CN1184945A - 一种全光纤的非互易传输方法与全光纤隔离器 - Google Patents

Abstract

一种全光纤的非互易传输方法及全光纤隔离器,属于光电子技术领域。本发明是用一个光纤模式转换器段和一个不对称双锥光纤段组合来实现的。本全光纤隔离器是由输入单模光纤段、光纤模式转换器段、不对称的双锥光纤段和输出单模光纤段依次连接而成,其中光纤模式转换器段和不对称双锥光纤段的位置可以相互对换。采用本方法制成的全光纤隔离器,由于是全光纤集成,所以结构紧凑、成本低廉、使用方便。

Description

一种全光纤的非互易传输方法与全光纤隔离器

本发明涉及一种全光纤非互易传输的方法与全光纤隔离器，属光电子技术领域。

光隔离器(ISO)是光纤通信与网络技术中许多光学部件(如半导体激光器、光纤放大器等)和传输系统中用来消除光反馈所必不可少的、而且使用量极大的关键功能器件。随着全球光信息网络的飞速发展，已越来越显示出对它的迫切需求和巨大的经济价值。

传统的ISO基于磁光法拉第(Faraday)旋转效应的非互易特性：当线偏振光通过外加磁场的磁光材料时，其偏振面将旋转一个角度： $\mathrm{\θ}=\∫V\stackrel{-}{H}\·d\stackrel{-}{l}$

式中 H为磁场强度矢量，V为材料的Verdet常数。由该式可见，当传播方向d l反转为-d l时，θ在相对于光波的固定参考系中变为-θ，即当出射光反射回再次通过材料时，旋转角将变为2θ。

常规偏振有关光隔离器的结构示意图如图1所示：在偏振方向成45°夹角的两个偏振器11和11′之间置一块磁光晶体12，任意偏振态的单色光从左端入射，经起偏器11后变为X-偏振的线偏振光；再通过外加轴向磁场的磁光晶体12后使其偏振方向旋转45°，并从检偏器11′全部透射。反向传播的光通过磁光晶体12后将沿相同方向再旋转45°变成Y-偏振，恰与起偏器11的偏振方向垂直而被隔离。由于检偏器11′的存在，即使背向反射光去偏振，也不会影响隔离性能。这种光隔离器是偏振相关的。

在许多情况下要求偏振无关光隔离特性，图2是偏振无关光隔离器的结构示意图。其结构与图1基本相同，唯一的差别是用两块楔形双折射晶体21和21′代替常规的偏振器。其工作原理用图3和图4说明。入射光经透镜20准直通过楔形双折射晶体21后分为寻常光和非寻常光，两者再通过磁光晶体22后其偏振面各自旋转45°，第二快楔形双折射晶体21′的切割和取向要使这两束出射光平行于透镜20的轴而聚焦于光纤23的端表面。输出楔形双折射晶体21′将反向传输光分成两束，由于磁光材料法拉第旋转的非互易性，当其通过第一块楔形双折射晶体21后，将分离成一夹角，因而聚焦到输入光纤23端表面之外。

由以上实例看到，常规的光隔离器由磁光材料及多个偏振光学元件手工组装而成，因材料磁光效应的波长及偏振相关性、晶体与光纤的材料不共容性，这种分离元件组合的ISO对装调精度的要求极为苛刻，致使昂贵的ISO商品价格多年来居高不下，而且今后也不可能大幅度降价。

