CN106291821A - 一种空芯光子晶体光纤耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空芯光子晶体光纤耦合器，属于光纤耦合器技术领域。所述的空芯光子晶体光纤耦合器由两个双光纤准直器和一个反射膜片构成；所述的双光纤准直器由两根空芯光子晶体光纤和一个GRIN透镜组成，所述的空芯光子晶体光纤的尾纤与GRIN透镜的前端面的距离在0.2～0.3mm之间，GRIN透镜的前端面的倾斜角为3°，空芯光子晶体光纤的模场半径小于5μm。本发明不需要对光纤端面进行斜八度研磨和抛光处理，只需要进行切割即可以满足回波损耗要求，避免了对空芯光子晶体光纤端面处理时破坏带隙光纤结构和光学性能的问题；本发明附加损耗小，回波损耗大，光纤端面不需要镀膜，且分光比可通过改变膜片透射率来调整。

Description

一种空芯光子晶体光纤耦合器

技术领域

本发明属于光纤耦合器技术领域，具体涉及一种空芯光子晶体光纤耦合器。

背景技术

光纤耦合器是实现光信号分路和合路的光无源器件，是光纤传感和光纤通信的重要基础元件。空芯光子晶体光纤相比普通光纤具有磁敏感性低、抗辐射性能强、温度稳定性高等特点，应用于光纤陀螺中可提高光纤陀螺在空间应用中的精度，全光子晶体光纤陀螺除要求光纤环采用空芯光子晶体光纤之外，其他光路部分也采用光子晶体光纤，因此需要一种空芯光子晶体光纤耦合器。

目前已有实验室用实芯光子晶体光纤耦合器，但目前还没有有关空芯光子带隙光纤耦合器的成熟解决方案，这极大的限制了空芯光子晶体光纤的应用，因此空芯光子晶体光纤耦合器的制作具有重要的应用价值。

现有的实验室用实芯光子晶体光纤耦合器的制作方法主要有以下两种：第一种是熔融拉锥法，熔融拉锥法是将两根实芯光子晶体光纤平行在一起，利用高温加热，熔融拉伸两根光纤形成双锥型，依靠光纤之间的倏逝场实现光场的耦合。该种方法制作简单，成本低，性能结构稳定，但是在制作光子晶体光纤耦合器时，由于空气孔的存在，在熔融拉锥过程中会造成空气孔塌陷，破坏光子晶体光纤二维结构，进而影响其性能，使附加损耗迅速增加，普遍在10dB以上，不具有应用价值。第二种是研磨胶合法，研磨胶合法是将两根实芯光子晶体光纤分别嵌入两块石英中进行光学研磨，然后将研磨后的石英块胶粘在一起，制成的光纤耦合器。研磨法制作的光子晶体光纤耦合器分光比可根据匹配角度调节，但研磨深度难的精度难以控制，偏振相关损耗大，且折射率匹配胶会进入空气孔，制作工艺复杂，稳定性和机械性较差，主要还是实验室中使用。

由于空芯光子晶体光纤的空气孔壁更加薄，普遍在低于200nμ，上述实芯光子晶体光纤耦合器的工艺技术不适用于空芯光子晶体光纤耦合器制作，随着GRIN透镜(梯度折射率透镜)制作工艺和对轴精度的提升，微光学耦合器在损耗和工艺方面都能满足需求。基于微光学原理的空芯光子晶体光纤耦合器可以避免空气孔塌陷，附加损耗小，能够实现空芯光子晶体光纤耦合器的制作，且偏振相关损耗低，有良好的机械稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种制作简单且性能稳定的空芯光子晶体光纤耦合器。所述的空芯光子晶体光纤耦合器由两个双光纤准直器和一个反射膜片构成；所述的双光纤准直器由两根空芯光子晶体光纤和一个GRIN透镜组成，在两个双光纤准直器之间根据分光比要求插入反射膜片，按照光路依次排列第一个双光纤准直器、反射膜片、第二个双光纤准直器，构成完整的空芯光子晶体光纤耦合器。

所述的空芯光子晶体光纤的尾纤与GRIN透镜的前端面中心的距离d在0.2～0.3mm之间，GRIN透镜的前端面的倾斜角为3°，空芯光子晶体光纤的模场半径小于5μm。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明不需要对光纤进行拉锥，可以避免空气孔塌陷。

