CN103645541A - 一种太赫兹偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太赫兹偏振分束器，一种太赫兹偏振分束器，包括三根矩形介质条和介质圆管，其特征在于，第一矩形介质条经介质圆管中心轴线固定于介质圆管内壁，第二矩形介质条、第三矩形介质条分别于第一矩形介质条垂直且固定于介质圆管内壁，第二矩形介质条、第三矩形介质条对称分布在第一矩形介质条两侧；所述第一矩形介质条、第二矩形介质条和第三矩形介质条相交部分为两个纤芯。纤芯大小远小于运转波长，纤芯传导模能量可大部分分布于空气中，降低了材料吸收损耗，另外纤芯传导模被光纤包层有效的限制在纤芯周围，偏振分束器周围环境的变化不影响偏振分束器性能，便于操作。

Description

一种太赫兹偏振分束器

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及太赫兹耦合器件。

背景技术

太赫兹( Terahertz, THz) 通常是指频率在0. 1~ 10 THz范围内的电磁波, 其波段位于电磁波谱中的微波和红外之间。THz 辐射在很多领域,如通信、传感、成像、光谱学和医学都有应用的潜力。最近太赫兹波耦合器件引起了国内外科学工作者的重视，太赫兹耦合器件设计面临的困难主要有三个方面，第一是使纤芯传导模能量主要分布于空气中，减小材料吸收损耗；第二是缩短耦合器件长度，减小传输损耗；第三是减小外界环境变化对太赫兹波传输的影响。Ming-Yang Chen等 [Ming-Yang Chen, et al., “Design and analysis of a low-loss terahertz directional coupler based on three-core photonic crystal fibre configuration,” J. Phys. D: Appl. Phys，2011, 44: 405104]提出了基于实心光子晶体光纤的指向耦合器，这种耦合器件只能用缩短耦合器长度的办法来减小传输损耗，原因是纤芯传导模主要在材料中传输，有较大的吸收损耗。A. Dupuis 等 [A. Dupuis, et al., “Fabrication and THz loss measurements of porous subwavelength fibers using a directional coupler method,” Opt. Express，2009, 17, 8012] 提出了基于亚波长光纤的指向耦合器。Jen-Tang Lu 等 [Jen-Tang Lu, et al., “Terahertz pipe-waveguide-based directional couplers,” Opt. Express，2011, 19, 26883]提出了基于介质管波导的指向耦合器。这两种耦合器的优点是THz波主要在空气中传输，有效的减小了器件的材料吸收损耗。缺点是这两种耦合器件不易控制，任何外界的接触均易影响THz波在器件中的传输。Shanshan Li等[Shanshan Li, et al., “Terahertz polarization splitter based on orthogonal microstructure dual-core photonics crystal fiber,” Apply Optics，2013, 52, 3305]提出了基于耦合原理的双芯THz波分束器, 因其纤芯为多孔的，纤芯模能量可有效的分布于空气空中，降低了材料吸收损耗，并且纤芯模传输是基于全内反射原理，纤芯模传输不受外界环境的影响，但此耦合器件结构复杂不易制作。

 

发明内容

针对以上的不足，本发明提供一种能实现低损耗、长度较短和免受外部干扰的太赫兹偏振分束器。

本发明的技术方案是：一种太赫兹偏振分束器，包括三根矩形介质条和介质圆管，其特征在于，第一矩形介质条经介质圆管中心轴线固定于介质圆管内壁，第二矩形介质条、第三矩形介质条分别于第一矩形介质条垂直且固定于介质圆管内壁，第二矩形介质条、第三矩形介质条对称分布在第一矩形介质条两侧；所述第一矩形介质条、第二矩形介质条和第三矩形介质条相交部分为两个纤芯。

矩形介质条宽度为d，介质圆管内直径为D，两纤芯间的距离为D₁，在x方向，纤芯距离介质圆管内壁的距离为D₂。

本发明的技术效果是：纤芯的宽度为矩形介质条宽度为d，其大小远小于运转波长，纤芯模能量可更多的分布于临近纤芯的空气孔中，有效的降低了材料吸收损耗。x偏振模的模场分布在x方向较宽，而y偏振模的模场分布在x方向较窄，两纤芯的x偏振模的模场有较多的重叠区域，而y偏振模的模场几乎不重叠，适当的调节两纤芯间距和矩形介质条宽度可使x偏振模可在两纤芯间自由的耦合，而y偏振模被有效的限制在输入的纤芯中。光纤长度等于x偏振模的一个耦合长度时，两偏振模被有效的分离，偏振分束器长度仅为x偏振模的一个耦合长度，这种方法有效的缩短偏振分束器长度，减小纤芯模的传输损耗。另外纤芯传导模被光纤包层有效的限制在纤芯周围，偏振分束器周围环境的变化不影响偏振分束器性能，便于操作。

