CN104597559B - 一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤 - Google Patents

一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤 Download PDF

Info

Publication number
CN104597559B
CN104597559B CN201510044480.6A CN201510044480A CN104597559B CN 104597559 B CN104597559 B CN 104597559B CN 201510044480 A CN201510044480 A CN 201510044480A CN 104597559 B CN104597559 B CN 104597559B
Authority
CN
China
Prior art keywords
airport
photonic crystal
vectorial field
crystal fiber
field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201510044480.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104597559A (zh
Inventor
赵建林
赵晨阳
甘雪涛
李鹏
韩磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN201510044480.6A priority Critical patent/CN104597559B/zh
Publication of CN104597559A publication Critical patent/CN104597559A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104597559B publication Critical patent/CN104597559B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02319—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by core or core-cladding interface features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02342—Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by cladding features, i.e. light confining region
    • G02B6/02371—Cross section of longitudinal structures is non-circular

Abstract

本发明涉及一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤，在光子晶体光纤中，通过缺失空气孔引入多个纤芯，各个纤芯之间对光功率进行耦合分配，进入光纤中的光因满足全内反射条件而被限制在纤芯中传播，各个纤芯均存在一对正交偏振的基模，形成四种离散型的矢量光场模式。有益效果：通过在多芯光子晶体光纤中设计大空气孔和缺陷空气孔结构，引入模式高折射差和缺陷模式，消除偏振模色散以及偏振模耦合对矢量模式的影响，产生高质量的矢量光场。并且光纤端面规则，可与无源或有源光学器件耦合，实现矢量光场的激光出射。本发明不仅可以为矢量光场的产生提供一种简单易行的方法，而且可以实现矢量光场的远距离传输。

