CN104101944A - 一种铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器 - Google Patents
一种铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器 Download PDFInfo
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Abstract
一种铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器，包括纤芯和包层，包层折射率低于纤芯；光纤的背景材料是铅硅酸盐，其横截面为正六边形排列的空气孔点阵，纤芯由去掉四个圆形空气孔形成，中间由一个直径为d1的中心圆形空气孔隔离开，在最内层加入椭圆空气孔来破坏原有结构的对称性，将包层的四个圆形空气孔换成四个椭圆空气孔,椭圆孔的椭圆度η=m/n,m为椭圆孔的短轴长度，n为椭圆孔的长轴长度；包层圆形空气孔的直径长度为d2，Λ为孔间距。本发明的优点是：该分束器引入新型材料—铅硅酸盐玻璃，偏振分束器的长度短，比普通光子晶体光纤分束器消光比高出近30dB，性能更加优良且易于制作，适用于制作偏振分束器。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术，特别是一种铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器。
背景技术
光子晶体光纤又被称为微结构光纤，它是一种带有缺陷的二维光波导，其横截面上具有周期性排列的微结构空气孔，通过微小空气孔对光的约束，实现光的传导。消光比是光子晶体光纤偏振分束器的重要参数，用于描述偏振光的分离程度；假设 和表示光纤x偏振光和y偏振光的输出功率，其消光比定义为，消光比越高，偏振分束器性能越好；基于传统单模光纤的偏振分束器长度较长，消光比较低，光子晶体光纤作为一种新型的光纤，从诞生以来，就以其独特的性能、灵活的结构设计引起人们的高度重视；其无尽单模、大模场面积和高非线性等性质被广泛应用于光纤传感和光纤通信领域。
目前已报道的双芯光子晶体光纤分束器主要分为以下几类：1）双折射偏振分束器；2）熔融光纤偏振分束器；3）磨抛型光纤分束器；最早报道设计并制作出光子晶体光纤偏振分束器的文献是2004年Optics Express第12卷11期2371-2376页发表的“光子晶体光纤偏振分束器” ，参见：Zhang L., Yang C., Photonic crystal fibers with squeezed hexagonal lattice[J]. Optics express, 2004, 12(11): 2371-2376， 文中报道了光子晶体光纤偏振分束器。2012年，崔丹宁设计了一种双芯光子晶体光纤偏振分束器，通过设计孔间距和空气孔的参数，能够有效地优化光纤偏振分束器性能。2014年，冯睿娟提出一种基于椭圆双芯光子晶体光纤偏振分束器，通过优化光纤的结构参数，光纤长度达到0.775mm,消光比达到43.2dB。
当前，基于新材料光子晶体光纤的偏振分束器引起了极大的兴趣，设计出同时具有长度短以及消光比高的光子晶体光纤偏振分束器成为研究焦点，其能够应用于光纤传感和光纤通信领域。
发明内容
本发明的目的是解决目前已有的光子晶体光纤偏振分束器光纤长度较长同时消光比较小问题，提供一种结构相对简单并且易于制作的铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器，该光子晶体光纤偏振分束器采用的背景材料是铅硅酸盐，包层为六边形排列的空气孔,并且引入了纤芯微结构；它比现有的光子晶体光纤偏振分束器具有更短的光纤长度,以及较高的消光比，因而可以用于制作偏振分束器和其他光纤通信器件。
本发明的技术方案：
一种铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器，包括纤芯和包层，包层折射率低于纤芯，该光子晶体光纤偏振分束器具有包层为正六边形排列的空气孔点阵结构，纤芯是由去掉四个包层空气孔形成，中间由一个直径为d1的中心圆形空气孔隔离开，中心圆形空气孔的直径为0.7μm，在最内层加入椭圆空气孔来破坏原有结构的对称性，将包层的四个圆形空气孔换成四个椭圆空气孔, 椭圆空气孔的长轴直径为1.6μm、短轴直径为0.8μm，椭圆空气孔的椭圆度的计算公式为η=m/n, 式中：m-椭圆孔的短轴长度为0.8μm，n-椭圆孔的长轴长度为1.6μm；包层材料为铅硅酸盐，包层均布圆形空气孔，包层圆形空气孔的直径d2为1.1μm，孔间距Λ为1.4μm。
一种所述铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器的制备方法，步骤如下：
1）铅硅酸盐玻璃和EG-4玻璃的选取：铅硅酸盐玻璃的软化温度为630℃，且耐腐蚀，EG-4玻璃容易被酸腐蚀，软化温度为699℃；
2）用实心铅硅酸盐玻璃棒堆积成一个正六边形预制棒，然后用EG-4玻璃毛细管替换其所设计偏振分束器空气孔的位置；
