專利名稱：一種全光纖的非互易傳輸方法與全光纖隔離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全光纖非互易傳輸?shù)姆椒ㄅc全光纖隔離器，屬光電子技術(shù)領(lǐng)域。
光隔離器(ISO)是光纖通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中許多光學部件(如半導(dǎo)體激光器、光纖放大器等)和傳輸系統(tǒng)中用來消除光反饋所必不可少的、而且使用量極大的關(guān)鍵功能器件。隨著全球光信息網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，已越來越顯示出對它的迫切需求和巨大的經(jīng)濟價值。
傳統(tǒng)的ISO基于磁光法拉第(Faraday)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的非互易特性當線偏振光通過外加磁場的磁光材料時，其偏振面將旋轉(zhuǎn)一個角度θ=∫VH-·dl-]]>式中H為磁場強度矢量，V為材料的Verdet常數(shù)。由該式可見，當傳播方向dl反轉(zhuǎn)為-dl時，θ在相對于光波的固定參考系中變?yōu)?θ，即當出射光反射回再次通過材料時，旋轉(zhuǎn)角將變?yōu)?θ。
常規(guī)偏振有關(guān)光隔離器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示在偏振方向成45°夾角的兩個偏振器11和11′之間置一塊磁光晶體12，任意偏振態(tài)的單色光從左端入射，經(jīng)起偏器11后變?yōu)閄-偏振的線偏振光；再通過外加軸向磁場的磁光晶體12后使其偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，并從檢偏器11′全部透射。反向傳播的光通過磁光晶體12后將沿相同方向再旋轉(zhuǎn)45°變成Y-偏振，恰與起偏器11的偏振方向垂直而被隔離。由于檢偏器11′的存在，即使背向反射光去偏振，也不會影響隔離性能。這種光隔離器是偏振相關(guān)的。
在許多情況下要求偏振無關(guān)光隔離特性，圖2是偏振無關(guān)光隔離器的結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)與圖1基本相同，唯一的差別是用兩塊楔形雙折射晶體21和21′代替常規(guī)的偏振器。其工作原理用圖3和圖4說明。入射光經(jīng)透鏡20準直通過楔形雙折射晶體21后分為尋常光和非尋常光，兩者再通過磁光晶體22后其偏振面各自旋轉(zhuǎn)45°，第二快楔形雙折射晶體21′的切割和取向要使這兩束出射光平行于透鏡20的軸而聚焦于光纖23的端表面。輸出楔形雙折射晶體21′將反向傳輸光分成兩束，由于磁光材料法拉第旋轉(zhuǎn)的非互易性，當其通過第一塊楔形雙折射晶體21后，將分離成一夾角，因而聚焦到輸入光纖23端表面之外。
由以上實例看到，常規(guī)的光隔離器由磁光材料及多個偏振光學元件手工組裝而成，因材料磁光效應(yīng)的波長及偏振相關(guān)性、晶體與光纖的材料不共容性，這種分離元件組合的ISO對裝調(diào)精度的要求極為苛刻，致使昂貴的ISO商品價格多年來居高不下，而且今后也不可能大幅度降價。
為降低ISO的成本并進一步實現(xiàn)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的全光纖化，近十幾年來，國內(nèi)外一直在對新型光纖隔離器進行可行性探索，但技術(shù)思路始終沒有超脫磁光Faraday效應(yīng)的限制。研究表明，欲利用石英光纖本身的磁光效應(yīng)使1550nm波長的光波產(chǎn)生45°的偏振面旋轉(zhuǎn)，則需在3千奧的軸向磁場下用4米長的光纖，這顯然是不實際的。為此，將單模光纖繞制成線圈以實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)緊湊的器件。由于光纖彎曲引進線性雙折射(Δβ)可能抑制Faraday旋轉(zhuǎn)。為消除線性雙折射的影響，采用了圖5，圖6所示之兩種方法。圖5所示結(jié)構(gòu)是在平行于光纖線圈31平面方向外加均勻磁場32，則光纖圈內(nèi)環(huán)行的線偏振光受到正弦周期(LH)軸向磁場的作用。在相位匹配條件ΔβLH＝27π下即可實現(xiàn)單純的非互易旋轉(zhuǎn)。但由于光纖彎曲損耗、相位匹配的波長相關(guān)性以及溫度和機械的不穩(wěn)定性，至今報道的最好結(jié)果達到20dB隔離度、0.4dB插入損耗和2.5nm帶寬，與使用要求相差甚遠。