专利名称：保偏光纤耦合器、其制备方法及全光纤电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种保偏光纤耦合器及其制备方法。本发明还涉及一种应 用该保偏光纤耦合器的全光纤电流传感器。
背景技术：
保偏光纤耦合器目前在各个领域都得到了普遍的应用，特别在保偏传 感器中的应用尤为重要。目前大部分的保偏光纤是应力型保偏光纤，利用 这类光纤所做成的保偏耦合器，其主要特性对温度特别敏感，对封装工艺
要求特别高，也对使用温度的范围有相当的限制。这里以3x3保偏光纤耦 合为例(见图1)，这种器件是用三根保偏光纤先经直线型放置定位，而 后确保光纤间平行紧靠，然后再进行熔融拉锥而成的。由于由保偏光纤来 制备3x3保偏光纤耦合器本身的制作难度大，再加上器件性能对输入偏振 态和温度有较大的敏感性，这给实际的生产带来较大的挑战，成品率受严 重的影响。而3x3保偏耦合器件在许多光纤传感系统有着极其重要的应 用，因此开发高可靠性的3x3保偏光纤耦合器是一件刻不容缓的事。而对 于用普通单模光纤所做成的1x2 (或2x2， 1x3， 3x3， 1x4)的耦合器， 其在-40°C 85°C的范围内不仅有非常好的温度特性，而且偏振依赖性也 非常低。本发明人也曾在1994年提出了利用局部保圆(完全退化的线双 折射)光纤，设计了一种不需定轴的2x2保偏线偏振光纤耦合器的设想， 这类器件尽管也能改善器件的上述相关特性，但因制造局部保圆光纤本身的高成本，且工艺上不易控制的缘故，也并未被推广应用。要是利用这个
概念试制3x3保偏光纤耦合器，那就更不现实了，但可以根据3x3保偏耦 合器在实际光纤传感器中的应用特点，来设计更可靠合理的器件。
采用传统的3x3保偏光纤耦合器的全光纤电流传感器，同样因传统保 偏光纤耦合器的缺点而使其该器件的主要性能不可靠。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种保偏光纤耦合器，该器件具有高 的性能稳定性和可靠性。本发明还提供保偏光纤耦合器的制备方法及应用 了该保偏光纤耦合器的全光纤电流传感器。
为解决上述技术问题，本发明的保偏光纤耦合器，其耦合区由单模光 纤制成，所述保偏光纤耦合器的输入端至少包含一保偏光纤，与其直接相 通的输出端为单模光纤，所述保偏光纤耦合器的输入端至少包含一单模光 纤，与其直接相通的输出端为保偏光纤，所述输入端和输出端的保偏光纤 分别和耦合区中相对应的单模光纤熔接成一体。
本发明的保偏光纤耦合器的制备方法，包括如下步骤
(1) 根据输入端和输出端对保偏光纤的要求，准备二节型光纤，所述 二节型光纤为单模光纤的一端熔接保偏光纤的一端而成的光纤；
(2) 对步骤一中的光纤按要求排列定位，且互相紧靠；
(3) 将步骤二中排列定位后的多根单模光纤区域拉制成耦合区。 本发明的全光纤电流传感器，所述全光纤电流传感器中的3x3保偏光
纤耦合器的耦合区由单模光纤制成， 一个输入端为保偏光纤，与其直接相 通的输出端为单模光纤；另两个输入端为单模光纤，与这两个输入端相应的直接相通的输出端均为保偏光纤。
本发明的保偏光纤耦合器，因其耦合区由单模光纤拉制而成，没有任 何保偏光纤，故消除了原有的保偏光纤耦合器的耦合区中使用保偏光纤带 来的性能不稳定的缺点，提高了器件的可靠性和稳定性。本发明的保偏光 纤耦合器在制备过程中，二节型光纤由保偏光纤和单模光纤用熔接机在拉 制耦合器前熔接在一起，对在熔接过程中保偏光纤的应力取向没有特殊要 求，同时熔接的单模光纤和保偏光纤的模场直径相同或相差小于20%的，
