CN101825742A - 一种使光子晶体光纤实现起偏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使光子晶体光纤实现起偏的方法。现有的方法制作工艺比较复杂，插入损耗相对较高。本发明方法是在光子晶体光纤的包层中的部分空气孔中灌入溶液，使得包层折射率分布不对称，入射光经过该光子晶体光纤即可实现偏振；部分空气孔是以光子晶体光纤的中心为圆心、圆心角为α的扇环区域中所包含的空气孔；该扇环区域的短半径为光子晶体光纤的纤芯半径与一个空气孔直径之和，扇环区域的长半径为光子晶体光纤的半径。空气孔中灌入溶液的光子晶体光纤的长度为10mm～15mm。本发明方法简单，制作方便，此外该方法制作的偏振器件消光比高、性能稳定。

Description

一种使光子晶体光纤实现起偏的方法

技术领域

本发明属于光纤偏振技术领域，涉及一种使光子晶体光纤实现起偏的方法。

背景技术

随着光纤通信和光纤传感技术的迅猛发展，光的偏振态对系统及元器件显得越发重要。光纤偏振器件作为偏振器件的一个重要分支，发挥着独特的作用。由于光纤偏振器体积小、重量轻、插入损耗低、消光比高，与光纤系统的兼容性强，因而倍受青睐。光纤偏振器应用广泛，在光隔离器、光环行器、光开关和光调制器等无源器件中大量使用；在光器件测试系统中，光纤偏振器与其他器件配合可以获得稳定灵活的测试条件，实现对器件的多参数检测；在光纤系统中，光纤偏振器是产生线偏振光的关键器件；在以偏振或者相位为主要检测特征的光纤系统，光纤偏振器是重要无源器件，如光纤陀螺、光纤电流传感器、光纤水听传感器以及相干光通信系统等。现有的光纤偏振器件主要包括以下几种。

金属包层光纤偏振器件是将光纤嵌在一变曲率半径的槽中研磨，将光纤磨抛到纤芯附近，再镀上介质-金属复合膜层。当光波到达此复合膜区时，在介质-金属界面上产生的表面等离体波将光纤内一个偏振模耦合损耗掉。另一偏振模不能激发表面等离子体波，可几乎无损耗地通过此区域，从而实现起偏功能。这种光纤偏振器消光比可以达到35dB以上、插入损耗低于0.5dB、温度稳定性较好、易于实现小型化；但是制作工艺复杂，在小批量生产时消光比只能保证30dB。

环形线圈光纤偏振器是利用了卷绕的保偏光纤对不同偏振模式具有不同的弯曲损耗制成的。在确定好所需保偏光纤长度和曲率半径后，将光纤均匀卷绕在一个特定曲率半径的线圈骨架上。线圈光纤偏振器尺寸较大，通常骨架的半径要10cm左右，缠绕的光纤长度达几米长。此类偏振器制作简单，消光比通常可以达到30dB，但整个器件的插入损耗较大，达3dB。

微孔光纤偏振器是在一段D形微孔光纤的微孔中注入金属而构成的。在光纤的包层中靠近纤芯处做出一个D形微孔，微孔通常距离纤芯几个微米，当在微孔内注入某种金属后，大的结构非对称性导致光偏振状态发生变化，成为衰减型光纤偏振器。一根长约40cm的微孔光纤偏振器的消光比可达40dB，但插入损耗也比较大，高达2.5dB。

液晶灌入式光子晶体光纤偏振器件在光子晶体光纤的包层空气孔中灌入液晶。由于液晶的各向异性，对两个正交偏振态的损耗不同，从而导致偏振态的产生。但是，由于此类偏振器件是利用灌入液晶后光场变大从而损耗增加的原理，所以该器件有较大的插入损耗。此外，此类器件需要由长1至1.5米的光子晶体光纤才能达到35dB的消光比，大大增加实验成本。

在综上所述的研究中，现有的光纤偏振器件在性能和制作方法上各有特点，但是都存在各自的缺点。金属包层光纤偏振器尺寸小、消光比高、插入损耗低，但是制作工艺比较复杂。线圈光纤偏振器制作工艺较简单，但是尺寸较大，插入损耗相对比较高。微孔光纤偏振器制作简单，但是插入损耗相对较高。液晶灌入式光子晶体光纤偏振器件制作方便，但是成本较高，有较大的插入损耗。基于光纤偏振器件的广阔应用及对新型光纤偏振器件的迫切需求，需要大大改进和提高现有的光纤偏振器件制作技术，以满足工程应用及科学研究的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有偏振器件制作工艺复杂、尺寸大、性能不稳定等问题，提供了一种使光子晶体光纤实现起偏的方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

