CN202583516U - 基于双芯光纤的上下话路器 - Google Patents

Abstract

基于双芯光纤的上下话路器，涉及一种光上下话路器，适用于光通信领域。解决了目前的光上下话路器面临结构复杂、体积大、制作难度大、成本高、插入损耗大，不同波长信道的隔离度差的问题。该上下话路器包括双芯光纤，其中双芯光纤包括第一光敏纤芯(41)和第二光敏纤芯(42)，分别刻写在第一光敏纤芯(41)和第二光敏纤芯(42)上的第一闪耀光纤光栅(51)和第二闪耀光纤光栅(52)。第一光敏纤芯(41)的左端为1端口(1)，右端为4端口(4)；第二光敏纤芯(42)的左端为3端口(3)，右端为2端口(2)。1端口(1)为下话路输入端口，2端口(2)为下话路输出端口，3端口(3)为上话路输入端口，4端口(4)为上话路输出端口。

Description

基于双芯光纤的上下话路器

技术领域

本实用新型涉及一种上下话路器，适用于光纤通信、波分复用、光器件领域。

背景技术

以光通信为主要手段的骨干网中信息容量越来越大，各类相关光器件的性能也大大提升，而且成本在进一步降低。波分复用技术的引入对光通信系统容量有质的提升，但同时对多波长的复用信号的处理也存在一定难度，首先需要解决的问题就是将所需波长的光信号从复用信号中分离出来，经过一定的处理，或是直接将另外的相同波长光信号加载到原有复用信号的光路中。这个工作的完成需要用到上下话路器，也被称为分插复用器，其工作原理就是基于分离不同波长信号的波分复用器。

技术的不断进步，必然导致器件性能的提升，成本下降，目前的波分复用器主要分为滤波器型、衍射光栅型、耦合器型和阵列波导光栅型。

基于滤波器的波分复用器，主要技术在于滤波器的制作，以介质薄膜为例，需要将多层折射率高低相间的薄层叠加在一起，压制成对波长有选择性的介质薄膜。这种滤波器的插入损耗很低，波长选择的平坦性也较好，但是薄膜的制作技术难度大，而且当波长数量增大时，滤波的性能会严重下降，只适用于波长较少的场合。相应的中国专利申请200410009560.X、03157491.2、201020648154.9、02147781.7、01244701.3、201020689830.7、02105865.2中所用到的就是基于波长选择的介质薄膜。

基于衍射光栅的波分复用器的优点在于波长选择性优良，相邻波长的间隔很小，提升了波分复用的密集度。但其中的衍射光栅的制作难度大，成本高，透镜及衍射光栅角度的调整难度大，整个器件体积也很大，与光纤的耦合存在困难，不利于集成。相应的中国专利申请02137411.2、02265236.1、02137326.4、02264878.X、02112346.2、02260525.8、02159350.7、03150925.8中用到的关键器件即为衍射光栅。

基于耦合器的波分复用器，多数采用熔融拉锥的方法实现波长的分离与整合，由于光纤耦合器技术已经相当成熟，以这种方法制作的波分复用器的稳定性优良，带宽较宽，技术的成熟使其制作过程简单，但其最大的问题在于对于合波过程的插入损耗过大，这个问题是耦合器的结构决定的，无法改变。相应的中国专利申请200920126810.6所用到的结构为耦合器方式的波分复用器。

基于阵列波导光栅的波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导器件，主要的制作技术是在硅基上沉积一层二氧化硅，以光刻技术生成所需要的图案。这种技术十分有利于多波段、多通道的复用器，而且体积较小，但对温度过于敏感，而且通带内的平坦度差。相应的中国专利申请201110148539.8、201110127256.5、03143432.0、99119420.9、200510050515.3、03102310.X、03125303.2、200720113050.6、00119305.8、200480030218.6、00136297.6、201110353298.0所用到的结构为阵列波导光栅。