能减少二者之间的熔接损耗；而在步骤二的定位中，不管是输入端还是输 出端的保偏光纤，既可都定位在慢轴，也可都定位在快轴上，还可根据需 要，有些定位在慢轴上，而有些则定位在快轴上，故应用性强。同样地， 采用本发明的保偏光纤耦合器，不仅偏振依赖损耗(Polarization D印endent Loss, PDL)像普通的单模光纤耦合器一样，而且偏振隔离度 (Polarization Extinction Ratio, PER)对》显度的依赖性也非常小，因 而大大提高器件的长期稳定性。同时，在工业化生产中，能显著提高器件 的成品率。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明 图1为现有的3x3保偏光纤耦合器的结构示意图； 图2为二节型光纤结构示意图3为第一类保偏光纤耦合器熔拉耦合器前各光纤直线型排列示意 图及截面示意图4为第二类保偏光纤耦合器熔拉耦合器前各光纤直线型排列示意图及截面示意图5为第二类保偏光纤耦合器熔拉耦合器前各光纤品字型排列示意 图及截面示意图6为第三类保偏光纤耦合器熔拉耦合器前各光纤直线型排列示意 图及截面示意图7为直通式光纤电流传感器的结构示意图； 图8为反射式光纤电流传感器的结构示意图。
具体实施例方式
本发明的保偏光纤耦合器是在基于普通单模光纤耦合器的工艺和特 性，以及线偏振光在无弯曲无微扰的理想单模光纤中的传输特性下开发出 来的。本发明的保偏光纤耦合器的主要特点为耦合区的全部由单模光纤 拉制而成；保偏光纤耦合器的输入端至少包含一保偏光纤，与其直接相通 的输出端为单模光纤，所述保偏光纤耦合器的输入端至少包含一单模光 纤，与其直接相通的输出端为保偏光纤，所述输入端和输出端的保偏光纤 分别和耦合区中相对应的单模光纤熔接成一体。在同一个器件中，不管是 输入端的还是输出端的保偏光纤，既可都定位在慢轴，也可都定位在快轴 上，还可根据需要，有些定位在慢轴上，而有些则定位在快轴上。保偏光 纤和单模光纤全部是用熔接机在拉制耦合器前己经熔接在一起的。
本发明的保偏光纤耦合器在耦合区完全使用了一般的单模光纤，这和 现有的保偏光纤器件是不一样的，现有的保偏光纤器件的耦合区中至少有 一根是保偏光纤。本发明的保偏光纤耦合器制备时， 一般会用到一种二节 型光纤。这二节型的光纤的制备方法是取一段保偏光纤，将一定长度的保偏光纤为涂敷层剥掉，再用割刀在Ll处将端口处割平，Ll的长度一 般在3mm到15irai之间，再取一根相应的单模光纤，将涂敷层剥掉后，再 用割刀在L2处割平，再利用熔接机将二段光纤通过两个割平的端口熔接 在一起，其熔接点为A (见图2)。 L2的长度一般可以在13画到55腿之 间，上述Ll和L2的尺寸以能保证使在制备拉制耦合区之前中间有均有足 够长度的单模光纤区域为准。需要说明的是这种光纤结构放置取向可以不 一样，即可以是左边为保偏光纤，右边是相应的单模光纤(如图2所示)， 也可以左边为相应的单模光纤，右边是保偏光纤，可根据具体器件设计的 要求来放置。上述光纤结构为制备本发明的保偏光纤耦合器的基本结构， 可根据实际要求的输入端口数来制备本发明的保偏光纤耦合器。二节型光 纤中使用的单模光纤要选择与相熔接的保偏光纤有相同或相近(相差小于 20%)的模场直径，以便降低光纤的熔接损耗。当然，也可根据对实际器 件的设计要求采用模场差别比较大的单模光纤。
根据上述本发明的保偏光纤耦合器的基本特点和具体的器件结构，可 实现多中类型的保偏光纤器件。图3至图6给出了在熔拉耦合器之前的各 光纤的排列组图。图3为第一类保偏光纤耦合器，其由两根二节型光纤组 成，输入端为一保偏光纤和一单模光纤，相对应的直接相通的输出端为一 单模光纤和一保偏光纤，利用这个结构可做成多种1x2或2x2的分路器 和波分复用器。如果上述器件中选用存在一定的差异的单模光纤，可以做 成宽带耦合器。这里输入端和输出端直接相通是指拉制耦合区之前输入端 和输出端为一根相连接的光纤。图4为第四类保偏光纤耦合器，其有三根 二节型光纤组成，三根光纤可以直线型排列拉制成耦合器，也可以呈品型排列拉制呈耦合器(见图5)，使其更紧凑，其可应用在电流传感器中。
图6中的保偏光纤耦合器由五根二节型光纤组成，输入端有一根是保偏光 纤，另外四根是单模光纤；而输出端四根为保偏光纤， 一根为单模光纤， 这个结构也可构成多种功能器件。