为降低ISO的成本并进一步实现信息传输网络的全光纤化，近十几年来，国内外一直在对新型光纤隔离器进行可行性探索，但技术思路始终没有超脱磁光Faraday效应的限制。研究表明，欲利用石英光纤本身的磁光效应使1550nm波长的光波产生45°的偏振面旋转，则需在3千奥的轴向磁场下用4米长的光纤，这显然是不实际的。为此，将单模光纤绕制成线圈以实现一种结构紧凑的器件。由于光纤弯曲引进线性双折射(Δβ)可能抑制Faraday旋转。为消除线性双折射的影响，采用了图5，图6所示之两种方法。图5所示结构是在平行于光纤线圈31平面方向外加均匀磁场32，则光纤圈内环行的线偏振光受到正弦周期(LH)轴向磁场的作用。在相位匹配条件ΔβLH＝27π下即可实现单纯的非互易旋转。但由于光纤弯曲损耗、相位匹配的波长相关性以及温度和机械的不稳定性，至今报道的最好结果达到20dB隔离度、0.4dB插入损耗和2.5nm带宽，与使用要求相差甚远。图6给出一种改进结构，在扭转光纤圈外加通电螺线管33，利用机械扭转光纤产生的园双折射来抑制弯曲线双折射，通过园双折射光纤圈的线偏振光将产生偏振面的旋转，在通电螺线管产生的光纤圈内轴向恒定磁场作用下，将产生附加的Faraday旋转。但因园双折射引起的旋光效应只是引进固定的旋转角偏置，而且是互易的，就要通过光纤圈外的λ/2-光纤圈调节器34或简单地适当旋转光纤偏振器35来控制。因此，适当设计光纤扭转速度(圈/米)、光纤圈半径及通电电流大小，即可实现45°Faraday旋转。

这类光纤隔离器旨在实现一种全光纤化的结构来取代常规的分离器件，但它只不过是采用光纤(或稀土掺杂光纤)取代磁光晶体，仍需外加很强的磁场；还必须引进光纤偏振器，不可能获得偏振无关特性；尤其难以消除线双折射的影响，隔离度很难做到25dB以上。因此，尽管作了大量的努力，至今仍未取得实质性的技术突破。

本发明的目的是提供一种全光纤的非互易传输方法与全光纤隔离器。

本发明全光纤的非互易传输的方法是用一个光纤模式转换器段和一个不对称双锥光纤段来实现的。

光纤模式转换器段是一段加有折射率微扰的少模光纤，使少模光纤具有模式转换功能，如基模LP₀₁和高阶模LP₀₂或LP₁₁模之间的转换，从而构成光纤模式转换器。微扰的方法有多种，如施加周期性机械压力、在包层到部分纤芯区刻蚀光栅、在纤芯中紫外写入光栅等。

不对称的双锥光纤段由一段少模光纤与一段单模光纤熔结，在焊点处熔融拉锥的双锥光纤段，见图7。在熔锥区随纤芯的收细将产生导模与包层模间的转换。适当设计锥区参量(锥度与锥区长度)，使锥区基模场与单模光纤基模场保持匹配状态以减小连接损耗。如果需要的话，在感兴趣的波长范围同时可具有滤波功能。

本发明全光纤非互易传输方法的工作原理可用图8来说明。从左到右(低损耗，正向)：从输入单模光纤段41输入的基模(LP₀₁)光经光纤模过渡滤波隔离段42，一部分光变为次高阶模(LP₀₂或LP₁₁模)；再经光纤模式转换器段43，当正向相位差θ₊合适时又转换成基模(LP₀₁)并耦合进输出单模光纤段41′然后输出。从右到左(高损耗，反向)：从输出端返回的LP₀₁模通过光纤模式转换器段43后变成LP₀₁模和LP₀₂或LP₁₁模，再经光纤模过渡滤波隔离段42，当反向相位差θ_-＝θ₊-θ＝θ₊-π时，耦合到输入单模光纤段41的LP₀₁模的光几乎为零。图9是本发明器件的归一化正反向输出功率与正向相位差θ₊的关系，其中θ_-＝θ₊-π。从图9可见，只要要适当调节正向相位差θ+的值并使θ_-＝θ₊-π，就能达到较理想的隔离效果。

为了减小光纤模式转换器模式转换特性特别是相位特性对波长的依赖关系，选择适当的少模光纤归一化频率V及光纤结构参数使相位差φ₊，φ_-对波长不敏感。

或适当设计双锥光纤的锥区参量(锥度与锥区长度)使双锥光纤的滤波谱与光纤模式转换器模式转换特性特别是相位对波长的依赖特性曲线反对称，使补偿后相位差φ₊，φ_-对波长不敏感。

