CN103499855B - 一种光子晶体光纤耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光子晶体光纤耦合器及其制备方法，该光子晶体光纤耦合器中两根相同的光子晶体光纤经侧面抛磨掉一半并通过光胶技术贴合抛磨面，形成Y分支光子晶体光纤波导结构，Y分支光子晶体光纤顶点端面结构与原光子晶体光纤相同，将Y分支光子晶体光纤顶点与单根光纤或另一个Y分支光子晶体光纤顶点熔接（对接），得到基于分波阵面原理的光子晶体光纤耦合器，利用本发明可得到1×2或2×2光子晶体光纤耦合器。本发明的光子晶体光纤耦合器具有结构灵活、插入损耗低、耦合性能优良、适用范围广等特点。

Description

一种光子晶体光纤耦合器及其制备方法

技术领域

本发明属于光子晶体光纤应用领域，涉及一种光子晶体光纤耦合器及其制备方法。

背景技术

光子晶体光纤（PCF）是在纯石英光纤中沿轴向周期性均匀排列着波长量级的空气孔从而构成微结构包层，属二维光子晶体。由于光子晶体光纤具有无截止单模传输、大模场面积、高非线性、可控色散等优越的光学特性，基于光子晶体光纤的理论分析、实验研究以及器件研制等，已经成为当前光学领域最炙手可热的研究课题。

光子晶体光纤耦合器（PCFC）是光子晶体光纤应用中的重要器件，目前PCFC按制作技术可以分为三类：熔锥型光子晶体光纤耦合器、侧面打磨型光子晶体光纤耦合器、双芯或多芯光子晶体光纤耦合器。熔融拉锥法是将几根光子晶体光纤进行火焰加热或激光加热拉锥，但会使光子晶体光纤的空气孔塌缩，破坏其波导结构，从而产生较大的损耗。2002年Byeong Ha Lee在OPTICS LETTERS杂志的“Photonic crystal fiber coupler”2002，V.27，NO.10，812-814文章公开了熔融拉锥法制作PCFC，但其插入损耗高达20dB；其后关于熔融拉锥法制作PCFC报道中，耦合器插入损耗也在10dB以上。多芯光子晶体光纤依靠双芯光子晶体光纤的双芯之间存在的功率转换实现耦合，虽然有多样而可控的耦合特性，但这类实验都是通过激光直接射入、成像设备直接检测输出，大大限制了其应用范围。目前常用的PCFC制作技术是侧面打磨型光子晶体光纤耦合器。2004年OPTICS LETTERS杂志，Hokyung Kim等人题为“Tunable photonic crystal fiber coupler based on aside-polishing technique”2004，V.29，NO.11，1194-1196的文章公开了一种利用光子晶体光纤侧边打磨的方法制作光子晶体光纤耦合器，并通过调整抛磨面的匹配角度实现分光比调节，其插入损耗大于3dB。该方法执行简单，但结构灵活性差；同时为保证足够强的耦合现象，光子晶体光纤的抛磨深度必须足够大，这就改变了光纤抛磨区内光束的等效折射率，引起较大的辐射模损耗，此外耦合器中耦合比对波长的敏感也影响PCF的带宽平坦性。2009年OPTICS LETTERS刊登了Joo Beom Eom题为“2×2photonic crystal fiber splitter based on silica-based planar lightwave circuits”2009，V.34，NO.23，3737-3739的文章，公开了一种通过平面光波导(PLC)分束器实现光子晶体光纤分束耦合的方法，但是由于采用了平面光波导分束器，光子晶体光纤与波导连接点非常多，接续损耗大，极大影响了光子晶体光纤耦合器的耦合效率。