本发明的保偏光纤耦合器的制备方法，可分为以下步骤
1、 首先根据所设计器件的要求，按上述方法利用保偏光纤和单模光 纤制备出二节型光纤。
2、 将所准备的光纤按要求排列定位，排列方式可参见上面的介绍， 也可根据要求自行设计；
3、 最后将中间的多根单模光纤紧密排列在一起后拉制成耦合区。 3x3保偏光纤耦合器在光纤电流传感器中有着重用的应用意义，因一类
全光纤电流传感器中输入端只需要一根是保偏光纤，还有二个输入端因被 用作监控反射回来的功率，直接接入光探测器，因而不一定使用保偏光纤; 对于输出端，有一根端口没有被使用或空置，或也只可能用作功率监控， 所以也不需要用保偏光纤，故需要用更可靠的结构的器件来优化。
图7为一种采用了本发明的3x3保偏光纤耦合器的全光纤电流传感器， 其包括有光源、3x3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片和传感光 纤环。其连接关系为光源连接到3x3保偏光纤耦合器的保偏光纤输入端， 3x3保偏光纤耦合器的其中两个保偏光纤输出端分别和两个光纤偏振器连 接，两个光纤偏振器的另一端则分别通过l/4光纤波片接到传感光纤环的两 端；3x3保偏光纤耦合器的单模光纤输出端空置或接光电探测器；3x3保偏 光纤耦合器的剩余两个单模光纤输入端分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
图8为另一种采用了本发明的3x3保偏光纤耦合器的全光纤电流传感 器，其包括有光源、3x3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、V4光纤波片、保 偏光纤偏振分离器和传感光纤环；光源连接到3x3保偏光纤耦合器的保偏光 纤输入端，3x3保偏光纤耦合器的保偏光纤输出端分别和两个光纤偏振器 连接，两个光纤偏振器通过保偏光纤偏振分离器与l/4光纤波片相连接，其 中保偏光纤偏振分离器的一端和其中一个光纤偏振器用旋转90。焊接头连 接，保偏光纤偏振分离器的另一端通过O。焊接头与所述另一光纤偏振器相 接，由1/4光纤波片连接传感光纤环；所述3x3保偏光纤耦合器的单模光纤 输出端空置或接光电探测器；所述3x3保偏光纤耦合器的单模光纤输入端分 别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
从上可知，图4和图5中的保偏光纤耦合器均可用在图7和图8的全光纤 电流传感器中。使用本发明的3x3保偏光纤耦合器，因消除了原有的保偏光 纤耦合器中耦合区保偏光纤性能不稳定的缺点，故能提高电流传感器的长 期稳定性和可靠性。
权利要求
1、一种保偏光纤耦合器，其特征在于所述保偏光纤耦合器的耦合区由单模光纤制成，所述保偏光纤耦合器的输入端至少包含一保偏光纤，与其直接相通的输出端为单模光纤，所述保偏光纤耦合器的输入端至少包含一单模光纤，与其直接相通的输出端为保偏光纤，所述输入端和输出端的保偏光纤分别和耦合区中相对应的单模光纤熔接成一体。
2、 按照权利要求l所述的保偏光纤耦合器，其特征在于所述保偏光 纤耦合器的一个输入端为保偏光纤，与其直接相通的输出端为单模光纤； 所述保偏光纤耦合器的另一个输入端为单模光纤，与其直接相通的输出端 为保偏光纤。
3、 按照权利要求l所述的保偏光纤耦合器，其特征在于所述保偏光 纤耦合器的一个输入端为保偏光纤，与其直接相通的输出端为单模光纤；另两个输入端为单模光纤，相对应的直接相通的输出端均为保偏光纤。
4、 按照权利要求l所述的保偏光纤耦合器，其特征在于所述保偏光 纤耦合器的两个输入端为保偏光纤，与这两个输入端相对应的直接相通的 输出端均为单模光纤；另外一个输入端为单模光纤，与其直接相通的输出端为单模光纤。
5、 按照权利要求3或4所述的任一项权利要求所述的保偏光纤耦合器， 其特征在于所述三个输入端和三个输出端均呈直线型排列。
