上构造一个锥形耦合器，所述双芯光纤包括对称分布在光纤中性轴两侧的第一纤芯和第二纤芯，所述锥形耦合器为3dB耦合器；

利用飞秒激光微加工技术，在两个纤芯之间的包层中写入一段U型光波导，所述U型光波导的开口部朝向所述锥形耦合器。

8.根据权利要求7所述的一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜制备方法，其特征在于：所述两根纤芯的非锥形耦合器部分均相互平行。

9.根据权利要求8所述的一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜制备方法，其特征在于：所述U型光波导的波导部包括第一直线波导件、第二直线波导件和弯曲连接件，所述弯曲连接件将第一直线波导件和第二直线波导件连接，所述第一直线波导件和第二直线波导件平行，所述U型光波导与纤芯处于同一平面。

10.根据权利要求9所述的一种基于双芯光纤的纤维集成Sagnac全反镜制备方法，其特征在于：通过在写入一段U型光波导的过程中，调节第一直线波导件的耦合长度、第二直线波导件的耦合长度、第一直线波导件到纤芯的距离、第二直线波导件到纤芯的距离，调节纤芯与U型光波导的耦合效率。

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