基于以上四类波分复用器的上下话路器所面临的问题与其各自组成结构中波分复用器的固有问题一致，并难以通过采取组合的不同来实现相应缺点的改善。单从所提及专利数量来看，基于阵列波导光栅的波分复用器最多，原因之一在于其结构相比其它几类波分复用器更灵活，结构的些许改变就能够产生一种新颖的结构。还有就是作为一种较新的结构类型，也更多的引起研究者的兴趣，这也正说明了当前阵列波导光栅存在的问题，以及解决的方法更加多样化。

相比较而言，基于耦合器结构的波分复用器单从专利数量来看，远少于其它三类，原因之一为耦合器的结构简单，实质性的改进措施的提出存在一定困难，而且耦合器的技术成熟，创新点不足也成为其较难吸引众人目光的一个因素。基于耦合器的波分复用器也是四种主要波分复用器类型中能够实现全光纤化的唯一结构。由于耦合器先天的宽带特性，要想实现窄带光信号的分离目前还难以实现，因此要想实现全光纤化的波分复用器还需要结合其它类型的选频器件来辅助实现可控的任意波长信号的分离。

光纤光栅作为一种优良的滤波器件，已经在光信息领域发挥了十分巨大的作用。多个波长的分离一般需要环行器等器件的辅助，要实现全光纤化的任意波长分离还存在一定难度。中国专利申请201110053041.3提出一种基于啁啾闪耀光纤光栅的波分复用器件及其加工方法，其中的闪耀光纤光栅角度限定为45°以保证入射光线与反射光线的夹角为90°而直接耦合入事先设定好的多路光纤中，这种波分复用器结构能够实现任意波长的分离与合束，可控性强，但对于器件的加工精度要求较高，光纤的放置角度也必须保证精度，而且由于闪耀啁啾光纤光栅中对应于不同波段光信号的折射率调制长度还需小于或等于输出光纤的截面大小，这个要求使得光栅的折射率调制深度必须很高，而且在目前情况下这种光栅的制作存在相当大的难度，甚至无法实现，一旦光栅对应波段的调制长度过长，就无法有效的将光信号耦合入输出光纤中，损耗掉大量的光能量，大大增加了波分复用器的插入损耗。而如果采用微型透镜对光信号进行聚焦又会进一步引入损耗，而且微透镜的制作难度也较高，而且光路的调整也相当困难，增加了整个系统的不稳定性因素。类似的中国专利申请01109388.9提及一种基于聚合物的闪耀光栅隔离器，其中部分内容可以作为波分复用器使用，由于采用聚合物为基质，在与光纤链路连接时其插入损耗和熔接难度都很大，而且在不足毫米量级的圆柱波导外层制作一分为二的两个包层，并且折射率不同，难度大，并且制作的精度要求过高而难以实现，在制作过程中对芯子、芯子中的光栅、第一包层、第二包层的折射率都有要求，实现的难度大。

Orlov Sergei S.等人发表在Opt.Lett.上的论文1997，22(10)：688-690.提到一种在耦合器的耦合区刻写Bragg光纤光栅的而实现的上下话路器，类似的结构在中国的研究人员董小伟等人的论文中也有体现----物理学报，2006，55(9)：4739-4743.这类结构的上下话路器均需要通过熔融拉锥、研磨等方法形成耦合区，在耦合区的合适位置刻写光纤光栅，光纤光栅的长度、光纤光栅两端耦合区的长度均需要精确控制，以实现不同波长信号的分离，其制作难度很大。中国专利申请200610171583.X也提及类似结构，采用双芯光纤代替耦合器结构，同样面临耦合区长度的选择，制作的难度大。

完全依赖普通Bragg光纤光栅的选频作用虽可将不同波长的光信号分离出来，但是所需要的辅助构件成本通常很高，比如环行器，而采用闪耀光纤光栅的结构在很大程度上可以解决这个问题，无需其它构件的支持或者只需要很少的其它低成本构件，中国专利申请：01251876.X中使用了闪耀光栅的结构，可以使上下话路端口与骨干波导之间只通过波导连接即可将光信号上传与下载，但其中面临的问题也很明显，虽然只通过波导连接，但是波导的连接方法在制作上困难较大，而且由于不同波导的交叉连接，会使两个波导之间的光信号产生耦合破坏了不同波长之间的隔离度，而且波导内的闪耀光纤光栅需要在与波导的横向宽度一致的范围内制作，其对相应波长信号的反射率受到限制，这使得上下话路的波长信号之间相互干扰；如果将波导的横向尺寸增大，则面临光信号质量的下降的问题，这使得其实用性大大降低。

作为上下话路器的基础构件，波分复用器的性能对相应的上下话路器的整体性能有决定性的影响。各类上下话路器都无法摆脱对应结构的波分复用器先天的结构缺点。而全光纤的波分复用器实用性能还有待提高，存在着诸多问题，例如，中国专利申请201020635670.8中涉及一种基于双芯光纤的上下话路器，其中的波长选择功能基于双芯光纤的纤芯处的环形波导，在双芯光纤中制作环形波导难度大，而且对波长的选择性能取决于环形波导精密度的控制，增加了波长选择的难度与精确度。而且其中所述结构如何实现上话路与下话路的低损耗连接也存在很大的困难。

因此，目前的光上下话路器面临的问题是：结构复杂、体积大、制作难度大、成本高、插入损耗大，不同波长信道的隔离度差。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：目前的光上下话路器面临结构复杂、体积大、制作难度大、成本高、插入损耗大，不同波长信道的隔离度差的问题。

本实用新型的技术方案为：

基于双芯光纤的上下话路器，该上下话路器包括双芯光纤，其中双芯光纤包括第一光敏纤芯和第二光敏纤芯，分别刻写在第一光敏纤芯和第二光敏纤芯上的第一闪耀光纤光栅和第二闪耀光纤光栅。

第一光敏纤芯和第二光敏纤芯边沿最近距离为h；第一闪耀光纤光栅的成栅面与第一光敏纤芯成θ角度，与第一光敏纤芯和第二光敏纤芯所处的平面垂直。第一闪耀光纤光栅的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L。所谓边沿最近距离即为两纤芯轴线距离减去两纤芯半径所得的值。所谓成栅面即为光纤光栅中折射率调制区域内相同折射率的一系列平面，这些平面相互平行。

第二闪耀光纤光栅的成栅面与第二光敏纤芯成θ角度，与第一光敏纤芯和第二光敏纤芯所处的平面垂直。第二闪耀光纤光栅的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L。

第一光敏纤芯的左端为1端口，右端为4端口。

第二光敏纤芯的左端为3端口，右端为2端口。

所述的h满足：h≥10μm，且满足第一光敏纤芯和第二光敏纤芯都在双芯光纤的包层内。

1端口为下话路输入端口，2端口为下话路输出端口，3端口为上话路输入端口，4端口为上话路输出端口。

所述的第一、第二光敏纤芯对紫外光有光敏性。

所述的第一、第二闪耀光纤光栅为Bragg闪耀光纤光栅、长周期闪耀光纤光栅、取样闪耀光纤光栅或啁啾闪耀光纤光栅。

Bragg闪耀光纤光栅、长周期闪耀光纤光栅、取样闪耀光纤光栅或啁啾闪耀光纤光栅的成栅面与光纤成θ角度。Bragg闪耀光纤光栅的折射率调制周期小于1微米、长周期闪耀光纤光栅的折射率调制周期大于1微米。

该上下话路器包括双芯光纤，其中双芯光纤包括第一光敏纤芯和第二光敏纤芯，刻写在第一光敏纤芯上的第一、第三闪耀光纤光栅，刻写在第二光敏纤芯上的第二、第四闪耀光纤光栅；

第一光敏纤芯和第二光敏纤芯边沿最近距离为h；第一、第三闪耀光纤光栅的成栅面与第一光敏纤芯成θ角度，与第一光敏纤芯和第二光敏纤芯所处的平面垂直。第一、第三闪耀光纤光栅的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L；

第二、第四闪耀光纤光栅的成栅面与第二光敏纤芯成θ角度，与第一光敏纤芯和第二光敏纤芯所处的平面垂直。第二、第四闪耀光纤光栅的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L；

第一、第二闪耀光纤光栅的中心波长、带宽均一致；

第三、第四闪耀光纤光栅的中心波长、带宽均一致；

第一、第三闪耀光纤光栅的中心波长不一致、带宽没有公共部分。

本实用新型和已有技术相比所具有的有益效果：

相比基于介质薄膜滤波器波分复用器的上下话路器，本实用新型所述结构为全光纤基质，与光纤线路的低损耗熔接成为可能，而且无需较大体积的介质薄膜，减小了插入损耗；相比基于耦合器的上下话路器，本实用新型所述结构对波长的选择性大大提升，波长和波段的选择通过调整闪耀光纤光栅的波长和带宽任意控制；相比基于体衍射光栅的上下话路器，本实用新型所述结构中波长的选择依赖闪耀光纤光栅，制作技术成熟，精度高，可重复性强；相比基于阵列波导光栅的上下话路器，本实用新型所述结构为全光纤结构，体积大大减小，稳定性提高，波长和波段数量通过改变闪耀光纤光栅的数量或对取样闪耀光纤光栅中反射峰的数量来控制，可操作性强，而且波长数量的增加并不会给整个结构的制作带来困难。相比已有的全光纤结构的上下话路器，本实用新型所述结构在插入损耗、制作的工艺精度要求、相邻信道的影响都大大减小。与已有上下话路器最大的区别在于，多数的上下话路器光路是可逆的，在实现光信号上下话路的同时面临信号反馈的问题，为了解决这个问题需要在各个端口加装隔离器，这使得成本进一步增加，而且插入损耗也更大，本实用新型结构本身具有隔离器的功能，对于选频定为上下话路波长的光信号在该结构中不具有光路的可逆性，大大减小了反馈光信号对整个系统性能的影响。

附图说明

图1为两个闪耀光纤光栅的基于双芯光纤的上下话路器。

图2为四个闪耀光纤光栅的基于双芯光纤的上下话路器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

实施方式一

基于双芯光纤的上下话路器，如图1，该上下话路器包括双芯光纤，其中双芯光纤包括第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42，分别刻写在第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42上的第一闪耀光纤光栅51和第二闪耀光纤光栅52。

第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42边沿最近距离为h；第一闪耀光纤光栅51的成栅面与第一光敏纤芯41成θ角度，与第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42所处的平面垂直。第一闪耀光纤光栅51的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctanh/L。

第二闪耀光纤光栅52的成栅面与第二光敏纤芯42成θ角度，与第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42所处的平面垂直。第二闪耀光纤光栅52的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L。

第一光敏纤芯41的左端为1端口1，右端为4端口4。

第二光敏纤芯42的左端为3端口3，右端为2端口2。

所述的h满足：h≥10μm，且满足第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42都在双芯光纤的包层内。

1端口1为下话路输入端口，2端口2为下话路输出端口，3端口3为上话路输入端口，4端口4为上话路输出端口。

所述的第一、第二光敏纤芯41、42对紫外光有光敏性。

所述的第一、第二闪耀光纤光栅51、52为取样闪耀光纤光栅或啁啾闪耀光纤光栅。

实施方式二

基于双芯光纤的上下话路器，如图2，该上下话路器包括双芯光纤，其中双芯光纤包括第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42，刻写在第一光敏纤芯41上的第一、第三闪耀光纤光栅51、53，刻写在第二光敏纤芯42上的第二、第四闪耀光纤光栅52、54。

第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42边沿最近距离为h；第一、第三闪耀光纤光栅51、53的成栅面与第一光敏纤芯41成θ角度，与第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42所处的平面垂直。第一、第三闪耀光纤光栅51、53的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L。

第二、第四闪耀光纤光栅52、54的成栅面与第二光敏纤芯42成θ角度，与第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42所处的平面垂直。第二、第四闪耀光纤光栅52、54的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L。

第一、第二闪耀光纤光栅51、52的中心波长、带宽均一致。

第三、第四闪耀光纤光栅53、54的中心波长、带宽均一致。

第一、第三闪耀光纤光栅51、53的中心波长不一致、带宽没有公共部分。

第一光敏纤芯41的左端为1端口1，右端为4端口4。

第二光敏纤芯42的左端为3端口3，右端为2端口2。

所述的h满足：h≥10μm，且满足第一光敏纤芯41和第二光敏纤芯42都在双芯光纤的包层内。

1端口1为下话路输入端口，2端口2为下话路输出端口，3端口3为上话路输入端口，4端口4为上话路输出端口。

所述的第一、第二光敏纤芯41、42对紫外光有光敏性。

所述的第一至第四闪耀光纤光栅51、52、53、54为Bragg闪耀光纤光栅或长周期闪耀光纤光栅。

Claims (6)

1.基于双芯光纤的上下话路器，其特征在于：该上下话路器包括双芯光纤，其中双芯光纤包括第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42），分别刻写在第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42）上的第一闪耀光纤光栅（51）和第二闪耀光纤光栅（52）；

第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42）边沿最近距离为h；第一闪耀光纤光栅（51）的成栅面与第一光敏纤芯（41）成θ角度，与第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42）所处的平面垂直；第一闪耀光纤光栅（51）的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L；

第二闪耀光纤光栅（52）的成栅面与第二光敏纤芯（42）成θ角度，与第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42）所处的平面垂直；第二闪耀光纤光栅（52）的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L；

第一光敏纤芯（41）的左端为1端口（1），右端为4端口（4）；

第二光敏纤芯（42）的左端为3端口（3），右端为2端口（2）。

2.根据权利要求1所述的基于双芯光纤的上下话路器，其特征在于：

所述的h满足：h≥10 μm，且满足第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42）都在双芯光纤的包层内。

3.根据权利要求1所述的基于双芯光纤的上下话路器，其特征在于：

1端口（1）为下话路输入端口，2端口（2）为下话路输出端口，3端口（3）为上话路输入端口，4端口（4）为上话路输出端口。

4.根据权利要求1所述的基于双芯光纤的上下话路器，其特征在于：

所述的第一、第二光敏纤芯（41、42）对紫外光有光敏性。

5.根据权利要求1所述的基于双芯光纤的上下话路器，其特征在于：

所述的第一、第二闪耀光纤光栅（51、52）为Bragg闪耀光纤光栅、长周期闪耀光纤光栅、取样闪耀光纤光栅或啁啾闪耀光纤光栅。

6.基于双芯光纤的上下话路器，其特征在于： 

该上下话路器包括双芯光纤，其中双芯光纤包括第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42），刻写在第一光敏纤芯（41）上的第一、第三闪耀光纤光栅（51、53），刻写在第二光敏纤芯（42）上的第二、第四闪耀光纤光栅（52、54）；

第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42）边沿最近距离为h；第一、第三闪耀光纤光栅（51、53）的成栅面与第一光敏纤芯（41）成θ角度，与第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42）所处的平面垂直；第一、第三闪耀光纤光栅（51、53）的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L；

第二、第四闪耀光纤光栅（52、54）的成栅面与第二光敏纤芯（42）成θ角度，与第一光敏纤芯（41）和第二光敏纤芯（42）所处的平面垂直；第二、第四闪耀光纤光栅（52、54）的长度为L，并满足：θ≤(1/2)arctan h/L；

第一、第二闪耀光纤光栅（51、52）的中心波长、带宽均一致；

第三、第四闪耀光纤光栅（53、54）的中心波长、带宽均一致；

第一、第三闪耀光纤光栅（51、53）的中心波长不一致、带宽没有公共部分。 

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