为克服上述侧面打磨型光子晶体光纤耦合器存在的问题，本发明提供了一种分支光波导结构的全光子晶体光纤耦合器设计方案。本发明的光子晶体光纤耦合器以分波阵面的形式实现分光：光束传播至光纤分支点时波阵面被平缓分割为两部分并进入各自的分支光纤，分开的两束光具有相同的相位，振幅则与分支处各光纤纤芯所占的面积以及倾斜角度相关。该方案打破了常规光子晶体光纤耦合原理，有效的避免了因光子晶体光纤结构破坏引入的泄露模损耗，具有良好实用价值。

发明内容

本发明提供了一种新的光子晶体光纤耦合器及其制作方法。根据本发明产生的光子晶体光纤耦合器具有结构简单、组装灵活、损耗低等优点，具有分光比与波长无关等耦合特性。

本发明采用的技术方案为：一种光子晶体光纤耦合器，包括一个Y分支光子晶体光纤与一个单根光纤，或者两个Y分支光子晶体光纤，将两根相同光子晶体光纤侧边抛磨掉一半并贴合抛磨面，形成Y分支结构光子晶体光纤，Y分支光子晶体光纤的顶点端面与单根光子晶体光纤的端面相同，将Y分支光子晶体光纤顶点与单根光纤或另一个Y分支光子晶体光纤顶点熔接或对接，形成光子晶体光纤耦合器。

根据本发明的光子晶体光纤耦合器，其中，所述的光子晶体光纤为实芯光子晶体光纤或空芯光子晶体光纤，包括保偏和非保偏光子晶体光纤。

根据本发明的光子晶体光纤耦合器，其中，将Y分支光子晶体光纤顶点与单根光纤连接可获得1×2光子晶体光纤耦合器；将Y分支光子晶体光纤与另一个Y分支光子晶体光纤顶点连接可获得2×2光子晶体光纤耦合器。熔接/对接过程中，在耦合器一侧打光，并在另一侧的两根光子晶体光纤端口用光功率计监测光功率，以达到最低接续损耗。

根据本发明的光子晶体光纤耦合器，其中，Y分支光子晶体光纤的导光和分束特性与常规Y分支波导类似。光束从Y分支光子晶体光纤顶点输入时，光束在平坦段纤芯内传播与单根光纤相同，进入过渡段纤芯时纤芯缓慢展宽，满足场的连续性条件，不会激发起高阶模，仅是基模的宽度随着波导的变宽而不断变宽并按相应分光比进入两个分支光纤，两束光相位相同，光强比近似等于分支点的光纤纤芯面积比，理想情况下其插入损耗只有分支纤芯交叉的张角产生的辐射模损耗。

根据本发明的光子晶体光纤耦合器，其中，两根光子晶体光纤贴合后光纤分支张角小于2°，以减小分支散射损耗。研磨区过渡段的长度决定光纤张角，二者关系近似为：

$\mathrm{\α}=2\arctan \left(\frac{D-d}{l^{\′}}\right)$

其中，α为光纤张角，d为纤芯直径，D为包层直径。

根据本发明的光子晶体光纤耦合器，其中，若抛磨后的两根光纤贴合后不做切割处理，则其本身就是一个2×2光子晶体光纤耦合器。

本发明另外提供一种光子晶体光纤耦合器的制备方法，其中，所述的Y分支光子晶体光纤由两根侧面抛磨后的光子晶体光纤贴合形成，其制备过程为：

1）研磨前对研磨方向进行定位，使两根光子晶体光纤的研磨方向相同，保偏光子晶体光纤的研磨方向选择须不影响贴合后光纤的保偏结构；

2）分别研磨光子晶体光纤，研磨深度为包层直径的一半，可根据分光比要求改变研磨区过渡段的弯曲半径，并对研磨面做抛光处理；

3）采用光胶工艺将两个光子晶体光纤的抛光面对准、贴合，在研磨区平坦段切割光纤，使切断处光纤具有与单根光子晶体光纤相同的端面结构，得到Y分支光子晶体光纤。

根据本发明的光子晶体光纤耦合器的制备方法，其中，研磨、抛光处理光子晶体光纤时，为避免堵塞空气孔，对光纤端面空气孔施加气压保持空气孔清洁。

根据本发明的光子晶体光纤耦合器的制备方法，其中，耦合器分光比可通过Y分支光子晶体光纤分光比来设置。Y分支光子晶体光纤的分光比可通过改变两个光纤抛磨区过渡段长度来设定分光比，当两抛磨面的过渡段长度相同时，理想贴合情况下分光比为50:50；另外，贴合两光纤抛磨面时，通过调节抛磨面间的轴向位移或错位可以调节输出分光比，该过程可通过在Y分支光纤顶点处打光同时在两个分支的输出端记录光功率来监测实现。