3）将堆积成的预制棒的一端熔融并固定，并在外面套一层铅硅酸盐玻璃制成的外套管，把预制棒放到拉丝塔上拉丝，拉丝温度650℃，使其中低软化温度的铅硅酸盐玻璃材料开始熔融，EG-4玻璃软化温度比较高，保持固态，这样就形成以铅硅酸盐玻璃为基底，上面布满EG-4玻璃孔的预制棒；
4）用2.5wt%硝酸进行腐蚀，将整个预制棒置于硝酸中，EG-4玻璃被硝酸腐蚀，但铅硅酸盐玻璃耐腐蚀没有任何变化，经过腐蚀后，EG-4玻璃完全被腐蚀掉，对预制棒进行清洗，干燥；
5）将干燥后预制棒进行涂胶，然后用紫外线进行照射，使涂胶均匀凝固在表面，即可制得铅硅酸盐玻璃偏振分束器。
本发明的优点和有益效果是：
本发明提出了一种结构相对简单并且易于制作的铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器，通过引入纤芯微结构，在两个纤芯的周围各设置了两个椭圆空气孔；该结构的光子晶体光纤偏振分束器长度短，在波长1550nm处，x偏振方向耦合长度为174.23μm，y偏振方向为137.52μm；消光比比普通的光子晶体光纤偏振分束器高出30dB，达到54.6dB；性能更加优良且易于制备。
附图说明
图1为该光子晶体光纤偏振分束器的横截面结构示意图。
图中：1.椭圆空气孔 2.中心圆形空气孔 3.包层圆形空气孔
4.包层 5.纤芯
图2为计算得到的该光子晶体光纤分束器两个偏振方向上的耦合长度随传输波长的变化关系图。
图3为计算得到的波长为1550nm时该光子晶体光纤分束器两个偏振方向上归一化功率随光纤长度变化关系图。
图4为计算得到的分束器长度为694μm时该光子晶体光纤分束器消光比随传输波长的变化关系图。
具体实施方式
实施例：
一种铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器，如图1所示，包括纤芯5和包层4，包层4折射率低于纤芯5，该光子晶体光纤偏振分束器具有包层为正六边形排列的空气孔点阵结构，纤芯5是由去掉四个包层空气孔形成，中间由一个直径为d1的中心圆形空气孔2隔离开，中心圆形空气孔2的直径为0.7μm，在最内层加入椭圆空气孔1来破坏原有结构的对称性，将包层的四个圆形空气孔换成四个椭圆空气孔1, 椭圆空气孔1的长轴直径为1.6μm、短轴直径为0.8μm，椭圆空气孔1的椭圆度的计算公式为η=m/n, 式中：m-椭圆孔的短轴长度为0.8μm，n-椭圆孔的长轴长度为1.6μm；包层材料为铅硅酸盐，包层均布圆形空气孔，包层圆形空气孔3的直径d2为1.1μm，孔间距Λ为1.4μm。
图2为计算得到的该光子晶体光纤分束器耦合长度随波长的变化关系图，图中表明：该光子晶体光纤的耦合长度很小，在1550nm处，x偏振方向耦合长度为174.23μm，y偏振方向为137.52μm。
图3为计算得到的该光子晶体光纤分束器两个偏振方向上归一化功率随光纤长度变化关系图，图中表明：在传输波长为1550nm时，两偏振方向的光在长度694μm处分离。
图4为该光子晶体光纤分束器消光比随传输波长的变化关系图，图中表明：该光子晶体光纤偏振分束器具有很高的消光比,在偏振分束器长度为694μm时，其消光比可以达到54.6dB。
Claims (2)
1.一种铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：包括纤芯和包层，包层折射率低于纤芯，该光子晶体光纤偏振分束器具有包层为正六边形排列的空气孔点阵结构，纤芯是由去掉四个包层空气孔形成，中间由一个直径为d1的中心圆形空气孔隔离开，中心圆形空气孔的直径为0.7μm，在最内层加入椭圆空气孔来破坏原有结构的对称性，将包层的四个圆形空气孔换成四个椭圆空气孔, 椭圆空气孔的长轴直径为1.6μm、短轴直径为0.8μm，椭圆空气孔的椭圆度的计算公式为η=m/n, 式中：m-椭圆孔的短轴长度为0.8μm，n-椭圆孔的长轴长度为1.6μm；包层材料为铅硅酸盐，包层均布圆形空气孔，包层圆形空气孔的直径d2为1.1μm，孔间距Λ为1.4μm。
2.一种如权利要求1所述铅硅酸盐玻璃双芯光子晶体光纤偏振分束器的制备方法，其特征在于步骤如下：
1）铅硅酸盐玻璃和EG-4玻璃的选取：铅硅酸盐玻璃的软化温度为630℃，且耐腐蚀，EG-4玻璃容易被酸腐蚀，软化温度为699℃；
2）用实心铅硅酸盐玻璃棒堆积成一个正六边形预制棒，然后用EG-4玻璃毛细管替换其所设计偏振分束器空气孔的位置；
3）将堆积成的预制棒的一端熔融并固定，并在外面套一层铅硅酸盐玻璃制成的外套管，把预制棒放到拉丝塔上拉丝，拉丝温度650℃，使其中低软化温度的铅硅酸盐玻璃材料开始熔融，EG-4玻璃软化温度比较高，保持固态，这样就形成以铅硅酸盐玻璃为基底，上面布满EG-4玻璃孔的预制棒；
4）用2.5wt%硝酸进行腐蚀，将整个预制棒置于硝酸中，EG-4玻璃被硝酸腐蚀，但铅硅酸盐玻璃耐腐蚀没有任何变化，经过腐蚀后，EG-4玻璃完全被腐蚀掉，对预制棒进行清洗，干燥；
5）将干燥后预制棒进行涂胶，然后用紫外线进行照射，使涂胶均匀凝固在表面，即可制得铅硅酸盐玻璃偏振分束器。
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2014
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