Description

一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤
技术领域
本发明属于光纤通信领域，涉及一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤。
背景技术
矢量光场是一类偏振态与波前的横向空间位置相关的特殊光波场。独特的偏振态空间分布使得矢量光场及其应用逐渐成为光学领域的研究热点之一。最典型的矢量光场是柱矢量光场，其偏振态和相位在光场横截面上呈轴对称分布，并且在光场中心处存在偏振奇点，导致该处的场强分布为0，从而表现为中心暗核。径向偏振光和角向偏振光是柱矢量光场的两种常用形式。独特的偏振态空间分布使得矢量光场表现出诸如突破衍射极限的紧聚焦以及自旋和轨道角动量等特性，这些特性在超高分辨成像、光学微操控、等离子聚焦等方面具有重要应用。
迄今，人们提出了多种产生矢量光场的方法，这些产生方法一般分为主动法和被动法两类。主动法是指利用特殊设计或改进的激光谐振腔直接输出矢量光场。这类方法的主要原理是通过在腔内放置特定的光学元件来抑制基模，使得谐振腔内的实际振荡模式选择成所需要的矢量光场模式。常用的腔内元件可以是轴对称的双折射元件、二色性元件，或者是偏振选择器件。被动法是指在激光器谐振腔以外的自由空间中，采用特殊设计的光学元件或者光路，将普通激光模式转化为所需要的矢量光场模式。例如，轴对称的双折射和二向色性器件、液晶空间光调制器和分区延迟器等，都可以用于在激光谐振腔外产生矢量光场。利用以上产生矢量光场方法可以获得很高效率的矢量光场，但需要较为复杂的光路系统和较多的光学元件，并且所产生矢量光场在长距离传输过程中易受分立光学元件和传输介质的不均匀性影响，造成光场质量明显下降。
光子晶体光纤作为一种新型微结构光纤，具有许多传统光纤无法实现的独特传播特性，例如结构设计灵活、无截止单模传输、显著的非线性效应、高双折射、多零色散等。通过对光子晶体光纤中的空气孔形状和大小以及位置的简单调节，可以非常方便地改变光子晶体光纤的传输特性。在光子晶体光纤中引入多个纤芯结构，可以实现纤芯间光功率的分配、波长的选择及不同偏振态的分离等功能，从而有可能支持具有复杂空间偏振态分布的矢量模场的转换和传输。这种具有矢量模场特性的光子晶体光纤不仅可以为矢量光场的产生提供一种简单易行的途径，而且可以有效保证矢量光场的远距离传输。
发明内容
为了避免现有技术的不足，本发明提出一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤，满足矢量光场研究和应用的需求。
本发明的技术方案是，一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤，其特征在于由光纤基底材料和六角结构排布的包层空气孔所组成的多芯结构；各个纤芯围绕光纤中心成对称分布；所述纤芯由包层空气孔的缺失形成；所述光纤横截面结构中，纤芯附近空气孔的大小不同，横截面结构沿光纤的长度方向不变。
在这种多芯光子晶体光纤结构中，纤芯对光功率进行耦合分配，进入光纤中的光因满足全内反射条件而被限制在纤芯中传播，各纤芯均存在一对正交偏振的基模，形成四种离散型的矢量光场模式。为了消除偏振模色散及耦合对矢量模式的影响，在纤芯周围设计大空气孔和缺陷空气孔结构，引入模式高折射率差和缺陷模式，利用模式之间的能量耦合使其中三个低折射率矢量模式处在高泄漏或高损耗区而损耗掉，只将高折射率矢量模式束缚在纤芯区进行有效传输，由此即可实现保偏传输并产生高质量的矢量光场。
本发明的有益效果是，一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤，通过适当调节光纤中空气孔的大小和分布，引入多纤芯结构，即可以实现对光场偏振态分布的调控。这种光子晶体光纤在波长1.55μm至1.70μm范围内，可以实现宽带矢量光场的传输，因而在光传输等领域具有广阔的应用前景。其次，所述光子晶体光纤只需采用一种材料就可实现，无需采用掺杂等方法改变材料的折射率，制作工艺简单。再其次，所述光子晶体光纤结构，采用常规的光子晶体光纤制作技术即可实现，因而可以保证产品的成品率。此外，所述光子晶体光纤的纤芯排列规则，从而使传输的模场分布更加规则，有利于其与其他无源或有源光学器件相耦合，实现矢量光场出射，可用于光学微操控。同时，所述光子晶体光纤不易受环境温度变化的影响，具有更强的环境稳定性，可保证矢量光场长距离稳定传输。
附图说明
图1为本发明用于产生角向偏振矢量光场的光子晶体光纤横截面示意图。
图2为本发明用于产生径向偏振矢量光场的光子晶体光纤横截面示意图。
图3为本发明具体实施例中所述可输出柱矢量光场的光子晶体光纤激光器系统结构示意图。
图4为图1所示实施例的光子晶体光纤有效折射率随入射光波长的变化关系。
图5为图1所示实施例的光子晶体光纤限制损耗特性随入射光波长的变化关系。
图6为图1所示实施例的光子晶体光纤在1.55μm波长处的模场分布，其中包括光纤传输光场强度分布和出射光场强度分布。
图7为图1所示实施例的光子晶体光纤出射光场左、右旋圆偏振分量相位分布。
图8为图1所示实施例的光子晶体光纤中柱矢量光场的偏振态分布。