(2)本发明不需要对光纤端面进行斜八度研磨和抛光处理，只需要进行切割即可以满足回波损耗要求，避免了对空芯光子晶体光纤端面处理时破坏带隙光纤结构和光学性能的问题。

(3)本发明附加损耗小，回波损耗大，光纤端面不需要镀膜，且分光比可通过改变膜片透射率来调整。

(4)本发明在工作距离为0.2～0.29mm时，透镜前端面倾斜角度等于3度即可以满足回波损耗需求，相比普通光纤准直器由倾斜角度引起的反射损耗和偏振相关损耗低。

附图说明

图1是本发明提供的空芯光子晶体光纤耦合器的整体结构示意图；

图2是空芯光子晶体光纤准直器的结构示意图；

图3是回波损耗与GRIN透镜倾斜角关系示意图；

图4是回波损耗与尾纤和GRIN透镜之间距离关系示意图；

图5是本发明回波损耗与空芯光子晶体光纤模场半径的关系示意图；

图6是尾纤处理示意图。

图中：

1-空芯光子晶体光纤； 2-胶； 3-玻璃套管；

4-GRIN透镜； 5-反射膜片。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种空心光子晶体光纤耦合器，如图1所示，所述的空芯光子晶体光纤耦合器由两个双光纤准直器和一个反射膜片5构成。所述的双光纤准直器由两根空芯光子晶体光纤1和一个GRIN透镜4组成，在两个双光纤准直器之间根据分光比要求插入反射率一定的反射膜片5，按照如图1所示的光路依次排列第一个双光纤准直器、反射膜片5、第二个双光纤准直器，构成完整的空芯光子晶体光纤耦合器。所述的空芯光子晶体光纤1的尾纤与GRIN透镜4的前端面中心的距离d在0.2～0.3mm之间，GRIN透镜4的倾斜角为3°，空芯光子晶体光纤1的模场半径小于5μm。

如图2所示，本发明的微光学空芯光子晶体光纤耦合器的基础组成元件是空芯光子晶体双光纤准直器，空芯光子晶体光纤空气孔的模式有效折射率接近1，基模在光纤端面反射系数在10^-6数量级，实际应用中可以忽略光纤端面的反射，因此双光纤准直器的回波主要由GRIN透镜4的前后两个端面组成，GRIN透镜4的倾斜角越大，偏振相关损耗和插入损耗越大，在满足回波损耗的同时，倾斜角越小对耦合器整体性能越有利。双光纤准直器的回波损耗RL可根据回波损耗计算式RL＝-10log₁₀(r₁·η₁+r₂·η₂)得到，式中r₁、r₂分别为GRIN透镜4的前后两个端面的反射率，设空气的折射率为n₁，GRIN透镜轴上的折射率为n₂，则

图2中，A点是空心光子晶体光纤(简称光纤)出射高斯光束中心与GRIN透镜前端面的交点，B点是GRIN透镜后端面反射回的高斯光束中心与GRIN透镜前端面的交点。η₁、η₂通过高斯光与单模空心光子晶体光纤耦合效率式，可由下式求得：

${\mathrm{\η}}_1=k_1\·\exp \·\{-k_1\[\frac{x_1}{2}(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_1}^2})+{\mathrm{\π}}^2{{\mathrm{\β}}_1}^2\frac{{\mathrm{\ω}}_1{\left(z\right)}^2+{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\λ}}^2}-\frac{x_1{z}_1{\mathrm{\β}}_1}{{{\mathrm{\ω}}_1}^2}\]\}$

${\mathrm{\η}}_2=k_2\·\exp \·\{-k_2\[\frac{x_2}{2}(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2}+\frac{1}{{{\mathrm{\ω}}_1}^2})+{\mathrm{\π}}^2{{\mathrm{\β}}_2}^2\frac{{\mathrm{\ω}}_2{\left(z\right)}^2+{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\λ}}^2}-\frac{x_2{z}_2{\mathrm{\β}}_2}{{{\mathrm{\ω}}_1}^2}\]\}$

