CN102540325B

CN102540325B - 一种基于光子晶体光纤的高精度Lyot去偏器

Info

Publication number: CN102540325B
Application number: CN201210075466.9A
Authority: CN
Inventors: 陈侃; 黄腾超; 舒晓武; 刘承
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: CN102540325A

Abstract

本发明公布了一种基于光子晶体光纤的高精度Lyot去偏器，现有的技术中受环境影响较大，抗辐照能力较弱，及耦合熔接条件的限制，较难制作出性能理想的光纤消偏器，由一根保偏光子晶体光纤实现，光子晶体光纤的横截面具有正方晶格二维周期性微结构，所述的周期性微结构呈正方形，由背景介质和周期性分布排列在背景介质中的圆形介质棒或介质管组成。光子晶体光纤长度为L，分为前后两段，长度分别为L₁和L₂，依入射光前进方向，光从前段入射进入光子晶体光纤去偏器，从后段出射，前后两段的光学双折射主轴夹角为45度，前段部分长度L₁满足大于光纤的消偏长度L_d，前后两段的长度比满足L₂≥2L₁。本发明测量精度高、抗干扰能力强。

Description

一种基于光子晶体光纤的高精度Lyot去偏器

技术领域

本发明涉及一种光纤去偏器，尤其是一种基于光子晶体光纤的高精度Lyot去偏器。

背景技术

去偏器是去偏光学系统中的一个关键器件，起着抑制偏振相关误差、降低外部物理场影响等关键作用。利用两段对接的保偏光纤构成的Lyot去偏器因结构简单易于制作，在实际的去偏光路系统中普遍应用。它由长度比为1：2且双折射主轴夹角为45度的两段保偏光纤构成，其中的任一段保偏光纤本身均起一定的保偏或消偏作用。为保证精度，Lyot光纤去偏器对两段保偏光纤的角度对接对准程度提出了很高的要求。由于普通保偏光纤的双折射效应是光纤在拉制降温过程中，纤芯附近掺杂材料由于差异热扩张产生应力而形成的应力双折射，因掺杂浓度成分不一致在耦合拼接时容易造成对准误差，且本身受环境影响较大，抗辐照能力较弱，及耦合熔接条件的限制，较难制作出性能理想的光纤消偏器，从而限制了它的应用。光子晶体光纤（PCF，Photonic Crystal Fiber）因其微结构设计灵活，易于达到偏振控制对光纤消偏器结构参数的要求。由于PCF的双折射主要来源于光纤的几何结构非对称，可使用同一种材料，仅通过改变结构参数破坏对称性形成高双折射效应，这是传统保偏光纤所不及的。

光子晶体光纤又被称为微结构光纤（MSF，Micro-structure Fiber），多孔光纤（HF，Holey Fiber），它的横截面上通常含有周期性排列分布的介质棒，这些介质棒的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，以周期性规则排列中缺少单一介质棒的形式的缺陷区域充当波导光纤纤芯，缺陷的类型有空气缺陷和电介质缺陷。纤芯中引导光的一种机理是光以类似于传统光纤中全内反射（TIR，Total Internal Reflection）形式传播的折射率引导型（Index Guiding），另一机理是通过对微结构尺寸和周期排布的合适设计产生光子带隙（PBG，Photonic Band Gap）效应，使对应于缺陷态（局域态）的特定频率的光被限制在纤芯内传播。PCF具有独特的模式特性、损耗特性、耦合特性以及色散关系等光学特性，引起了国内外科研单位的广泛关注。

