[发明专利]一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件

说明书

本发明公开的一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器件，包括光纤、倾斜光纤光栅(3)以及输出耦合系统，其中：光纤由光纤纤芯(1)和光纤包层(2)组成，构成导光的器件；倾斜光纤光栅(3)的光栅平面与光纤纤轴成45°夹角；输出耦合系统采用外耦合模式和内耦合模式。本发明采用的原材料普遍，价格便宜，加工容易，制造简单，生产成本低，便于大规模生产；因充分利用光纤灵活可弯曲的特点，故方便了器件的使用；因采用了45°倾斜光纤光栅，故可以有效地将一束光中的P波和S波进行分离，同时充分利用该器件全光纤的特点，大大方便了所述偏振分束器在光纤系统中的集成应用及其他场景中的柔性应用。

技术领域

本发明涉及光纤光学技术领域，具体是一种基于45°倾斜光纤光栅的半双工偏振分束器件。

背景技术

偏振分束器件作为传统光学元件产生单一偏振光，已广泛应用于光学、激光等领域。常规的偏振分束棱镜只产生单一偏振方向光，或两个线偏振光束有一定夹角的光束。而产生两偏振相互垂直的光束，同时传播方向相互平行的器件，通常是采用Walk-off晶体。目前存在的最大折射率差值的双折射晶体，如钒酸钇和金红石，walk-off角约6°，当晶体为10mm长时，o光和e光分离仅1mm。

偏振光分束器能实现电磁波两种相互正交偏振模式的分离并沿不同方向传播，在光通信、光存储和集成光路中发挥中重要作用。随着光纤、薄膜、蚀刻等技术的迅速发展和广泛应用，基于微光学原理的偏振分束方法得到了很好的发展。目前在偏振分束方面常用的微光学手段有Y分支、多层膜结构、缺陷法、晶体结构法、定向耦合等。这些方法都各自有自身的优点，但同时也存在不足和限制：基于光子晶体的定向耦合实现的偏振分束器传输损耗小，但是分束角小，须在输出端引入弯曲波导，加大了器件尺寸；基于晶体结构的偏振分束器结构紧凑，可以实现器件的高层次集成，然而它的设计是复杂而耗时的，制造是比较困难和高成本的，而且其偏振分束性能依赖于结构参数和操作波长；基于多模干涉结构的偏振分束器结构简单，但是总是很长不利于集成化。

总之，上述各种分束系统或多或少都存在着加工困难、结构复杂、集成度不高的缺陷。

一般情况下，自然光在两种各向同性介质的界面上反射和折射时，反射光和折射光均为部分偏振光，只有当入射角为某特定角度时，反射光才是线偏振光，振动方向垂直于入射面，而折射光仍然为部分偏振光，且此时反射光与折射光互相垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用θ_b表示，此规律称为布儒斯特定律，原理图见图1。

由折射定律和几何关系布儒斯特角可由下式计算得：

θ_b＝arctan(n₂/n₁)

在45度倾斜光纤光栅(45°-TFG)中，布儒斯特角的计算公式可表示如下：

其中，n_core为光纤芯层的初始折射率，Δn为紫外光刻写光栅时引入的折射率增量，通常为10-4量级，远小于光纤芯层的初始折射率，所以可得光栅的布儒斯特角或起偏角为45°，正是倾斜光栅条纹的倾角。

45°倾斜光纤光栅(45°-TFG)的偏振原理见图2，当自然光进入45°-TFG，入射角为光栅的布儒斯特角45°，所以S偏振光在每个倾斜条纹界面上均要发生反射，耦合进包层成为辐射模，从光纤侧面辐射出去，而芯层模式中的P偏振光则完全不能反射，继续向前传输，通过45°TFG倾斜条纹多次折反射后，包层辐射模只有S偏振光，芯层导模基本上只有P偏振光，故45°TFG可以作为一种理想的偏振分束器件，实现TE、TM高效大角度分离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现在偏振分束器结构复杂、加工困难的问题，提供一种基于45°倾斜光纤光栅的偏振分束器设计方法，这种偏振分束器具有结构简单，TE、TM可以实现高效大角度分离，结构简单，工作带宽大，易于加工制造等优点，同时还可以以半双工模式进行工作。