式中的k₁和k₂分别为：

k₁＝4[(ω/ω₁+ω₁/ω)²+(πωω₁/λ)²(1/R₁)²]^-1，

k₂＝4[(ω/ω₁+ω₁/ω)²+(πωω₁/λ)²(1/R₂)²]^-1,

R₁＝z₁[1+(πω₁ ²/λz₁)²]，

R₂＝z₂[1+(πω₁ ²/λz₂)²],

ω₁ ²(z)＝ω₁[1+(λz₁/πω²)²]，

ω₂ ²(z)＝ω₁[1+(λz₂/πω²)²],

ω是光源模场半径，ω₁是空芯光子晶体光纤的模场半径，光纤出射光作为光源，因此，两个模场半径相等、R₁、R₂是高斯光束在z₁、z₂处波阵面的曲率半径，ω₁(z)、ω₂(z)分别是GRIN透镜前后端面返回的高斯光束在光纤端面的模场半径。通过利用几何光学和矩阵光学求解A、B两点的坐标，利用A、B两点的坐标可分别求解式中的x₁、x₂、β₁、β₂、z₁、z₂，x₁、x₂分别是GRIN透镜前后端面返回的高斯光束中心在尾纤端面处相对于尾纤纤芯所在光轴的偏移距离，β₁、β₂是GRIN透镜前后端面返回的高斯光束中心在尾纤端面处与尾纤所在光轴的夹角，z₁、z₂分别是A、B两点到尾纤端面的距离。图2中Z是透镜的长度、λ是高斯光波长、θ是GRIN透镜前端面的倾斜角。

本发明采用NSG公司的SLW-1.8型宽视场透镜，节距0.23P，设置空心光子晶体光纤的尾纤与GRIN透镜前端面中心之间的距离d，空芯光子晶体光纤的模场半径ω₁，以及GRIN透镜前端面的倾斜角θ为变量进行仿真，空芯光子晶体光纤的模场半径按照ω₁＝5μm、波长λ＝1550nm，GRIN透镜前后两个端面均镀有反射率为0.01％的增透膜。

将空心光子晶体光纤的尾纤端面置于GRIN透镜焦点处，回波损耗与GRIN透镜倾斜角的关系如图3所示，GRIN透镜前端面的倾斜角为θ＝2.25°即可满足回波损耗大于60dB，但是实际应用中，GRIN透镜的长度、倾斜角存在制造公差，尾纤与GRIN透镜前端面中心的距离d也存在精度，实际采用3°更加符合应用需求。

在GRIN透镜倾斜角为3°时，回波损耗与距离d的关系如图4所示，回波损耗与距离d之间存在一个极大值，极大值点位于GRIN透镜后端面返回光束的束腰半径处，在上述参数下，通常尾纤与GRIN透镜前端面中心的距离d在0.2～0.3mm能够满足需求。

GRIN透镜倾斜角为3°，尾纤位于GRIN透镜端面的情况下，回波损耗与模场半径的关系如图5所示，由于空芯光子晶体光纤的模场半径通常小于5μm，因此采用上述参数，能够满足需求。

由于光纤端面反射可以忽略，没有散射，因此可以避免光纤研磨斜八度步骤，将空芯光子晶体光纤去除涂覆层，清洁空芯光子晶体光纤包层表面，然后将空芯光子晶体光纤插入玻璃套管3，如图6所示中，空芯光子晶体光纤1伸出玻璃套管3一定长度，伸出的长度要保证在玻璃套管3前端面堵胶的过程中不会污染到光纤端面，然后把胶2填充在如图6所示的玻璃管凹槽，把光纤固定在玻璃套管3中。然后切割空芯光子晶体光纤1，切割后清洁光纤端面的碎屑。

Claims (4)

1.一种空芯光子晶体光纤耦合器，其特征在于：由两个双光纤准直器和一个反射膜片构成；所述的双光纤准直器由两根空芯光子晶体光纤和一个GRIN透镜组成，在两个双光纤准直器之间根据分光比要求插入反射膜片，按照光路依次排列第一个双光纤准直器、反射膜片、第二个双光纤准直器，构成完整的空芯光子晶体光纤耦合器。

2.根据权利要求1所述的一种空芯光子晶体光纤耦合器，其特征在于：所述的空芯光子晶体光纤的尾纤与GRIN透镜的前端面中心的距离d在0.2～0.3mm之间，GRIN透镜的前端面的倾斜角为3°，空芯光子晶体光纤的模场半径小于5μm。

3.根据权利要求1所述的一种空芯光子晶体光纤耦合器，其特征在于：所述的GRIN透镜前后两个端面均镀有反射率为0.01％的增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种空芯光子晶体光纤耦合器，其特征在于：所述的空芯光子晶体光纤，光纤端面通过如下方式获得：

将空芯光子晶体光纤去除涂覆层，清洁空芯光子晶体光纤包层表面，然后将空芯光子晶体光纤插入玻璃套管，并伸出玻璃套管一定长度，伸出的长度要保证在玻璃套管前端面堵胶的过程中不会污染到光纤端面，然后把胶填充在玻璃套管凹槽，把光纤固定在玻璃套管中；然后切割空芯光子晶体光纤，切割后清洁光纤端面的碎屑。