本发明一种光子晶体光纤耦合器的优点在于：

1、结构简单、灵活，通过对光子晶体光纤研磨、贴合、切割、熔接/对接，即可获得光子晶体光纤耦合器；通过Y分支光子晶体光纤的不同连接可实现1×2和2×2光子晶体光纤耦合器。

2、插入损耗低，除光纤接续引入的损耗外，耦合过程中只有辐射模引入损耗。

3、本发明具有良好的分束耦合功能，依靠Y分支纤芯的渐变实现平稳分光，分光比对波长敏感性大大降低。

4、本发明对光子晶体光纤的种类、结构没有严格限制，应用范围广。

本发明一种光子晶体光纤耦合器提供了一种新的光子晶体光纤耦合器的制备方案，具有新的耦合性质和较低的插入损耗，在光通信和光传感等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为光子晶体光纤抛磨前的端面及研磨深度示意图；

图1(a)为光子晶体光纤抛磨面贴合后的端面示意图；

图2为应用本发明的光子晶体光纤及抛磨示意图；

图3(a)为应用本发明的两根光子晶体光纤的抛磨面贴合示意图；

图3(b)为抛光面贴合后形成的Y型光纤示意图；

图4为应用本发明制作的1×2光子晶体光纤耦合器示意图；

图5为应用本发明制作的2×2光子晶体光纤耦合器示意图；

图6(a)为应用本发明的空芯光子晶体光纤抛磨前的端面及研磨深度示意图；

图6(b)为应用本发明的空芯光子晶体光纤抛磨面贴合后的端面示意图；

图7(a)为应用本发明的一种保偏光子晶体光纤抛磨前的端面及研磨深度示意图；

图7(b)为应用本发明的保偏光子晶体光纤抛磨面贴合后的端面示意图；

图8为不经过切割光纤直接产生的2×2光子晶体光纤耦合器示意图。

附图符号说明：

1、1′：光子晶体光纤，2、2′：光子晶体光纤抛磨面，3：Y分支光子晶体光纤顶点及端面，4、4′：抛磨基块，5、5′：Y分支光子晶体光纤，6：与Y分支光子晶体光纤连接的单根光纤，7：光纤连接区。

具体实施方式

为更清楚地说明本发明，下面将结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供了一种新型光子晶体光纤耦合器设计方法。其关键是Y分支光子晶体光纤5的制作，首先，分别研磨两根相同的光子晶体光纤1、1′，研磨至光纤中心处并对研磨面抛光；然后将两光子晶体光纤的抛光面2、2′采用光胶工艺贴合；对贴合后的光纤切端面处理得到端面平整的Y分支光子晶体光纤5。取Y分支光子晶体光纤顶点3与单根光子晶体光纤6或与另一个Y分支光子晶体光纤5′顶点进行熔接（对接），可分别得到分光比为50/50的1×2光子晶体光纤耦合器和2×2光子晶体光纤耦合器。

以Thorlabs公司的ESM-12-01无截止单模光子晶体光纤为实施例进行说明。首先对光纤研磨方向进行定位。将光子晶体光纤在研磨基块上舒展放置，即光纤不发生扭转。用显微镜观测其端面放置方向是否符合预定要求并进行相应微调，直到满足所需的研磨方向。定位后将光纤固定并开始打磨，可以采用光纤固定凹槽一端为水平方向的研磨基块或者基块组合来保证平坦段的切割精度。光子晶体光纤的研磨面结构参照图2所示，研磨面分为平坦段和过渡段，根据一般经验过渡段长度l′至少大于4cm。过渡段长度则关系到贴合后光纤的张角，并进一步影响耦合器插入损耗，研磨区过渡段的长度影响光纤张角，二者关系近似为：