矩形介质条宽度d过宽会引起y偏振模在两纤芯间的耦合，从而降低消光比，并且介质条宽度d增加会引起过多的吸收损耗，因此要求矩形介质条宽度d≤50μm，另外矩形介质条是x偏振模的耦合通道，其宽度d过窄会增大x偏振模的耦合长度，从而增加偏振分束器传输损耗，同时也会增加制作难度，因此要求d≥10μm。

随着两纤芯间距D₁的增加，偏振分束器长度会增加，长的偏振分束器会引起大的传输损耗，这不利于偏振分束器在实际中的应用，因此这里要求两纤芯间距D₁≤1100μm。随着D₁的降低，两纤芯的y偏振模的模场重叠区域增加，y偏振模产生耦合，消光比降低，因此这里要求900μm≤D₁。

矩形介质条宽度d降低，纤芯传导模的有效折射率降低，纤芯传导模模场面积增加，结构对纤芯传导模的限制能力会下降，这里要求，在x方向，纤芯到介质圆管内壁的距离D₂≥(1500*30/d)μm。

附图说明

图1为本发明的偏振分束器结构示意图；

图2 为图1实施例的x偏振模耦合长度随D₁的变化曲线图；

图3为图1实施例的x偏振耦超模电场场强分布图；

图4为图1实施例的x偏振奇超模电场场强分布图；

图5为图1实施例的y偏振耦超模电场场强分布图；

图6为图1实施例的x偏振奇超模电场场强分布图；

图7为图1实施例的归一化功率在D₁=900μm时随传输距离的变化曲线图； 

图8为图1实施例的归一化功率在D₁=1000μm时随传输距离的变化曲线图；

图9为图1实施例的归一化功率在D₁=1100μm时随传输距离的变化曲线图；

图10为图1实施例的x偏振光的消光比随波长的变化曲线图；

图11为图1实施例的y偏振光的消光比随波长的变化曲线图；

图12为图1实施例的四个超模的吸收损耗随波长的变化曲线图；

图13为图1实施例的四个超模的限制损耗随波长的变化曲线图。

具体实施方式

图1给出了本发明的THz偏振分束器的横截面示意图，一根矩形介质条1排布于横向，两根矩形介质条1排布于纵向，并通过外侧的介质圆管2组成稳定结构。正交部分形成光纤的双芯，正交部分以外的矩形介质条1、外侧的介质圆管2、第一类空气孔3和第二类空气孔4作为光纤包层，因此整体呈全内反射双芯光纤。双芯呈对称结构，每个纤芯不具有双折射。本发明的原理是两纤芯间的介质条宽度为d，d的大小远小于THz运转波长，其两纤芯间的介质条可以作为x偏振模在两纤芯间耦合的通道，x偏振模可在两纤芯间自由的耦合。但是由于两纤芯间的介质条宽度较小，调节两纤芯间距离可使y偏振模被束缚在输入纤芯中。输入光在左纤芯输入，传输x偏振模的一个耦合长度距离后，x偏振模将被耦合到右纤芯，而y偏振模被束缚在左纤芯，实现两偏振模的分离，偏振分束器长度为x偏振模的一个耦合长度。

