CN103091771B - 一种光子晶体光纤定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体光纤定向耦合器，由基质材料（1）和分布在其上的孔（2）和孔（3）组成纤芯和包层，所述的孔（2）和孔（3）的中心分别位于正三角形结构网格结点上；所述纤芯为三个，其中第一个纤芯（4）位于基质材料（1）中心区域，由正三角形网格中缺失一个孔所形成，第二个纤芯（5）和第三个纤芯（6）对称地位于所述第一纤芯（4）两侧，纤芯（5）和纤芯（6）均由正三角形网格中缺失一个孔所形成，围绕纤芯（5）和纤芯（6）最内层的空气孔为孔（2）和孔（3），所述孔（3）的直径d2和孔（2）的直径d1之间的关系满足d2≥d1。本发明通过改变两侧纤芯（纤芯（5）、纤芯（6））包层空气孔（3）的直径实现了宽波长范围工作、对光纤长度不敏感、低传输损耗和偏振相关损耗等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信和传感等技术领域，具体涉及一种光子晶体光纤定向耦合器。
背景技术
光纤及光波导定向耦合器作为一种重要的光学器件在光纤通信、有线电视网路、用户回路系统、区域网路等系统中应用十分广泛。尽管有多种基于Y型结构或者T型结构的1×2光分束器件的提出，但由于其透射比较低需引入额外的微调结构来提高光分束器的透射率，从而给该类光分束器的制造带来困难。近几年来，随着光子晶体光纤（PCF）的提出，特别是由于其结构设计上的灵活性等特点而被广泛的研究。光子晶体光纤是一种新型的光学波导结构，它是在二氧化硅背景材料中规则地排列空气孔，而光纤的纤芯是通过破坏包层周期性结构而形成的一种缺陷。人们已经提出多种基于光子晶体光纤的耦合器件，这其中当以研究双芯光子晶体光纤器件的报道最多，它们已经被广泛应用于偏振分束器，波分复用元件，滤波器，色散补偿器等器件中。事实上，光子晶体光纤定向耦合器的研究一直广受关注。但由于这种光纤耦合的能量一般是两极分化，且这种分化对波长依赖性高。因此，常规的光纤定向耦合器一般具有低带宽或高偏振相关损耗。然而，在这方面PCF所具有灵活设计特性起到了很好作用，如最近提出的一种通过在双芯光子晶体光纤中引入非对称结构（增大纤芯两侧空气孔）实现纤芯能量比为0.5:0.5（3 dB）[中国激光, 2009, 36(3): 635]。该文提出的定向耦合器工作带宽为370nm，并且偏振相关损耗小于0.2dB。此外，我们还提出通过三芯光子晶体光纤结构实现由中间纤芯输入，两侧纤芯端输出，输出端能量比为1:1[J. Opt. A: Pure Appl. Opt, 2009, 11: 015102]。事实上，基于三芯光子晶体光纤耦合特性器件的相关研究也一直受到研究者们的关注。目前有报道将三芯光子晶体光纤用于实现偏振分束器件[Opt. Lett., 2006, 31(4): 441]、滤波器[Opt. Express, 2005, 13(25): 10327]、耦合器[J. Lightwave Technol., 2008, 26(6), 663]。然而，将这种三芯结构实现能量一分为三的定向耦合器却很少有报道。究其原因主要是因为要在比较宽的工作波长范围内实现三个纤芯中的能量比为1:1:1（4.7 dB）是比较困难的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于光子晶体光纤的定向耦合器，可以获得低传输损耗、宽带宽以及低偏振相关损耗的光子晶体光纤定向耦合器。