$\mathrm{\α}=2\arctan \left(\frac{D-d}{l^{\′}}\right)$

其中，l′为光子晶体光纤光纤研磨区过渡段的长度，d为纤芯直径，α为光纤张角，D为包层直径。光束从Y分支光子晶体光纤顶点输入时，光束在平坦段纤芯内传播与单根光纤相同，进入过渡段纤芯时纤芯缓慢展宽，满足场的连续性条件，不会激发高阶模，仅是基模的宽度随着波导的变宽而不断变宽并按相应分光比进入两个分支光纤，理想情况下其插入损耗只有分支纤芯交叉的张角产生的辐射模损耗。光纤张角越大则耦合器插入损耗越大，一般光纤张角α<2°，这就要求光纤研磨机有较大的研磨范围并且过渡段光纤的弯曲半径足够大。

ESM-12-01型光子晶体光纤纤芯直径约为10μm，光纤研磨机的精度高于0.2μm，可以保证将光子晶体光纤研磨至中心即研磨掉一半的精度要求。研磨结束后，对研磨面进行抛光处理，以便进行下一步的光纤贴合；为保证光胶质量，抛光面光洁度高于4级。除此之外，光子晶体光纤研磨和抛光过程会有光纤碎屑或者研磨颗粒等堵塞侧面已经被打磨开的空气孔，会极大影响导光性能。抛磨光子晶体光纤时，为避免堵塞空气孔，对光纤端面空气孔施加气压保持空气孔清洁，抛磨完成时采用超声波清洗抛磨产生中的碎屑。

采用光胶法对抛光后的光子晶体光纤贴合。对抛光面用蘸有酒精和乙醚的混合液光胶擦布擦拭抛光面，再用干布擦拭抛光面、吸去表面附着的灰尘等，将两个抛光面对准并轻轻按压实现光胶。将得到的Y型光纤贴合处用光纤切割刀切端面，并与另外一根光纤或者另一个Y型光子晶体光纤顶点熔接/对接，便可得到相应分光比的1×2光子晶体光纤耦合器和2×2光子晶体光纤耦合器。光纤接续过程中可以在耦合器一端光纤中打光，在另一侧的两根光子晶体光纤端口监测光功率，来确定是否达到最低接续损耗。

同样，对于空芯光子晶体光纤上述制备也是适用的，研磨前和贴合后的端面如图6所示。由于空芯光子晶体光纤结构更加复杂，所以在抛磨过程中要尤其小心防止光纤崩断；另外，空芯光子晶体光纤的熔接损耗相对其他光纤较大，实际应用中接续方式可依情况选择熔接或端面对接。

这种工艺也适用于保偏光子晶体光纤耦合器的制作。当对保偏光子晶体光纤进行上述操作时，对光纤研磨方向的定位须使贴合后的光纤保偏结构不受到影响。图7所示为一种保偏光子晶体光纤研磨及贴合过程的示意图。在垂直于保偏光子晶体光纤快轴的方向上打磨掉光纤的一个大空气孔，将抛磨后的两个光纤贴合，其端面保偏结构与原保偏光子晶体光纤相同。

在上述制备过程中，若采用常规研磨基块，光子晶体光纤抛磨区是常规的过渡段-平坦段-过渡段分布，当两个抛磨面贴合后，其本身就是一个2×2光子晶体光纤耦合器，如图8所示。