实施例一：

THz偏振分束器结构如图1所示，空气折射率n_air=1.0，光纤的基质材料选为聚四氟乙烯，其折射率n=1.5，材料吸收损耗选为130dB/m，矩形条状的聚四氟乙烯宽度d=30μm，聚四氟乙烯圆管内直径为D=4000μm，聚四氟乙烯圆管宽度为500μm，两纤芯间距D₁。在频率为1THz时x偏振模的耦合长度随D₁的变化如图2所示，随着D₁的增加，x偏振模耦合长度变长，即偏振分束器的长度变长。原因是随着D₁的增加两纤芯中的x偏振模的模场重叠区域减小。在D₁=1000μm时，图3、图4、图5和图6分别给出了x偏振奇超模、x偏振耦超模、y偏振奇超模和y偏振耦超模的电场场强分布图，从图中可以看出，在横向x偏振模的模场分布比y偏振模宽，两纤芯的x偏振模的模场有较多的重叠区域，而y偏振模的模场几乎不重叠，适当的调节两纤芯间距和矩形介质条宽度可使x偏振模可在两纤芯间自由的耦合，而y偏振模被有效的限制在输入的纤芯中。偏振分束器长度等于x偏振模的一个耦合长度。为有效的把y偏振模限制在输入纤芯中，这里要求矩形介质条宽度d≤50μm，另外矩形介质条是x偏振模的耦合通道，其宽度d过窄会增大x偏振模的耦合长度，从而增加偏振分束器传输损耗，同时也会增加制作难度，因此要求d≥10μm。

在D₁=900μm、1000μm和1100μm时，图7、图8和图9分别给出了归一化功率随传输距离的变化曲线，从图中可看出，在D₁=900μm、1000μm和1100μm时偏振分束器长度分别为8.7cm、11.5cm和16.8cm，偏振分束器长度随D₁的增加而增加，长的偏振分束器会引起大的传输损耗，不利于偏振分束器在实际中的应用，因此这里要求两纤芯间距D₁≤1100μm。随着D₁的降低，两纤芯的y偏振模的模场重叠区域增加，y偏振模在两纤芯间产生耦合，从而会降低消光比，因此这里要求900μm≤D₁。

图10和图11 分别给出了x偏振模和y偏振模的消光比，在波长为300μm时，D₁=900μm、1000μm和1100μm的偏振分束器的x偏振模的消光比分别为-16.4dB, -19.7dB and -22.8dB，对于y偏振模消光比分别为-14.5dB, -19.1dB and -22.6dB。随着D₁的增加消光比逐渐增加，在292–308μm 范围内，D₁=1000μm 的分束器的x偏振模和y偏振模的消光比均可低于-15dB ，其带宽为16μm。

对于THz波耦合器件，吸收损耗和限制损耗也是衡量器件性能的重要参数，在D₁=1000μm时，图12分别给出了四个超模的吸收损耗随波长的变化曲线。由于纤芯大小远小于运行波长，传导模能量可大部分地分布在空气中，材料损耗得到了有效的降低，在波长为300μm处，x偏振耦超模、x偏振奇超模、y偏振耦超模和y偏振奇超模的吸收损耗分别为0.3024dB/cm, 0.3074dB/cm, 0.3034dB/cm and 0.3049dB/cm，其中x偏振奇超模吸收损耗最大，在280μm到300μm范围内，x偏振奇超模吸收损耗的最大值仅为0.3413 dB/cm。图13分别给出了四个超模的限制损耗随波长的变化曲线，限制损耗随着波长的增加而增加，在280μm到300μm范围内，x偏振奇超模的限制损耗均高于其余三个超模。但其数量级仅为10^-3dB/cm，因此传导模可被有效的限制在光纤中传输，光纤外界环境的变化不影响THz波在光纤中的传输，便于操作。另外四个超模的限制损耗远小于相应的吸收损耗，总损耗主要依赖于吸收损耗，因为THz波的大部分能量分布于空气中，吸收损耗比较低，因此可实现低损耗的THz偏振分束器。

另外，矩形介质条宽度d降低，纤芯传导模的有效折射率降低，纤芯传导模模场面积增加，结构对纤芯传导模的限制能力会下降，这里要求，在x方向，纤芯到介质圆管内壁的距离D₂≥(1500*30/d)μm.

上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这个实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

Claims (4)

1.一种太赫兹偏振分束器，包括三根矩形介质条和介质圆管，其特征在于，第一矩形介质条经介质圆管中心轴线固定于介质圆管内壁，第二矩形介质条、第三矩形介质条分别于第一矩形介质条垂直且固定于介质圆管内壁，第二矩形介质条、第三矩形介质条对称分布在第一矩形介质条两侧；所述第一矩形介质条、第二矩形介质条和第三矩形介质条相交部分为两个纤芯。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹偏振分束器，其特征在于：所述的两纤芯间距：900μm≤D₁≤1100μm。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹偏振分束器，其特征在于：所述的矩形介质条宽度：10μm≤d≤50μm。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹偏振分束器，其特征在于：所述纤芯到介质圆管内壁的距离D₂≥(1500*30/d)μm。

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