图9为图2所示实施例的光子晶体光纤中光场强度和偏振态分布。
图中：1.光纤基底材料；2.包层空气孔d1；3.纤芯区；4.大空气孔d2；5.邻芯空气孔d3；6.缺陷空气孔d4；7.光纤激光器；8.光隔离器；9.普通光纤；10.熔接点；11.光子晶体光纤；12.屏。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明所述光子晶体光纤，通过缺失部分空气孔而引入多个纤芯。由于包层中含有多空气孔结构，致使包层的有效折射率变小，而纤芯区域的折射率则高于包层区域的有效折射率，这样可使以恰当角度入射的光因满足全内反射条件而被限制在纤芯中传播。由于各纤芯均存在一对正交偏振的基模，从而形成四种离散型的矢量模式。这四种矢量模式是近乎简并的。为了消除偏振模色散及耦合对矢量奇点模式的影响，在纤芯周围设计大空气孔和缺陷空气孔结构，引入模式高折射率差和缺陷模式，利用模式之间的能量耦合使其中三个低折射率矢量模式处在高泄漏或高损耗区而被衰耗掉，从而仅仅将高折射率矢量模式束缚在纤芯区进行有效传输，实现光子晶体光纤的保偏传输。将本发明所述光子晶体光纤与光纤激光器连接，可直接实现柱矢量光场的激光出射，或者接入到传输常规光场的光路系统中，可实现柱矢量光场的转换。
实施例1
本发明用于产生角向偏振矢量光场的光子晶体光纤横截面结构如图1所示。光子晶体光纤的基底材料1通常采用石英玻璃，包层空气孔2成六角结构排布，该结构的纤芯3是通过缺失若干个空气孔实现的，所形成的六个纤芯围绕光纤中心成对称分布。在各个纤芯周围采用大空气孔4，通过压缩模场分布形态，促使模场结构呈现不对称性，从而得到高折射率差。同时，减小相邻芯空气孔5和缺陷空气孔6的直径，使得包层模与纤芯中低折射率矢量模式满足耦合条件，将该偏振态的光场能量迅速耦合到包层中衰减截止，从而实现高质量矢量光场的保偏传输。其中，相邻空气孔的周期Λ＝2.2μm，包层空气孔2直径d1＝0.54Λ，大空气孔4直径d2＝0.90Λ，邻芯小空气孔5直径d3＝0.29Λ，缺陷空气孔6直径d4＝0.30Λ。
图4为本发明所述光子晶体光纤的有效折射率随入射光波长的变化规律。从图4可以得到，由所述光子晶体光纤产生的四个矢量模式和缺陷模式的有效折射率随入射光波长的减小而增加。由于大空气孔4的引入，四个矢量模式间的有效折射率差大于10-4量级。其中，在1.40μm至1.70μm波长范围内，模式3和模式4的有效折射率低于缺陷模式的有效折射率；从1.55μm波长开始，模式2有效折射率低于缺陷模式的有效折射率，上述三种低折射率矢量模式与缺陷模式耦合使其处在缺陷区衰耗掉，而模式1有效折射率始终大于缺陷模式的有效折射率，因此可以实现模式1无损耗的单模传输。
图5为本发明所述光子晶体光纤的模场限制损耗随入射光波长的变化关系。从图中可以看到，由于缺陷模式的存在，在1.40μm至1.55μm波长范围内，低折射率矢量模式3和4均有较大的限制损耗；在1.55μm至1.70μm波长范围内，低折射率矢量模式2开始出现大的限制损耗，三种矢量模式的限制损耗均大于1dB/m，在波长1.65μm处，低折射率矢量模式2的限制损耗可以达到37dB/m；而在整个波长范围内，高折射率矢量模式1的限制损耗低于0.05dB/m，可适用于长距离的光传输。
图6为本发明所述光子晶体光纤的传输光场和出射光场强度分布。其中图6(a)为传输光场强度分布，从图中可以看出，在每个纤芯处均具有较强的光强分布。图6(b)为光纤出射光场在20μm处的强度分布，由于偏振和相位奇点的存在，可以看到在光场中心处存在一个暗核。
图7为本发明所述光子晶体光纤中光场左、右旋圆偏振分量的相位分布。可以看到，围绕中心的相位变化为2π，对应光场的左旋和右旋拓扑荷分别1和-1，合成光场的拓扑荷为1。此外，可以看到相位在径向发生改变，这主要是因为涡旋相位附加了一个球面波相位引起。
图8为由本发明所述光子晶体光纤产生的矢量光场的偏振态分布，其中背景颜色和线段分别表示椭圆度和偏振椭圆的长轴方向。从图中可以看出椭圆度均为0，即矢量光场保持局部线性偏振。偏振椭圆长轴的方向反映该光场为角向偏振。
实施例2
本发明用于产生径向偏振矢量光场的光子晶体光纤的横截面结构如图2所示。相邻空气孔的周期Λ＝2.2μm，包层空气孔直径d1＝0.54Λ，大空气孔4直径d2＝0.95Λ，邻芯小空气孔5直径d3＝0.44Λ，缺陷空气孔6直径d4＝0.19Λ。与实施例1相比较，该结构调整了大空气孔4的位置，改变了邻芯空气孔5和缺陷空气孔6的直径。
图9为本发明所述光子晶体光纤出射光场在20μm处的强度和偏振态分布。与图6类似，每个纤芯处均具有较强的光强分布。由于偏振和相位奇点的存在，在出射光场中心处存在一个暗核。从图9(c)中可以看出，椭圆度均为0，即矢量光场保持局部线性偏振。偏振椭圆长轴的方向反映该光场为径向偏振。
实施例3
图3为本发明具体实施例中所述可输出柱矢量光场的光子晶体光纤激光器系统结构示意图。其特征在于：所述光子晶体光纤激光器由光纤激光器7、光隔离器8、普通光纤9和本发明所述光子晶体光纤11组成，光纤激光器7的输出端依次连接光隔离器8、普通光纤9和光子晶体光纤11，光子晶体光纤11输出端切平，输出矢量光场。