在光子晶体光纤的包层中的部分空气孔中灌入溶液，使得包层折射率分布不对称，入射光经过该光子晶体光纤即可实现偏振；所述的溶液为去离子水和乙醇。

所述的部分空气孔是以光子晶体光纤的中心为圆心、圆心角为α的扇环区域中所包含的空气孔；该扇环区域的短半径为光子晶体光纤的纤芯半径与一个空气孔直径之和，扇环区域的长半径为光子晶体光纤的半径，其中30°≤α≤45°；所述的扇环区域中所包含的空气孔是指该空气孔的完整截面在该扇环区域范围内。

空气孔中灌入溶液的光子晶体光纤的长度为10mm～15mm。

本发明所具有的优点为：通过在光子晶体光纤的局部空气孔灌入溶液就可以实现偏振功能，所以实现起偏的方法简单，制作方便；整个偏振器件只需10mm～15mm光子晶体光纤，所以该器件结构紧凑、尺寸小；此外该方法制作的偏振器件消光比高、性能稳定，可以广泛应用于光纤通信和光纤传感技术中。

附图说明

图1为光子晶体光纤灌入溶液后的截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，取10～15mm长的光子晶体光纤1(本实施例取12mm)，然后在该光子晶体光纤1的部分包层空气孔2灌入去离子水3(折射率为1.44)，形成包层折射率分布不对称。该部分空气孔处于以光子晶体光纤的中心为圆心，圆心角为30°～45°所形成的扇环区域中(本实施例中圆心角取30°)；去离子水3充满整个扇环区域内的空气孔(除了与纤芯紧邻的空气孔)，当波长为1550nm入射光经过该段光子晶体光纤1即可产生起偏。

本发明实现偏振的方法是基于以下原理：光纤偏振器要解决的问题是设法保留一个偏振模而消除另一个偏振模，其基本原理可分为两大类：一类是衰减型的，即增加两个偏振模的衰减差，如金属包层光纤偏振器、环形线圈光纤偏振器等；另一类是截止型的，即让其中的一个偏振模截止，如双折射晶体包层光纤偏振器等。

本发明实现起偏功能的关键技术为：

光子晶体光纤也称作多孔光纤或微结构光纤，是一种新型光纤且具备优良的光学特性。在其包层中分布着沿径向周期性排列、沿光纤轴向伸展的波长量级的空气孔。一方面可以通过灵活改变空气孔大小、形状、位置分布来获得具有各种特殊性质的光子晶体光纤。另一方面可以通过在空气孔灌入溶液(或液晶)，引起包层折射率变化设计和制作出具有特殊用途的光子晶体光纤。

在光子晶体光纤包层局部空气孔中灌入溶液，包层折射率分布不对称。这不仅导致光纤高双折射效应出现，使两个正交偏振模式产生大的有效折射率差；而且由于包层折射率分布不对称，纤芯中的能量很容易在灌入溶液方向上产生泄漏，使两个偏振模式的传输损耗差别加大。当光在此结构的光纤中传输一段距离后(在实施例中选用12mm长的光子晶体光纤)，一个偏振模式将完全损耗掉，因而实现了起偏功能。

使用全矢量有限元分析法，可以从理论上模拟光在灌入去离子水的光子晶体光纤传输情况。实验中所使用光子晶体光纤为Crystal Fiber A/S生产的HC-1550-02光子带隙型光子晶体光纤。表1表示理论计算所得的在不同波长时，两个正交模式(X和Y)的限制损耗(confinement loss，CL)及偏振相关损耗(polarizer dependence loss，PDL)。由表1的结果可得，在波长1500-1620nm范围，灌入去离子水的光子晶体光纤有较高的偏振相关损耗，所以可以实现偏振。

表1.不同波长时X和Y模式的CL及PDL变化

波长(nm)	1500	1520	1540	1560	1580	1600	1620
								CL(X)(dB/mm)	0.2731	0.3834	0.3380	0.2481	0.8135	1.2763	1.7120
CL(Y)(dB/mm)	3.1655	3.8748	3.0195	2.9220	3.5133	4.4228	5.2999
								PDL(dB/mm)	2.8924	3.4914	2.6815	2.6738	2.7028	3.1465	3.5879

Claims (1)

1.一种使光子晶体光纤实现起偏的方法，其特征在于该方法是在光子晶体光纤的包层中的部分空气孔中灌入溶液，使得包层折射率不对称，入射光经过该光子晶体光纤即可实现偏振；所述的溶液为去离子水或乙醇；

所述的部分空气孔是以光子晶体光纤的中心为圆心、圆心角为α的扇环区域中所包含的空气孔，30°≤α≤45°；该扇环区域的短半径为光子晶体光纤的纤芯半径与一个空气孔直径之和、长半径为光子晶体光纤的半径；所述的扇环区域中所包含的空气孔是指该空气孔的完整截面在该扇环区域范围内；

空气孔中灌入溶液的光子晶体光纤的长度为10mm～15mm。