发明内容

本发明针对现有技术中普通保偏光纤的缺点，提供一种基于光子晶体光纤的高精度Lyot去偏器，能够优化去偏光学系统的偏振控制，减小偏振误差以满足高精度要求。

本发明一种基于光子晶体光纤的新型高精度Lyot去偏器，由一根保偏光子晶体光纤实现，光子晶体光纤的横截面具有正方晶格二维周期性微结构，所述的周期性微结构呈正方形，由背景介质和周期性分布排列在背景介质中的圆形介质棒或介质管组成。光子晶体光纤长度为L，分为前后两段，长度分别为L₁和L₂，依入射光前进方向，光从前段入射进入光子晶体光纤去偏器，从后段出射，前后两段的光学双折射主轴夹角为45度，前段部分长度L₁满足大于光纤的消偏长度L_d，前后两段的长度满足L₂≥2L₁。

所述的背景介质为是玻璃、塑料、聚合物或硅；介质棒或介质管为是折射率比背景介质低的玻璃、塑料、聚合物、空气或硅。

所述的光子晶体光纤，在前段部分和后段部分各引入两处大介质棒或大介质管缺陷结构，而其它介质棒或介质管前后一致，使得前后两段光纤的光学双折射主轴发生45度偏转。

所述的光子晶体光纤，若引入多个前后段部分，可实现一根光纤中包含多个正方晶格光子晶体光纤去偏器。

本发明的有益效果在于：

1）本发明的Lyot型光子晶体光纤去偏器，通过横截面二维纤芯结构及纤芯内圈部分设计45度旋光结构，合理设置光纤前后段部分的长度，可在单根光纤中实现光波消偏，从而不依赖于另外的高分辨力角度偏转装置并减省了光纤熔接过程。

2）本发明的Lyot型光子晶体光纤去偏器，由于在单根光纤中实现光波消偏，克服了熔融应力区的产生和光纤包层的微变形等由光纤之间耦合熔接带来的不利因素和复杂情况，因而避免了波导结构的破坏从而提高光纤去偏器的稳定性和消光比性能，提高了测量精度。

3）本发明的Lyot型光子晶体光纤去偏器，基于光子晶体光纤本身的优点，这种去偏器具有抗干扰能力强、可在恶劣环境下工作等特点。

附图说明

图1是正方晶格光子晶体光纤横截面微结构示意图；

图2为本发明Lyot型光子晶体光纤去偏器前段部分的横截面示意图；

图3是XZ平面所示在前段部分X=±1×R_x位置引入对称堆积粗玻璃管示意图；

图4为本发明Lyot型光子晶体光纤去偏器在对角线位置引入大空气孔的后段部分横截面示意图；

图5是XZ平面所示在后段部分对角位置引入粗玻璃管示意图；

图6是Lyot型正方晶格光子晶体光纤去偏器在YZ平面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明加以说明。

Lyot型光纤去偏器前后两段保偏光纤双折射主轴夹角为45度，对两段保偏光纤长度的要求只要短的一段和长短之差都大于光波消偏长度L_d（即min{L₁，L₂}>L_d，|L₂-L₁|>L_d），一般取长度比L₁:L₂=1:2。本发明着重在保偏光子晶体光纤前后两段通过微结构设计实现光学双折射主轴偏转45度，将前段部分设为短的一段L₁，将后段部分设为长的一段L₂，

本发明以常用的堆积法说明实现Lyot型正方晶格光子晶体光纤去偏器，采用正方晶格保偏光子晶体光纤的横截面模型如图1所示，斜线区域表示光纤涂覆层。在纤芯左右水平方向引入区别于包层空气孔的两个对称的大空气孔，从而破坏偏转对称性引起几何型高双折射，纤芯部分局部放大如图2所示，包层取5×5层晶格，空气孔阵列（折射率为1，白色圆形表示）排列在硅基背景介质中（折射率为1.45，灰色区域），Λ为晶格常数，d为包层空气孔直径，D为引入的大空气孔的直径。

由于正方晶格的对角元胞连线正是与X、Y两正交方向成夹角为45度，因而在前段部分长度L₁满足大于光波消偏长度L_d的前提下（L₁>L_d），只需在后段部分将纤芯内圈两个对称的大孔引入在对角线位置，即实现45度旋光，后段部分的长度L₂按照Lyot光纤消偏器的要求需满足L₂≥2L₁。L₁典型值在4～8cm。除大孔位置和长度需合理设置外，其余光子晶体空气孔微结构完全一致，因而在光子晶体光纤的特定位置引入不同的缺陷结构，即可实现用同一根光纤制作出偏振控制器。