6、 按照权利要求3或4所述的任一项权利要求所述的保偏光纤耦合器， 其特征在于所述三个输入端和三个输出端均呈品字型排列。
7、 按照权利要求l所述的保偏光纤耦合器，其特征在于所述保偏光纤耦合器的一个输入端为保偏光纤，与其直接相通的输出端为单模光纤， 其余四个输入端为单模光纤，与这四个输入端相对应的直接相通的输出端 均为保偏光纤。
8、 一种制备权利要求l所述的保偏光纤耦合器的方法，其特征在于 包括如下步骤(1) 根据输入端和输出端对保偏光纤的要求，准备二节型光纤，所述 二节型光纤为单模光纤的一端熔接保偏光纤的一端而成的光纤；(2) 对步骤一中的光纤按要求排列定位，且互相紧靠；(3) 将步骤二中排列定位后的多根单模光纤区域拉制成耦合区。
9、 按照权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述步骤(1)的二 节型光纤中，单模光纤和保偏光纤的模场直径相同或相差小于20%，以减少 二者之间的熔接损耗。
10、 一种全光纤电流传感器，其特征在于所述全光纤电流传感器中的3x3保偏光纤耦合器耦合区由单模光纤制成， 一个输入端为保偏光纤，与 其直接相通的输出端为单模光纤；另两个输入端为单模光纤，与这两个输 入端相对应的直接相通的输出端均为保偏光纤。
11、 按照权利要求10所述的全光纤电流传感器，其特征在于 所述全光纤电流传感器包括有光源、3x3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、1/4光纤波片和传感光纤环；所述光源连接到所述3x3保偏光纤耦合器的保偏光纤输入端，所述3x3 保偏光纤耦合器的两个保偏光纤输出端分别和两个光纤偏振器连接，所述 两个光纤偏振器的另一端则分别通过l/4光纤波片接到所述传感光纤环的两端；所述3x3保偏光纤耦合器的单模光纤输出端空置或接光电探测器；所 述3x3保偏光纤耦合器的剩余两个单模光纤输入端分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
12、按照权利要求10所述的全光纤电流传感器，其特征在于 所述全光纤电流传感器包括有光源、3x3保偏光纤耦合器、光纤偏振器、 1/4光纤波片、保偏光纤偏振分离器和传感光纤环；所述光源连接到所述3x3保偏光纤耦合器的保偏光纤输入端，所述3x3 保偏光纤耦合器的保偏光纤输出端分别和两个光纤偏振器连接，所述两个 光纤偏振器通过所述保偏光纤偏振分离器与所述l/4光纤波片相连接，其中 所述保偏光纤偏振分离器一端和所述其中一个光纤偏振器用旋转90。焊接 头连接，所述保偏光纤偏振分离器的另一端通过O。焊接头与所述另一光纤 偏振器相接，由所述l/4光纤波片连接传感光纤环；所述3x3保偏光纤耦合 器的单模光纤输出端空置或接光电探测器；所述3x3保偏光纤耦合器的单模 光纤输入端分别通过两个光电探测器与信号处理器相连接。
全文摘要
本发明公开了一种保偏光纤耦合器，该保偏光纤耦合器的耦合区由单模光纤制成，保偏光纤耦合器的输入端至少包含一保偏光纤，与其直接相通的输出端为单模光纤，保偏光纤耦合器的输入端至少包含一单模光纤，与其直接相通的输出端为保偏光纤，输入端和输出端的保偏光纤分别和耦合区中相对应的单模光纤熔接成一体。本发明的保偏光纤耦合器的制备方法，首先用熔接机制备二节型光纤；其次，按设计要求对光纤进行排列和轴向定位；最后，将中间的多根单模光纤熔拉成耦合区。本发明的保偏光纤耦合器中，耦合区均由单模光纤拉制而成，因而器件具有对偏振，温度环境不灵敏的特点，大大提高了器件的稳定性和可靠性。本发明还公开了一种全光纤电流传感器。
文档编号G02B6/28GK101515049SQ200810043138
公开日2009年8月26日 申请日期2008年2月21日 优先权日2008年2月21日
发明者勇 黄 申请人:上海康阔光通信技术有限公司