[發明專利]一種新型光纖隔離器的設計方法

在審

• 申請號: 202010638877.9
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111610652A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 高峰;陳琦;王東寧;王海龍;王兆坤;徐賁;陳俊;陳柳兵;牛元棟
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G02F1/095
• 分類號: G02F1/095;G02B6/27
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種新型光纖隔離器的設計方法，在這種隔離器中，通過外部操作，在光纖內形成一組新的，與光纖軸向具有一定夾角的芯外波導結構。纖芯內的光場在傳輸過程，會與芯外波導進行耦合。正向傳輸時，耦合入芯外波導的光場經過一定距離傳輸，重新被耦合入光纖，此過程光場能量損耗非常小；反向傳輸時，耦合入芯外波導的光場經過傳輸，被導入包層中，隨后經過一定距離傳輸，被光纖損耗，此過程光場能量損耗非常大。這樣的一組芯外波導被稱為一個光隔離單元，通過一個或多個光隔離單元的級聯，構成一個光纖隔離系統。通過控制級聯光隔離單元的數目，可以控制插入損耗與隔離度；通過控制隔離單元在剖面上的角度分布，可以控制隔離系統的偏振特性。我們稱這樣的光纖隔離系統為新型光纖隔離器。

技術領域

本發明屬于光纖器件領域，更具體地，涉及一種光纖隔離器的設計方法。

背景技術

光纖隔離器是一種只允許單向光通過的無源光器件，其工作原理是基于法拉第旋轉的非互易性，通過起偏，檢偏等操作，最終造成正向傳輸光損耗小，反向傳輸光損耗大。其在激光技術以及光通信領域被廣泛應用。實際生產過程，需要晶體生產，晶體切割，器件裝配等過程，代價高昂。此外，由于不同波長的光經過旋光效應，其偏振偏轉角度不同，造成現有的光隔離器只能在一定帶寬下進行工作，且不同波長下的隔離度不一致，存在最佳工作波長。

基于光纖內，通過溶液腐蝕，表面等離子體注入，紫外相位掩模版刻蝕，飛秒激光刻蝕等外部操作在光纖內引入傾斜包層波導的方法可以制備出光隔離單元。這種光隔離單元，正向傳輸光被外部引入的波導耦合出纖芯至包層波導中，經過一段距離，隨外部波導與纖芯距離的變短，光場再次被耦合入光纖；反向傳輸光首先被外部波導耦合出光纖至包層波導中，經過一段距離傳輸，伴隨包層波導與纖芯距離的增大，其光場在包層中被逐步損耗。通過將至少一個光隔離單元進行不同方式的級聯，得到光纖隔離系統，我們稱這種系統為新型光纖隔離器。

這種新型光纖隔離器，一方面可以克服現有隔離器生產工藝復雜的問題，另一方面基于內部波導的光纖隔離器是一種全帶寬器件，不同波長上隔離度平坦，還可以通過調整級聯光隔離單元的數目、角度控制該器件的隔離度、插入損耗、偏振特性等性質。基于以上認識，本申請提出的新型光纖隔離器的設計是一種顯著的技術進步。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了利用波導間耦合作用原理的一種新型全光纖光隔離器的設計方法。

本發明實現光隔離功能的基本原理是通過利用具有微小夾角波導之間的相互耦合作用而實現的。

當兩個波導存在一定夾角的時候，波導之間的耦合作用隨著波導之間的距離變化而變化。波導之間距離小，耦合作用強，波導之間距離大，耦合作用減小，最終在距離增大到一定尺度時，波導間耦合作用消失，兩個波導互不影響。利用以上原理，如果在光纖內引入一段可以與光纖纖芯發生耦合的一段波導，并且使該波導與光纖纖芯呈現一定夾角，使得這段波導起點與纖芯重合，終點與纖芯之間存在一定距離。這時在該波導的不同位置，與光纖纖芯距離不一致，耦合作用強弱不一致。規定波導與光纖纖芯距離較小的方向到距離較大的方向為反方向，那么當光纖內光沿反方向入射時，兩個波導耦合作用由強到弱，當耦合作用較強時，纖芯內光場的能量耦合入包層波導，當耦合作用較弱時，包層波導內的光場能量不能耦合回光纖纖芯，這部分能量最終在光纖內耗散，使得反方向傳輸光存在一個較大損耗。當光纖內光沿正方向如何時，兩個波導耦合作用由弱到強，纖芯內的光場同樣被耦合如包層波導中。但是由于當波導之間的距離足夠小時，包層波導與纖芯重合，此時被耦合出纖芯，存在于包層波導的光場能量重新回到纖芯中，此時整個結構損耗較小。通過以上原理，實現了正向損耗小，反向損耗大的光隔離器的基本功能，稱這樣的一個結構為一個光隔離單元。在具體光纖隔離器設計中，需要集成多個光隔離單元，來實現光纖隔離器對于隔離度，偏振，插入損耗的要求。