在堆积预制棒的阶段，首先设计好光纤长度（前后段L₁:L₂=1:2），按照光子晶体正方晶格的要求堆积普通细玻璃管d，在X=0，Y=0位置缺失一根玻璃管成为导光纤芯。在纤芯水平位置左右对称位置（Y=0，X=±1×R_x）堆积粗玻璃管D，R_x表示X方向上堆积的玻璃管之间的距离，与光子晶体晶格常数相等R_x=Λ，如图3、图4所示，粗玻璃管D自Z=0开始长度为L₁，其后仍接续普通细玻璃管d，长度为L₂。这样形成了Lyot型正方晶格光子晶体光纤去偏器的前段部分，双折射快轴方向为左右两个粗玻璃管中心连线方向（此时沿水平X方向）。

在上下两个纤芯对角晶格位置（X=1×R_x，Y=1×R_y，及X=-1×R_x，Y=-1×R_y），前段L₁长度部分仍堆积普通细玻璃管d，其后为后段部分接续粗玻璃管D，长度为L₂，后段部分横截面如图5所示。

从XZ方向平面上看，后段部分对角位置引入粗玻璃管如图6所示，左图表示Y=1×R_y平面，大孔的位置X=1×R_x，自Z=L₁开始长度为L₂，右图表示Y=-1×R_y平面，大孔的位置X=-1×R_x，自Z=L₁开始长度为L₂。R_y表示Y方向上堆积的玻璃管之间的距离，有R_y=R_x=Λ。这样形成了Lyot型正方晶格光子晶体光纤去偏器的后段部分，双折射快轴方向为左右两个粗玻璃管中心连线方向（此时沿对角线方向），与X、Y轴都成45度夹角。

于是，堆积正方晶格光子晶体光纤预制棒时，在前段部分和后段部分分别引入2处粗玻璃管（大空气孔）缺陷结构，并控制其位置与长度，而其他细玻璃管（包层空气孔）都一致，使得前后两段光纤的双折射主轴发生45度偏转，即可实现用一根光纤实现光子晶体光纤去偏器，其整体YZ平面如图6所示。按照上述方法进行正方晶格光子晶体光纤去偏器的预制棒堆积，然后进行拉丝等后处理即可制作出正方晶格光子晶体光纤去偏器。按照上述预制棒的堆积方法，若引入多个前后段部分，即前后段各2处的缺陷结构堆积沿光纤长度方向整体平移，前后段的粗玻璃管长度比为1：2：1：2……1:2，则可实现拉丝后的光纤中包含多个正方晶格光子晶体光纤去偏器结构。

Claims

1.一种基于光子晶体光纤的高精度Lyot去偏器，其特征在于：该去偏器由一根保偏光子晶体光纤实现，光子晶体光纤的横截面具有正方晶格二维周期性微结构，所述的周期性微结构呈正方形，由背景介质和周期性分布排列在背景介质中的圆形介质棒或介质管组成，光子晶体光纤长度为L，分为前后两段，长度分别为L₁和L₂，依入射光前进方向，光从前段入射进入光子晶体光纤去偏器；从后段出射，前后两段的光学双折射主轴夹角为45度，前段部分长度L₁满足大于光纤的消偏长度L_d，前后两段的长度满足L₂≥2L₁；

所述的背景介质为玻璃、聚合物或硅；介质棒或介质管为折射率比背景介质低的玻璃、聚合物、空气或硅；

2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤的高精度Lyot去偏器，其特征在于：所述的光子晶体光纤引入多个前后段部分，实现一根光纤中包含多个正方晶格光子晶体光纤去偏器。