圖6給出一種改進結(jié)構(gòu)，在扭轉(zhuǎn)光纖圈外加通電螺線管33，利用機械扭轉(zhuǎn)光纖產(chǎn)生的園雙折射來抑制彎曲線雙折射，通過園雙折射光纖圈的線偏振光將產(chǎn)生偏振面的旋轉(zhuǎn)，在通電螺線管產(chǎn)生的光纖圈內(nèi)軸向恒定磁場作用下，將產(chǎn)生附加的Faraday旋轉(zhuǎn)。但因園雙折射引起的旋光效應(yīng)只是引進固定的旋轉(zhuǎn)角偏置，而且是互易的，就要通過光纖圈外的λ/2-光纖圈調(diào)節(jié)器34或簡單地適當旋轉(zhuǎn)光纖偏振器35來控制。因此，適當設(shè)計光纖扭轉(zhuǎn)速度(圈/米)、光纖圈半徑及通電電流大小，即可實現(xiàn)45°Faraday旋轉(zhuǎn)。
這類光纖隔離器旨在實現(xiàn)一種全光纖化的結(jié)構(gòu)來取代常規(guī)的分離器件，但它只不過是采用光纖(或稀土摻雜光纖)取代磁光晶體，仍需外加很強的磁場；還必須引進光纖偏振器，不可能獲得偏振無關(guān)特性；尤其難以消除線雙折射的影響，隔離度很難做到25dB以上。因此，盡管作了大量的努力，至今仍未取得實質(zhì)性的技術(shù)突破。
本發(fā)明的目的是提供一種全光纖的非互易傳輸方法與全光纖隔離器。
本發(fā)明全光纖的非互易傳輸?shù)姆椒ㄊ怯靡粋€光纖模式轉(zhuǎn)換器段和一個不對稱雙錐光纖段來實現(xiàn)的。
光纖模式轉(zhuǎn)換器段是一段加有折射率微擾的少模光纖，使少模光纖具有模式轉(zhuǎn)換功能，如基模LP01和高階模LP02或LP11模之間的轉(zhuǎn)換，從而構(gòu)成光纖模式轉(zhuǎn)換器。微擾的方法有多種，如施加周期性機械壓力、在包層到部分纖芯區(qū)刻蝕光柵、在纖芯中紫外寫入光柵等。
不對稱的雙錐光纖段由一段少模光纖與一段單模光纖熔結(jié)，在焊點處熔融拉錐的雙錐光纖段，見圖7。在熔錐區(qū)隨纖芯的收細將產(chǎn)生導(dǎo)模與包層模間的轉(zhuǎn)換。適當設(shè)計錐區(qū)參量(錐度與錐區(qū)長度)，使錐區(qū)基模場與單模光纖基模場保持匹配狀態(tài)以減小連接損耗。如果需要的話，在感興趣的波長范圍同時可具有濾波功能。
本發(fā)明全光纖非互易傳輸方法的工作原理可用圖8來說明。從左到右(低損耗，正向)從輸入單模光纖段41輸入的基模(LP01)光經(jīng)光纖模過渡濾波隔離段42，一部分光變?yōu)榇胃唠A模(LP02或LP11模)；再經(jīng)光纖模式轉(zhuǎn)換器段43，當正向相位差θ+合適時又轉(zhuǎn)換成基模(LP01)并耦合進輸出單模光纖段41′然后輸出。從右到左(高損耗，反向)從輸出端返回的LP01模通過光纖模式轉(zhuǎn)換器段43后變成LP01模和LP02或LP11模，再經(jīng)光纖模過渡濾波隔離段42，當反向相位差θ-＝θ+-θ＝θ+-π時，耦合到輸入單模光纖段41的LP01模的光幾乎為零。圖9是本發(fā)明器件的歸一化正反向輸出功率與正向相位差θ+的關(guān)系，其中θ-＝θ+-π。從圖9可見，只要要適當調(diào)節(jié)正向相位差θ+的值并使θ-＝θ+-π，就能達到較理想的隔離效果。
為了減小光纖模式轉(zhuǎn)換器模式轉(zhuǎn)換特性特別是相位特性對波長的依賴關(guān)系，選擇適當?shù)纳倌９饫w歸一化頻率V及光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)使相位差φ+，φ-對波長不敏感。
或適當設(shè)計雙錐光纖的錐區(qū)參量(錐度與錐區(qū)長度)使雙錐光纖的濾波譜與光纖模式轉(zhuǎn)換器模式轉(zhuǎn)換特性特別是相位對波長的依賴特性曲線反對稱，使補償后相位差φ+，φ-對波長不敏感。
本發(fā)明全光纖隔離器由輸入單模光纖段、光纖模式轉(zhuǎn)換器段、不對稱的雙錐光纖段和輸出單模光纖段依次連接而成，其中光纖模式轉(zhuǎn)換器段和不對稱雙錐光纖段的位置可以相互對換。
說明附圖如下圖1偏振有關(guān)光隔離器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2偏振無關(guān)光隔離器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3、圖4為圖2的工作原理圖。
圖5、圖6為現(xiàn)有的兩種全光纖隔離器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7不對稱雙錐光纖示意圖。
圖8本發(fā)明全光纖非互易傳輸方法的工作原理圖。
圖9本發(fā)明器件歸一化正反向輸出功率與正向相位差θ+的關(guān)系，其中反向相位差θ-＝θ+-π。
圖10本發(fā)明實施例1中全光纖隔離器結(jié)構(gòu)。
圖11本發(fā)明實施例2中全光纖隔離器結(jié)構(gòu)。
結(jié)合


實施例如下實施例1本實施例是6328nm全光纖隔離器，如圖10所示。單模光纖段71和74段采用6328nm單模光纖。少模光纖采用截止波長為1260nm的標準單模通信光纖。當光波波長為6328nm時，少模光纖支持LP01至LP02模的傳輸。采用光纖光柵技術(shù)，在少模光纖中寫入光柵構(gòu)成LP01LP02模式轉(zhuǎn)換器構(gòu)成模式轉(zhuǎn)換器光纖段73，轉(zhuǎn)換率約50％。光纖模過渡段72是由上述少模光纖和單模光纖拉錐構(gòu)成特殊成形的雙錐光纖耦合器，適當設(shè)計錐區(qū)參量(錐度與錐區(qū)長度)，使少模光纖中基模場與單模光纖基模場保持匹配狀態(tài)，以減小連接損耗。把各個光纖段用光纖熔接機連接。調(diào)節(jié)模式轉(zhuǎn)換器光纖段73使反向傳輸高損耗并用膠固化。
實施例2本實施例是980nm全光纖光隔離器結(jié)構(gòu)，如圖11所示。單模光纖段81和84段采用flexcore單模光纖。少模光纖采用AT & TDC標準單模通信光纖。當光波波長為980nm時，少模光纖支持LP01至LP11模的傳輸。采用光纖光柵技術(shù)，在少模光纖中寫入光柵構(gòu)成LP01LP11模式轉(zhuǎn)換器構(gòu)成光纖模式轉(zhuǎn)換器段83，轉(zhuǎn)換率約50％。光纖模過渡濾波隔離段82是由上述少模光纖和單模光纖拉錐構(gòu)成特殊成形的雙錐光纖器件，適當設(shè)計錐區(qū)參量(錐度與錐區(qū)長度)，使少模光纖中基模場與單模光纖基模場保持匹配狀態(tài)，以減小連接損耗，同時具有濾波功能。其濾波功能為在980nm波段處，幾乎沒有損耗；而在1558nm波段，損耗約1.8dB。把各個光纖段用光纖熔接機連接。調(diào)節(jié)模轉(zhuǎn)換光纖段82使反向傳輸高損耗并用膠固化。該980nm全光纖光隔離器的特點是，只允許980nm的光單向傳輸，同時可作為摻鉺光纖放大器的增益平坦濾波器。
與傳統(tǒng)磁光隔離器相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點本發(fā)明基于非互易傳輸光纖結(jié)構(gòu)的徑向園對稱性而構(gòu)成的偏振無關(guān)全光纖隔離器，根本不用磁場。
結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)全光纖集成。
同時具有“在線”雙模干涉器、濾波器和模式過渡器的特點。
只要調(diào)節(jié)光纖模式轉(zhuǎn)換器段即可方便地改變相移θ。
權(quán)利要求
1.一種全光纖的非互易傳輸方法，其特征是用一個光纖模式轉(zhuǎn)換器段和一個不對稱雙錐光纖段組合來實現(xiàn)的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖的非互易傳輸方法，其特征是所述的光纖模式轉(zhuǎn)換器是一段加有折射率微擾的少模光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，2所述的全光纖的非互易傳輸方法，其特征是所述的不對稱雙錐光纖段是一段少模光纖與一段單模光纖熔結(jié)，在焊點處熔融拉錐的雙錐光纖段。
4.一種全光纖隔離器，其特征是由輸入單模光纖段、光纖模式轉(zhuǎn)換器段、不對稱的雙錐光纖段和輸出單模光纖段依次連接而成，其中所述的光纖模式轉(zhuǎn)換器段和不對稱雙錐光纖段的位置可以相互對換。
全文摘要
一種全光纖的非互易傳輸方法及全光纖隔離器,屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是用一個光纖模式轉(zhuǎn)換器段和一個不對稱雙錐光纖段組合來實現(xiàn)的。本全光纖隔離器是由輸入單模光纖段、光纖模式轉(zhuǎn)換器段、不對稱的雙錐光纖段和輸出單模光纖段依次連接而成,其中光纖模式轉(zhuǎn)換器段和不對稱雙錐光纖段的位置可以相互對換。采用本方法制成的全光纖隔離器,由于是全光纖集成,所以結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、使用方便。
文檔編號G02B6/26GK1184945SQ97125898
公開日1998年6月17日 申請日期1997年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月26日
發(fā)明者彭江得, 陳智浩, 顧東華, 劉小明, 唐平生 申請人:清華大學