Claims (1)

1.一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤，其特征在于包括光纤基底材料(1)、包层空气孔(2)和纤芯(3)；缺失空气孔的部位形成纤芯(3)；所述光子晶体光纤的纤芯(3)为六个，且对称分布；所述光子晶体光纤的纤芯(3)周围引入大空气孔(4)、邻芯空气孔(5)和缺陷空气孔(6)结构；大空气孔(4)的直径大于包层空气孔(2)的直径，邻芯空气孔(5)和缺陷空气孔(6)的直径均小于包层空气孔(2)的直径；通过调整大空气孔(4)的位置，改变邻芯空气孔(5)和缺陷空气孔(6)的直径，可以分别产生角向偏振和径向偏振柱矢量光场；所述光子晶体光纤中模式的波长范围能够覆盖1.55μm至1.70μm；所述基底材料(1)为石英玻璃；用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤，与光纤激光器(7)连接，可直接实现柱矢量光场的激光出射。
CN201510044480.6A 2015-01-22 2015-01-22 一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤 Expired - Fee Related CN104597559B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510044480.6A CN104597559B (zh) 2015-01-22 2015-01-22 一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510044480.6A CN104597559B (zh) 2015-01-22 2015-01-22 一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104597559A CN104597559A (zh) 2015-05-06
CN104597559B true CN104597559B (zh) 2018-04-20

Family

ID=53123459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510044480.6A Expired - Fee Related CN104597559B (zh) 2015-01-22 2015-01-22 一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104597559B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104898199B (zh) * 2015-06-26 2018-07-17 深圳市通盛新材料有限公司 一种多芯光子晶体光纤与激光器光源的连接结构
CN106842414B (zh) * 2017-03-08 2019-07-23 南京邮电大学 一种可传输多个oam模式的光子晶体光纤
US10698154B2 (en) * 2017-10-11 2020-06-30 Ofs Fitel, Llc Suppressing surface modes in fibers
CN110149150B (zh) * 2019-04-01 2021-04-09 深圳市深光谷科技有限公司 基于柱矢量光束(cvb)的通信复用系统及方法
CN110426780A (zh) * 2019-07-31 2019-11-08 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1712935A1 (en) * 2005-04-06 2006-10-18 Vrije Universiteit Brussel Method of fabricating micro-structured fibres
CN103869386A (zh) * 2014-02-27 2014-06-18 西北工业大学 一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1712935A1 (en) * 2005-04-06 2006-10-18 Vrije Universiteit Brussel Method of fabricating micro-structured fibres
CN103869386A (zh) * 2014-02-27 2014-06-18 西北工业大学 一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Generation and propagation of radially polarized beams in optical fibers;Siddharth Ramachandran et al;《OPTICS LETTERS》;Optical Society of America;20090814;第34卷(第16期);全文 *
Highly birefringent photonic crystal fibers;A. Ortigosa-Blanch et al;《OPTICS LETTERS》;Optical Society of America;20000915;第25卷(第18期);正文第1325-1326页，附图1 *
Single-polarization single-mode photonic crystal fiber based on index-matching coupling with a single silica material;Sun-Goo Lee et al;《Optical Fiber Technology》;Elsevier Inc;20101012;第17卷(第1期);正文第39-40页，附图1-7 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104597559A (zh) 2015-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104597559B (zh) 一种用于产生柱矢量光场的光子晶体光纤
CN103091770B (zh) 一种光子晶体光纤偏振分束器件
CN100541249C (zh) 二维完全带隙光子晶体和消偏振分束器
CN104316040B (zh) 一种基于光子晶体光纤的新型光纤陀螺干涉光路
CN103472527B (zh) 一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤
CN106848823A (zh) 一种基于模式选择耦合器的8字腔锁模柱矢量光纤激光器
CN102967981A (zh) 基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源
CN106646929A (zh) 一种用于集成光学相控阵的电光单元及光学相控阵
CN103605187B (zh) 一种基于选择性填充的类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器
CN202995205U (zh) 基于多芯光子晶体光纤的超连续谱光源
CN108490534A (zh) 一种基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器
CN116840966A (zh) 一种应用于近红外波段(1.3~1.8μm)的高双折射准椭圆芯空芯反谐振光纤
CN208833947U (zh) 一种光子晶体光纤偏振分束器
CN111650687A (zh) 一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器
CN104981722B (zh) 一种单分束器透射式光子晶体光纤谐振腔
CN102289032A (zh) 一种太赫兹光子晶体光纤耦合器
CN101738686A (zh) 一种波长和输出光强度可控的延迟器及其制作方法
CN101923187B (zh) 一种单偏振光子晶体光纤
CN103439763A (zh) 一种大模场面积全固体光纤及其制造方法
CN104597558A (zh) 一种新型高双折射高非线性光子晶体光纤
CN107643561A (zh) 一种低损耗太赫兹偏振分束器
CN203658616U (zh) 软玻璃光子晶体光纤偏振分束器
CN103018820A (zh) 一种平顶光纤
CN114035264B (zh) 一种色散补偿微结构光纤
CN100395573C (zh) 一种太赫兹波纤维波导

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180420

Termination date: 20190122

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee