CN105137540A - 一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，由双芯光子晶体光纤构成，构成偏振分束器的双芯光子晶体光纤包层采用正三角形晶格结构排列，包层孔的直径为d，孔间距为Λ；双芯光子晶体光纤的纤芯A和纤芯B采用平行设置的方式，对称分布在双芯光子晶体光纤中心孔的两侧，且纤芯A和纤芯B之间的距离为2Λ。通过设置合适的结构参数，就可实现基于简单结构的双芯光子晶体光纤的短长度偏振分束器设计。

Description

一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器

技术领域

本发明涉及偏振分束器领域，具体是一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器。

背景技术

偏振分束器是将一束光的两个正交偏振模进行分离的器件，广泛应用于光通信、光传感和光电检测等通信系统中。近年来，具有优良光学特性的光子晶体光纤(PCF)引起了人们的高度重视，而且灵活的结构为设计双芯光子晶体光纤提供新的方法，也为研制高性能偏振分束器提供了新途径。但是，为了获得优良的分束性能，在设计过程中往往采用具有复杂结构的双芯光子晶体光纤，例如同时引入多种直径的空气孔或者引入椭圆空气孔的方法，这样类型的光纤制备异常困难，不利于器件实现。由于光子晶体光纤特殊的结构，其包层空气孔为功能材料的填充提供了良好的空间，而填充技术的发展和填充材料的多样性也为功能材料的填充提供了一定的自由度。某些液晶材料具有很强的光学各向异性，可视为单轴晶体，其折射率可以通过外加电场和温度控制液晶指向矢旋转角θ进行调制，有利于利用简单结构光子晶体光纤实现一定的功能，因此逐渐成为设计光子晶体光纤偏振分束器的首选填充材料，但目前文献所采用的填充液晶后光子晶体光纤的导光方式为全内反射，还没有基于光子带隙型光子晶体光纤偏振分束器的相关报道，而且获得的分束器长度较长。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，以解决现有技术没有基于光子带隙型光子晶体光纤偏振分束器的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，由双芯光子晶体光纤构成，其特征在于：双芯光子晶体光纤的包层为正三角形晶格结构，包层中沿轴向设有多个圆孔形的包层孔，且其中一个包层孔位于中心位置，双芯光子晶体光纤的两纤芯采用平行设置的方式，对称分布在中心位置的包层孔两侧，双芯光子晶体光纤的背景采用纯石英材质，包层孔内分别填充有各向异性材料液晶，形成光子带隙导光的导光机制。

所述的一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，其特征在于：通过调节温度可调节偏振分束器的消光比。

所述的一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，其特征在于：设包层孔之间间距Λ，则两纤芯之间的距离为2Λ。

本发明将各向异性材料液晶填充到简单结构的光子晶体光纤包层孔中，使其导光机制转变为光子带隙导光，同时各向异性材料的填充使具有全圆孔的光子晶体光纤获得很高的双折射，便于X和Y偏振光的分离，然后利用该光子晶体光纤实现了一种短长度偏振分束器的设计。

本发明与现有其他技术相比具有以下优点：

1、所采用的双芯光子晶体光纤为全圆孔，结构简单，易于制备。

2、构成偏振分束器的双芯光子晶体光纤的导光机制为光子带隙导光。

3、该偏振分束器长度短，为890.5μm。

附图说明

图1为本发明所采用的双芯光子晶体光纤的横截面视图。

图2为本发明具体实施方式中双芯光子晶体光纤在1.55μm的模场分布图，其中：

图2(I)为X偏振方向偶模，图2(II)为X偏振方向奇模，图2(III)为Y偏振方向偶模，图2(IV)为Y偏振方向奇模。

图3为本发明具体实施方式中双芯光子晶体光纤不同偏振方向的归一化光功率随传输距离的变化。

图4为本发明具体实施方式中偏振分束器消光比性能。

图5为本发明具体实施方式中偏振分束器消光比性能随温度的变化关系。

具体实施方式

如图1所示，一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，由双芯光子晶体光纤构成，双芯光子晶体光纤的包层为正三角形晶格结构，包层中沿轴向设有多个圆孔形的包层孔1，且其中一个包层孔位于中心位置，双芯光子晶体光纤的两纤芯A、B采用平行设置的方式，对称分布在中心位置的包层孔两侧，包层孔内分别填充有液晶，形成光子带隙导光的导光机制。

双芯光子晶体光纤的背景2材料采用纯石英材质。

通过调节温度可调节偏振分束器的消光比。

设包层孔之间间距Λ，则两纤芯之间的距离为2Λ。

设包层孔的直径为d，偏振分束器的性能与包层孔的直径d、孔间距Λ和填充的液晶有关，通过设置合适的结构参数，就可实现短长度偏振分束器设计。

通过对双芯光子晶体光纤不同偏振方向的耦合长度(L_x与L_y)进行计算，其中：

$L_x=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_x^e-n_x^o)}---\left(1\right)$

$L_y=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_y^e-n_y^o)}---\left(2\right)$

λ为入射波波长，代表不同模式下的有效折射率(i＝x,y代表不同的偏振方向；s＝e,o分别代表偶模和奇模)，不同的结构参数和液晶特征计算出的有效折射率并不相同，所以L_x与L_y并不相等，通过调节双芯光子晶体光纤的结构参数，可以使L_x和L_y满足mL_x＝nL_y＝L(m、n为奇偶性不同的正整数)，则可利用该光纤制作偏振分束器，L即为偏振分束器的长度。定义耦合长度比(CouplingLengthRatio，CLR)：

$CLR=\frac{L_y}{L_x}=\frac{m}{n}---\left(3\right)$

为了使双芯PCF偏振分束器可以更有效地分离两个正交偏振模，且具有最短的长度，CLR的最佳数值为2(L_x<L_y)或1/2(L_x>L_y)。

消光比(ExtinctionRatio，ER)是衡量偏振分束器性能的重要物理量，假设光束从纤芯A入射，则在纤芯A中ER的定义如下：

$ER=10{\log }_{10}\left(\frac{P_{x-out}}{P_{y-out}}\right)---\left(4\right)$

其中： $\frac{P_{x-out}}{P_{y-out}}=\frac{{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\&pi;}L}{2L_x}\right)}{{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\&pi;}L}{2L_y}\right)}.$

设包层孔的直径为d，偏振分束器的性能与包层孔的直径d、孔间距Λ和填充的液晶有关，通过设置合适的结构参数，通过上述公式就可实现短长度偏振分束器设计。

如图1所示，本发明中，构成偏振分束器的双芯光子晶体光纤包层采用正三角形晶格结构排列，所有包层孔的直径为d，孔间距为Λ；双芯光子晶体光纤的纤芯A和纤芯B采用平行设置的方式，对称分布在双芯光子晶体光纤中心孔的两侧，且纤芯A和纤芯B之间的距离为2Λ。构成光子晶体光纤的背景采用纯石英材质，包层孔全部填充E7液晶。液晶的填充使双芯光子晶体光纤双折射效应更加强烈，有利于X和Y偏振光进行分离，提高分束器性能。取石英的折射率取1.44，E7液晶的折射率由参考文献“Infraredrefractiveindicesofliquidcrystals”得到。

在图1所示的双芯光子晶体光纤横截面中，所有包层孔1的直径取1.88μm，孔间距Λ取3.35μm，外界温度T取室温25℃，液晶指向矢旋转角取90°(与光入射方向垂直)，在偏振分束器性能计算过程中光从纤芯A入射。

如图2所示为本发明具体实施方式中双芯光子晶体光纤在1.55μm的模场分布图，可以看出光场主要集中在纤芯A和纤芯B区域。

图3所示的为本发明具体实施方式中双芯光子晶体光纤不同偏振方向的归一化光功率随传输距离的变化关系，可以看出，光传输890.5μm时，X偏振方向的光的光功率最小，而Y偏振方向的光功率则达到最大，即实现了X和Y偏振光的分离。

图4所示的为本发明具体实施方式中偏振分束器消光比性能，可以看出该偏振分束器在1.55μm波长处具有良好的分束性能，其工作带宽几乎覆盖了全部S，C和L波段。

图5所示为本发明具体实施方式中偏振分束器消光比性能随温度的变化关系，可以看出，温度小于室温25℃时，其带宽随温度增加变宽；温度大于室温25℃时，其带宽随温度增加变窄，即可以根据带宽的变化判断温度的变化趋势。

Claims (4)

1.一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，由双芯光子晶体光纤构成，其特征在于：双芯光子晶体光纤的包层为正三角形晶格结构，包层中沿轴向设有多个圆孔形的包层孔，且其中一个包层孔位于中心位置，双芯光子晶体光纤的两纤芯采用平行设置的方式，对称分布在中心位置的包层孔两侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，其特征在于：双芯光子晶体光纤的背景采用纯石英材质，包层孔内分别填充有各向异性材料液晶，形成光子带隙导光的机制。

3.根据权利要求1所述的一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，其特征在于：通过调节温度可调节偏振分束器的消光比。

4.根据权利要求1所述的一种基于液晶填充光子晶体光纤的短长度偏振分束器，其特征在于：设包层孔之间间距Λ，则两纤芯之间的距离为2Λ。