專利名稱：全光纖波長選擇型偏振分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信和光纖測量傳感，特別是一種全光纖波長選擇偏振分束器。
A.S.Kurkov提出了在雙折射光纖上寫入長周期光纖光柵用來作為一種高性能的波長選擇型光纖偏振器(《Long-period fibers gratings as awavelength selective polarization element》Electronic Letters 33(7)pp616-617 1997)。與晶體或者薄膜型偏振器相比較，這種偏振器的優(yōu)點在于首先由于它本身是一段光纖，所以插入損耗比較小。同時，這種起偏器具有消光比高、背向反射小和易于制作、可調(diào)諧的特點。在這一器件中，二個方向的偏振光中，一個通過，另一個損耗，不能達(dá)到偏振分束的功能。另外，Victor Grubsky利用長周期光纖光柵來實現(xiàn)了波長選擇耦合器的功能(《Wavelength-selective coupler and add-drop multiplexer usinglong-period fiber gratings》OFC’2000 Baltimore FB5 2000)。他們將兩根相同的長周期光纖光柵緊密貼合平行放置，利用長周期光纖光柵原理和兩波導(dǎo)消逝場耦合的原理，通過纖芯模到包層模、包層模到包層模、包層模到纖芯模之間的耦合來實現(xiàn)兩光纖纖芯模在特定波長范圍內(nèi)的耦合。這種耦合器同一般的耦合器相比較，具有波長選擇性好、插入損耗小、背向反射小和隔離度高等優(yōu)點。但這里并沒有涉及和區(qū)分光纖中的偏振模。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種全光纖波長選擇型偏振分束器，其特征在于它包括一雙折射率光纖的纖芯上含有長周期光纖光柵；另一光纖的纖芯上含有長周期光纖光柵與長周期光纖光柵相配套；該光纖的包層與光纖的包層相緊貼；該光纖上的長周期光纖光柵與光纖上的長周期光纖光柵相距一定的距離，且兩根光纖拉直后固定在一條型板上；該帶有光纖的條型板被封裝在一圓管中。
所述的光纖可為熊貓光纖、蝴蝶光纖、或橢圓包層光纖；所述的兩光纖都是雙折射光纖，或另一光纖可以是普通的通訊光纖；所述兩光纖的兩端分別帶有連接器；所述兩長周期光纖光柵之間的距離為π/(2·κ)的(2n-1)倍，其中n為一正整數(shù)；所述兩長周期光纖光柵之間的距離為π/(2·κ)時為最佳。
本發(fā)明全光纖波長選擇型偏振分束器與常見的晶體分束器相比，具有如下的優(yōu)點1.由于其全光纖化的設(shè)計，插入損耗小，應(yīng)用方便。
2.利用長周期光纖光柵來實現(xiàn)偏振分束功能，所以具有波長選擇的功能、隔離度高、背向反射小、成本低、易于制作。
這種全光纖化的偏振分束器將更適合應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感、檢測系統(tǒng)中，有著很強實用價值。
階次比較低的模，而長波方向的是高階次的模。根據(jù)相位匹配條件，可以求得長周期光纖長周期光纖光柵的周期一般為幾十到幾百個微米，它是一種基于纖芯基模和同向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖg耦合的光纖光柵。它與普通Bragg光柵相比具有背向反射率低、帶寬寬和易于批量制作等優(yōu)點。在長周期光纖光柵的典型透射譜上一般會出現(xiàn)好幾個諧振峰，這是由于纖芯的基模與不同階次的包層模耦合所形成的，靠近短波方向的是光柵的諧振波長λres=(ncore-ncladp)Λ]]>式中ncore為纖芯中基模的有效折射率； 為p階包層模LP0p的有效折射率；Λ為光柵的周期。同時，在諧振波長處峰的強度S可以通過解同向傳輸耦合模方程得出，它滿足下面關(guān)系式S＝sin2(κL)其中L為光柵的長度，κ為基模和包層模的耦合系數(shù)。從式中可以看出當(dāng)κL＝π/2時，諧振強度可以達(dá)到最大。
雙折射率光纖，偏振快軸和慢軸所對應(yīng)的纖芯折射率nf和ns有著一定的差別。根據(jù)長周期光纖光柵的耦合條件，由于對應(yīng)于快軸和慢軸的纖芯基模和各階包層模的傳播常數(shù)有所差異，所以長周期光纖光柵的每個諧振峰將分裂成兩個峰，其對應(yīng)的中心波長分別為λf和λs(λf＜λs)。也就是說，如果λf和λs間隔較遠(yuǎn)的話(相對于每個諧振峰的帶寬而言)，在兩個諧振峰諧振強度足夠大的情況下，在諧振波長λf左右，對應(yīng)于快軸的偏振光將被耦合到包層中，而慢軸的偏振光將無損耗地繼續(xù)在纖芯中傳播；而在諧振波長λs左右，慢軸的偏振光被耦合到包層中，快軸的偏振光將無損耗通過。這也就實現(xiàn)了在特定波長范圍內(nèi)的偏振分束功能。只要諧振強度足夠大，并且在制作光柵時采用合適的旁瓣抑制技術(shù)，那么消光比可以達(dá)到30dB以上。
對于兩根并行放置的光纖，如果包層間的距離很近的話，那么它們之間滿足相位匹配的模式會通過包層外面消逝場的重疊而相互耦合。對于纖芯模來講，由于它們的絕大部分能量被限制在纖芯內(nèi)部，而余下的一小部分幾乎也是都存在于包層中，在包層外面的電磁場可以忽略不計，所以一般情況下不考慮纖芯模之間的耦合。但是對于包層模來講，由于它們在包層外還存在一部分不能忽略的消逝場，所以它們之間可以通過消逝場而進行能量的傳遞。
假設(shè)光纖1中的模式1所攜帶的起始光功率為1(歸一化的功率)，而光纖2中模式2的初始光功率為0，那么通過解耦合模方程我們可以得到兩根光纖中經(jīng)耦合后的功率分別為P1=cos2(lk2+δ2)+δ2sin2(lk2+δ2)/(k2+δ2)]]>P2=k2sin2(lk2+δ2)/(k2+δ2)]]>在公式中l(wèi)代表耦合的長度，k代表耦合系數(shù)，這與兩個消逝場的疊加程度有關(guān)，而δ＝(β1-β2)/2是表示相互耦合的兩個模的相位匹配程度。
從公式中我們可以看出當(dāng)兩個耦合的模式傳播常數(shù)相近或相同(δ≌0)，而且兩根光纖間的距離很小或者緊貼的時候，它們之間可以獲得比較理想的耦合效果。選擇合適的耦合長度，也就是說當(dāng)l≈(π/2)/k的時候，可以得到最佳的耦合，這時候模式1中的功率將全部轉(zhuǎn)移到模式2中。
當(dāng)一束自然光通過連接器4注入到雙折射率光纖3的纖芯中時，由于在雙折射率光纖纖芯31上的長周期光纖光柵33的作用，它將在特定的波長范圍內(nèi)被分為兩束相互垂直的單偏振光。一束光繼續(xù)沿著雙折射率光纖的纖芯31向前傳輸，而另外一束偏振光將被光纖光柵耦合到同向傳輸?shù)碾p折射率光纖3的包層中。而這些在包層中傳輸?shù)哪Ｊ皆隈詈蠀^(qū)將激發(fā)起與雙折射率光纖3相緊靠的另外一根光纖2中相位匹配的包層模，同時也將能量逐步轉(zhuǎn)移到這根光纖的包層22中。而在光纖2上的長周期光纖光柵23又將這些在包層中所傳播的模式耦合到同向傳播的纖芯基模中。所以只要兩根光纖上的長周期光纖光柵23、33相匹配(如果光纖2是普通通信光纖的話，那么讓長周期光纖光柵23在要求波長范圍內(nèi)的諧振波長、諧振帶寬和長周期光纖光柵33的在相應(yīng)波長范圍內(nèi)的快軸諧振峰或是慢軸諧振峰的諧振波長、諧振帶寬保持一致；如果光纖2是雙折射率光纖的話，那么讓其在要求波長范圍內(nèi)，快軸和慢軸諧振峰的中心波長和諧振帶寬都保持一致)，諧振強度盡量做到最大，光纖之間的耦合長度調(diào)節(jié)適當(dāng)，那么在雙折射率光纖3一端注入的自然光在特定波長范圍內(nèi)(也就是諧振波長左右)將被分為兩束相互垂直的單偏振光，分別通過兩根光纖的纖芯31和21從連接器6和5輸出，這樣就實現(xiàn)了偏振分束的功能。
本發(fā)明的偏振分束器與常見的晶體分束器相比，具有如下的優(yōu)點3.由于其全光纖化的設(shè)計，插入損耗小，應(yīng)用方便。
4.利用長周期光纖光柵來實現(xiàn)偏振分束功能，所以具有波長選擇的功能、隔離度高、背向反射小、成本低、易于制作。
這種全光纖化的偏振分束器將更適合應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感、檢測系統(tǒng)中，有著很強實用價值。我們可以選擇一根熊貓雙折射率光纖作為高雙折射率光纖3，通過先高壓載氫再紫外光輻照的方法，在光纖的纖芯處寫入長周期光纖光柵8。由于熊貓光纖的雙折射率大約為3.7×104左右，在這種光纖上所刻上的長周期光柵第四階包層模所對應(yīng)的快軸和慢軸諧振峰的中心波長間隔可以達(dá)到40nm左右。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)光柵的長度和紫外光的曝光量，我們可以得到中心波長處于通信波段，帶寬在20nm左右，諧振強度大于30dB(指的是用偏振方向與雙折射率光纖主軸方向一致的單偏振光作為檢測光源所測得的諧振強度)的諧振峰。由于快軸和慢軸的中心波長間隔40nm，大于諧振峰的帶寬15nm，這將能很好地保證兩個偏振光不發(fā)生串?dāng)_。通過同樣的方法，我們可以在光纖2上制作出與光纖3上的光柵相匹配的長周期光纖光柵11。在紫外輻照完之后，將光纖光柵放入高溫爐中進行退火以保證它們的穩(wěn)定性。
將兩根制得的光纖光柵按照圖2中的位置并排放置在一起，固定在一個條型板7上。由于長周期光纖光柵對彎曲特別敏感，稍許的彎曲就會造成光柵耦合特性的很大改變。另外，光纖的彎曲也會給包層模帶來很大的損耗，所以兩根光纖必須處于拉直的狀態(tài)。在這里可以采用應(yīng)力封裝的辦法來保證光柵不彎曲，同時也可以改善長周期光纖光柵的溫度特性。
兩根光纖在兩段光柵區(qū)中間緊貼的部分為光纖的耦合區(qū)。通過調(diào)整耦合區(qū)的長度和減小兩光纖間的距離，可以增加兩根光纖中相應(yīng)的包層模之間的耦合。同時為了得到更好的耦合效率，可以采用一些其他方法。比如方法一可以在耦合的區(qū)域給兩根光纖涂上折射率和玻璃相近的匹配液，這樣就可以打破包層和空氣的界面對模式場的限制，得到更大的耦合系數(shù)，從而提高耦合的效率。
方法二可以分別將兩根光纖的包層在一個方向上磨去一層，這樣光纖的橫截面也就成為了D型。將兩根光纖的處理面相互貼緊，那么兩根光纖的接觸也就從線接觸變?yōu)榱嗣娼佑|，這樣也就增大了兩個消逝場的疊加程度，得到了更大的耦合系數(shù)，提高了耦合效率。
圖3為理論計算的兩根光纖纖芯所輸出的快軸偏振光光譜圖(長周期光柵的周期為400微米，光柵長度為5厘米)。圖中實線表示纖芯32的輸出偏振光譜，而虛線代表纖芯21的輸出偏振光譜。從圖中我們可以看到在1550nm處纖芯31中的快軸偏振光已經(jīng)轉(zhuǎn)移到纖芯21中。在纖芯21的輸出光譜上，主峰旁邊的小峰是由長周期光柵的旁瓣引起的，通過采用適當(dāng)?shù)墓鈻胖谱骷夹g(shù)可以對旁瓣進行有效的抑制，理論上這種旁瓣抑制比可以達(dá)到40dB以上。
在偏振分束器的尾纖上，分別設(shè)計光纖連接器，這可以方便該器件的接入。如果有偏振光纖熔接機的話，也可以去掉連接器，將光纖直接和系統(tǒng)中的光纖相熔接，這樣將進一步降低插入損耗。
權(quán)利要求
1.一種全光纖波長選擇型偏振分束器，其特征在于它包括一雙折射率光纖(3)的纖芯(31)上含有長周期光纖光柵(33)；另一光纖(2)的纖芯(21)上含有長周期光纖光柵(23)與長周期光纖光柵(33)相配套；該光纖(2)的包層(22)與光纖(3)的包層(32)相緊貼；該光纖(2)上的長周期光纖光柵(23)與光纖(3)上的長周期光纖光柵(33)相距一定的距離，且兩根光纖(2)(3)拉直后固定在一條型板7上；該帶有光纖的條型板(7)被封裝在一圓管(1)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖波長選擇型偏振分束器，其特征在于所述的光纖(3)可為熊貓光纖、蝴蝶光纖、或橢圓包層光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖波長選擇型偏振分束器，其特征在于所述的光纖(2)可以是與光纖(3)類型一致的光纖，也可以是普通的通訊光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖波長選擇型偏振分束器，其特征在于在光纖(2)和光纖(3)的兩端分別帶有連接器(4)、(5)、(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的全光纖波長選擇型偏振分束器，其特征在于所述兩長周期光纖光柵(33，23)之間的距離l為π/(2·κ)的(2n-1)倍，其中n為一正整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的全光纖波長選擇型偏振分束器，其特征在于所述兩長周期光纖光柵(33，23)之間的距離為π/(2·κ)。
全文摘要
一種全光纖波長選擇型偏振分束器，其特征在于它包括一雙折射率光纖的纖芯上含有長周期光纖光柵；另一光纖的纖芯上含有長周期光纖光柵與長周期光纖光柵相配套；該光纖的包層與光纖的包層相緊貼；該光纖上的長周期光纖光柵與光纖上的長周期光纖光柵相距一定的距離，且兩根光纖拉直后固定在一條型板上；該帶有光纖的條型板被封裝在一圓管中。本發(fā)明與常見的晶體偏振分束器相比，具有插入損耗小、體積小、波長選擇性好、隔離度高、背向反射小、成本低、易于制作的優(yōu)點。
文檔編號G02B6/34GK1431531SQ0311521
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者方祖捷, 高侃, 周贏武, 陳高庭, 瞿榮輝 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所