Y分支光子晶体光纤的分光比可通过改变两个光纤抛磨区过渡段长度来设定分光比，当两抛磨面的过渡段长度相同时，理想贴合情况下分光比为50:50；另外，贴合两光纤抛磨面时，通过调节抛磨面间的轴向位移或错位也可以调节输出分光比，该过程可通过在Y分支光纤顶点处打光同时在两个分支的输出端记录光功率来监测实现。从这一点上看，通过调节研磨区弯曲半径和抛磨面的轴向对准位置可以实现其他分光比的光子晶体光纤耦合器的制作。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，实施方式中的参数及附图仅是说明实施方式的示意图，并非对本发明形成限制。对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种光子晶体光纤耦合器，其特征在于：包括：一个Y分支光子晶体光纤(5)与单根光纤(6)，或者两个Y分支光子晶体光纤(5、5′)，将两根相同光子晶体光纤(1、1′)侧边抛磨掉一半并贴合抛磨面，形成Y分支结构光子晶体光纤，Y分支光子晶体光纤(5)的顶点端面(3)与单根光子晶体光纤的端面相同，将Y分支光子晶体光纤(5)顶点与单根光纤(6)或另一个Y分支光子晶体光纤(5′)顶点熔接或对接，形成光子晶体光纤耦合器；

所述的光子晶体光纤为实芯光子晶体光纤或空芯光子晶体光纤，均包括保偏和非保偏光子晶体光纤；

将Y分支光子晶体光纤(5)顶点与单根光纤(6)连接可获得1×2光子晶体光纤耦合器；将Y分支光子晶体光纤(5)与另一个Y分支光子晶体光纤(5′)顶点连接可获得2×2光子晶体光纤耦合器；

光束从Y分支光子晶体光纤(5)顶点输入时，光束在平坦段纤芯内传播与单根光纤相同，进入过渡段纤芯时纤芯缓慢展宽，满足场的连续性条件，不会激发起高阶模，仅是基模的宽度随着波导的变宽而展宽并按相应分光比进入两个分支光纤，两束光相位相同，光强比近似等于分支点的光纤纤芯面积比，理想情况下其插入损耗只有分支点处产生的散射损耗；

两根光子晶体光纤贴合后光纤分支张角小于2°，以减小分支散射损耗，研磨区过渡段的长度l′决定光纤张角，二者关系近似为：

$\mathrm{\&alpha;}=2\arctan \left(\frac{D-d}{l^{\&prime;}}\right)$

其中，a为光纤张角，d为纤芯直径，D为包层直径。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤耦合器，其特征在于：若抛磨后的两根光纤贴合后不做切割处理，则其本身就是一个2×2光子晶体光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤耦合器的制备方法，其特征在于：所述的Y分支光子晶体光纤(5)由两根侧面抛磨后的光子晶体光纤(1、1′)贴合形成，其制备过程为：

步骤(1)、研磨前对研磨方向进行定位，使两根光子晶体光纤的研磨方向相同，保偏光子晶体光纤的研磨方向选择须不影响贴合后光纤的保偏结构；

步骤(2)、分别研磨光子晶体光纤，研磨深度为包层直径的一半，可根据分光比要求改变研磨区过渡段的弯曲半径，并对研磨面做抛光处理；

步骤(3)、采用光胶工艺将两个光子晶体光纤的抛光面对准、贴合，在平坦段切割光纤，使切断处光纤具有与单根光子晶体光纤相同的端面结构，得到Y分支光子晶体光纤；

在Y分支光子晶体光纤制备过程中，耦合器分光比可通过调节Y分支光子晶体光纤分光比来设置，Y分支光子晶体光纤的分光比可通过改变两个光纤抛磨区过渡段长度l′来设定，当两抛磨面的过渡段长度相同时贴合后分光比为50:50；贴合两光纤抛磨面时，通过调节抛磨面间的轴向位移或错位可以调节输出分光比，该过程通过在Y分支光纤顶点处打光同时在两个分支的输出端记录光功率来监测实现。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在Y分支光子晶体光纤制备过程中，研磨、抛光处理光子晶体光纤时，为避免堵塞空气孔，对光纤端面空气孔施加气压保持空气孔清洁。