本发明的技术方案是：一种光子晶体光纤定向耦合器，包括基质材料、第一空气孔、第二空气孔、第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，所述基质材料、第一空气孔、第二空气孔组成包层；所述第一空气孔、第二空气孔的中心分别位于正三角形网格结点上，且第二空气孔少于第一空气孔的数量；所述第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯均由正三角形网格中缺失的第一空气孔所组成，所述第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯（的中心的连线为直线D；所述第一纤芯与第二纤芯、第三纤芯的中心距离均为L，且L=Λ，其中Λ为孔周期，即正三角形网格中任意两个相邻最近结点之间的距离；所述第二空气孔位于紧邻第二纤芯和第三纤芯的位置，且相对于直线D的垂直方向对称；所述第二空气孔的直径d2和第一空气孔的直径d1之间的关系满足d2>d1；所述第一纤芯为输入端，第二纤芯和第三纤芯为输出端。
由于所述的第一空气孔（2）尺寸大时，整个结构的不对称性会增强，这样会给结构带来不必要的高双折射，也即x偏振和y偏振方向的耦合长度差会增大，不适宜实现定向耦合。同时，为保证光纤中需要传输的两个偏振基模具有低的传输损耗，包孔直径不能过小；综合考虑，包孔（2）的直径d1应在0.35~0.5倍的孔周期Λ之间，即0.35Λ≤d b ≤0.5Λ。
又由于所述第二空气孔（3）的直径d2不能过大，否则两则纤芯能量比中间纤芯能量多，即能量不能实现均分；同时所述第二空气孔（3）的直径d2不能过小，不让会导致两则纤芯能量比中间纤芯能量少，同样不能实现能量均分。此外，所述空气孔（3）的直径决定于空气孔（2）的直径大小。综合考虑，空气孔（2）的直径d2和孔周期Λ的比值的关系为：0.42≤d2/Λ≤0.6。
所述第二空气孔（3）为2个，且中心分别位于紧邻第二纤芯（5）和第三纤芯（6）的所述直线D上。
本发明的有益效果是：通过改变两侧纤芯包层空气孔直径的大小实现一种非对称三芯光子晶体光纤结构，优化光纤结构参数，不但可以在较短的光纤长度内实现光一分为三的功能，还具有宽波长范围工作、偏振相关损耗低等优点。这种耦合器结构简单，制作工艺成熟，性能稳定。
附图说明
图1为光子晶体光纤定向耦合器的横截面结构示意图；
图2为图1所示结构的中间纤芯和两侧纤芯的能量传输曲线；
图3为光波在三芯耦合器中模场变化图
图4为实施例1中的插入损耗与偏振相关损耗随波长的变化曲线；
图5为实施例2中耦合器的横截面结构示意图；
图6为实施例2中的中间纤芯和两侧纤芯的能量传输曲线；
图7为实施例2中的插入损耗与偏振相关损耗随波长的变化曲线；
具体实施方式
如图1所示，光纤由基质材料1和排布在规则三角形网格上的第一空气孔2组成，光纤由三个纤芯组成，即位于基质材料1中心位置的第一纤芯4，第二纤芯5和第三纤芯6对称地分布在第一纤芯的两侧，图中所述中间纤芯为第一纤芯4，两侧纤芯为第二纤芯5和第三纤芯6。三个纤芯均由规则三角形网格中缺失一个空气孔所组成；通过增大第二纤芯5内包层左侧和第三纤芯6内包层右侧的空气孔直径所形成的第二空气孔3来实现一种非对称结构的引入。一束光从中间纤芯输入，从两侧纤芯输出。可以看到光从中间第一纤芯4输入时，能量在第一纤芯4、第二纤芯5和第三纤芯6之间进行周期性的转移。由于两侧引入非对称结构，因此中间纤芯与两侧纤芯的能量仅发生部分耦合。具体表现为当从中间纤芯输入一束基模光时，能量会部分耦合到两侧纤芯中，最后又回到中间纤芯。图2给出了中间纤芯以及两侧纤芯的能量传输曲线。可以看到，当光纤耦合器的长度取为纤芯能量曲线的交点处（Lc），则能实现一束光从第一纤芯4、第二纤芯5和第三纤芯6中均匀输出。图3（（a）（b）（c）（d））分别代表在传输距离为0，Lc/3，2×Lc/3，Lc时的模场光纤端面的模场分布图，即中间纤芯输入一束基模（如图3（a）所示），逐渐向两侧纤芯转移（如图3（b）、（c）所示），最终能量完全均分在第一纤芯4、第二纤芯5和第三纤芯6中（如图3（d））。这里引入一个参数为光纤的插入损耗，即光纤耦合器单边末端的能量输出百分比，用分贝（dB）来计量，即插入损耗：
式中I表示光纤的插入损耗，Po表示光纤耦合器单边末端输出能量，Pi表示入射波总能量。取插入损耗在4.77±0.3 dB的波长范围内为其工作带宽。
实施例一：
其横截面如图1所示，该结构基质材料为石英，孔周期Λ为10 μm，第一空气孔2的直径为4.2 μm，第二空气孔3的直径为4.8 μm。在波长λ=1.55 μm时，计算得到其x偏振的耦合长度为20.4 cm，y偏振的耦合长度为21.4 cm。取两偏振方向耦合长度的平均值（20.9 cm）为光纤耦合器的长度，由此得到耦合器的带宽随波长变化的曲线如图4所示。从图中看出，在满足插入损耗在4.77±0.3 dB范围内且偏振相关损耗在±0.2 dB范围内，其带宽为127 nm。
相之相对比取横截面如图5所示，该结构基质材料为石英，孔周期Λ为10 μm，第一空气孔2和第二空气孔3的直径均取为4.2 μm。在波长λ=1.55 μm时，计算得到其x偏振的耦合长度为15.36 cm，y偏振的耦合长度为16.36 cm。图6给出了图5所对应结构的中间纤芯以及两侧纤芯的能量传输曲线。取两偏振方向耦合长度的平均值（15.86 cm）为光纤耦合器的长度，由此得到耦合器的带宽随波长变化的曲线如图7所示。从图中看出，在满足插入损耗在4.77±0.3 dB范围内且偏振相关损耗在±0.2 dB范围内，其带宽为零。因此，对两侧纤芯引入非对称结构后能够明显提高耦合器的性能，具体表现为光纤的带宽比较宽，所以非对称三芯耦合器相比于对称三芯耦合器更具有优势。
Claims (3)
1.一种光子晶体光纤定向耦合器，包括基质材料（1）、第一空气孔（2）、第二空气孔（3）、第一纤芯（4）、第二纤芯（5）和第三纤芯（6），所述基质材料（1）、第一空气孔（2）、第二空气孔（3）组成包层；所述第一空气孔（2）、第二空气孔（3）的中心分别位于正三角形网格结点上，且第二空气孔（3）少于第一空气孔（2）的数量；所述第一纤芯（4）、第二纤芯（5）和第三纤芯（6）均由正三角形网格中缺失的第一空气孔（２）所组成，所述第一纤芯（4）、第二纤芯（5）和第三纤芯（6）的中心的连线为直线D；所述第一纤芯（4）与第二纤芯（5）、第三纤芯（6）的中心距离均为L，且L=Λ，其中Λ为孔周期；所述第二空气孔（3）位于紧邻第二纤芯（5）和第三纤芯（6）的位置，且相对于直线D的垂直方向对称；所述第二空气孔（3）的直径d2和第一空气孔（2）的直径d1之间的关系满足d2>d1；所述第一纤芯（4）为输入端，第二纤芯（5）和第三纤芯（6）为输出端；所述第二空气孔（3）为2个，且中心分别位于紧邻第二纤芯（5）和第三纤芯（6）的所述直线D上。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤定向耦合器，其特征在于：所述第一空气孔（2）的直径d1和孔周期Λ的比值的关系为：0.35≤d1/Λ≤0.5。
3.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤定向耦合器，其特征在于：所述第二空气孔（3）的直径d2和孔周期Λ的比值的关系为：0.42≤d2/Λ≤0.6。
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