本发明全光纤隔离器由输入单模光纤段、光纤模式转换器段、不对称的双锥光纤段和输出单模光纤段依次连接而成，其中光纤模式转换器段和不对称双锥光纤段的位置可以相互对换。

说明附图如下：

图1偏振有关光隔离器结构示意图。

图2偏振无关光隔离器结构示意图。

图3、图4为图2的工作原理图。

图5、图6为现有的两种全光纤隔离器结构示意图。

图7不对称双锥光纤示意图。

图8本发明全光纤非互易传输方法的工作原理图。

图9本发明器件归一化正反向输出功率与正向相位差θ+的关系，其中反向相位差θ_-＝θ₊-π。

图10本发明实施例1中全光纤隔离器结构。

图11本发明实施例2中全光纤隔离器结构。

结合附图说明实施例如下：

实施例1：本实施例是6328nm全光纤隔离器，如图10所示。单模光纤段71和74段采用6328nm单模光纤。少模光纤采用截止波长为1260nm的标准单模通信光纤。当光波波长为6328nm时，少模光纤支持LP₀₁至LP₀₂模的传输。采用光纤光栅技术，在少模光纤中写入光栅构成LP₀₁LP₀₂模式转换器构成模式转换器光纤段73，转换率约50％。光纤模过渡段72是由上述少模光纤和单模光纤拉锥构成特殊成形的双锥光纤耦合器，适当设计锥区参量(锥度与锥区长度)，使少模光纤中基模场与单模光纤基模场保持匹配状态，以减小连接损耗。把各个光纤段用光纤熔接机连接。调节模式转换器光纤段73使反向传输高损耗并用胶固化。

实施例2：本实施例是980nm全光纤光隔离器结构，如图11所示。单模光纤段81和84段采用flexcore单模光纤。少模光纤采用AT & TDC标准单模通信光纤。当光波波长为980nm时，少模光纤支持LP₀₁至LP₁₁模的传输。采用光纤光栅技术，在少模光纤中写入光栅构成LP₀₁LP₁₁模式转换器构成光纤模式转换器段83，转换率约50％。光纤模过渡滤波隔离段82是由上述少模光纤和单模光纤拉锥构成特殊成形的双锥光纤器件，适当设计锥区参量(锥度与锥区长度)，使少模光纤中基模场与单模光纤基模场保持匹配状态，以减小连接损耗，同时具有滤波功能。其滤波功能为：在980nm波段处，几乎没有损耗；而在1558nm波段，损耗约1.8dB。把各个光纤段用光纤熔接机连接。调节模转换光纤段82使反向传输高损耗并用胶固化。该980nm全光纤光隔离器的特点是，只允许980nm的光单向传输，同时可作为掺铒光纤放大器的增益平坦滤波器。

与传统磁光隔离器相比，本发明具有如下优点：

本发明基于非互易传输光纤结构的径向园对称性而构成的偏振无关全光纤隔离器，根本不用磁场。

结构紧凑，可实现全光纤集成。

同时具有“在线”双模干涉器、滤波器和模式过渡器的特点。

只要调节光纤模式转换器段即可方便地改变相移θ。

Claims (4)

1.一种全光纤的非互易传输方法，其特征是用一个光纤模式转换器段和一个不对称双锥光纤段组合来实现的。

2.根据权利要求1所述的全光纤的非互易传输方法，其特征是所述的光纤模式转换器是一段加有折射率微扰的少模光纤。

3.根据权利要求1，2所述的全光纤的非互易传输方法，其特征是所述的不对称双锥光纤段是一段少模光纤与一段单模光纤熔结，在焊点处熔融拉锥的双锥光纤段。

4.一种全光纤隔离器，其特征是由输入单模光纤段、光纤模式转换器段、不对称的双锥光纤段和输出单模光纤段依次连接而成，其中所述的光纤模式转换器段和不对称双锥光纤段的位置可以相互对换。

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