CN108490534A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护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，其为一段微结构光纤，包层背景材料上设有五种孔径不同的圆形空气孔，五圈呈正六边形排列的第一空气孔，两个位于纤芯两侧沿X轴向的第二空气孔，第三、第二、第一圈设有关于轴线对称的第三、第四、第五空气孔；且这五种空气孔中间设有硅实芯。在研究波长范围内，只有X偏振方向的纤芯模式能量能耦合到包层模，该光纤还具有良好的温度稳定性。通过改变包层中第三、第四、第五空气孔的直径或孔间距来调整谐振区域。本发明的偏振滤波器具有温度稳定性和灵活性，同时该光纤圆孔混合型的结构有利于选择性集成不同的功能材料，可被广泛应用于光通讯和光传感领域。

Description

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
技术领域
本发明属于光纤领域，具体是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。
背景技术
微结构光纤(Microstructured optical fibers,MOFs)又称光子晶体光纤(photonic crystal fibers，PCFs)，是一种在石英衬底的包层中引入周期性排列空气孔的二维光纤。因其具有无限单模传输、高非线性、低弯曲损耗以及大有效模场面积等独特优势，被越来越多的科研工作者广泛研究。可以通过灵活变动光纤横截面结构来实现传统光纤不具备的特性，其中微结构光纤偏振滤波器在光通信和光传感领域中具有重要，因此，基于谐振耦合原理的实现的偏振滤波器成为一个研究热点。
微结构光纤主要是由三角晶格构成的六重对称结构，因此通过在包层引入缺陷结构或集成功能材料，利用谐振耦合原理，可实现具有单一偏振模式的微结构光纤偏振滤波器。M.F.O.Hameed(文献Hameed M F O,Heikal A M,Younis B M,et al.Ultra-hightunable liquid crystal-plasmonic photonic crystal fiber polarization filter[J].Optics express,2015,23(6):7007-7020.)和J.Xue(文献Xue J,Li S,Xiao Y,etal.Polarization filter characters of the gold-coated and the liquid filledphotonic crystal fiber based on surface plasmon resonance[J].Optics express,2013,21(11):13733-13740.)提出了通过集成液体材料实现的基于谐振原理的光纤偏振滤波器，使得偏振器具有好的偏振特性，但具有高温度灵敏度的偏振滤波器在光纤通信中是不利的；G.Wang(文献Wang G,Li S,An G,et al.Design of a polarized filteringphotonic-crystal fiber with gold-coated air holes[J].Applied optics,2015,54(30):8817-8820.)和Q.Liu(文献Liu Q,Li S,Li H,et al.Broadband single-polarization photonic crystal fiber based on surface plasmon resonance forpolarization filter[J].Plasmonics,2015,10(4):931-939.)提出了通过集成金属材料实现的基于谐振原理的偏振滤波器，使得偏振滤波器能在温度变化的环境中稳定工作，但其需要在微结构光纤中引入新的材料，这使得制造过程变得复杂。并且很难将更多的功能材料再次集成到两种方法实现的偏振滤波器的光纤。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种具有温度稳定性和灵活性的基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器。本发明的技术方案如下：
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，包括纤芯及包层，且包层中设有硅实芯。所述纤芯设置于微结构光纤中心位置，为一实芯。所述包层由背景材料上设有的周期性排列的五圈空气孔及周边的背景材料构成，所述包层中的硅实芯用于实现纤芯模式能量向包层模式转移，所述包层的背景材料上设有五种孔径不同的圆形空气孔，分别为：正六边形排列的第一空气孔、两个位于纤芯两侧的沿X轴向的第二空气孔及关于轴线对称的第三空气孔、第四空气孔、第五空气孔；所述第三空气孔一共有4个，分别设置在包层的第三圈靠近Y轴线处，所述第四空气孔也有4个，设置于第三空气孔内侧更靠近纤芯处，所述第三五空气孔也有4个，设置于第四空气孔内侧更靠近纤芯处。其中第三空气孔-第五空气孔的设置主要是用于改变微结构光纤的不对称性，从而引入包层缺陷结构，实现微结构光纤的偏振滤波特性。
进一步的，所述包层的第一空气孔-第五空气孔均为圆孔，且包层的折射率低于纤芯的折射率。
进一步的，所述背景材料采用SiO2或其他具有温度不灵敏特性的聚合物材料，可实现温度不灵敏特性。
进一步的，所述包层区域的第三空气孔、第四空气孔、第五空气孔的直径大小互不相同，通过改变这三种空气孔的大小或孔间距可实现灵活的温度不敏感偏振滤波器。
进一步的，所述纤芯周围有五圈呈正六边形排列的第一空气孔。
进一步的，所述包层中第一空气孔的间距为Λ＝4.9μm，直径为d1＝2.1μm。
进一步的，所述包层中在第一象限的第二空气孔、第三空气孔、第四空气孔、第五空气孔的直径dn、坐标(Xn,Yn)分别为d2＝5.6μm、(X2＝4.9μm,Y2＝0μm)，d3＝4.0μm、(X3＝2.45μm,Y3＝12.73μm)，d4＝3.6μm、(X4＝2.28μm,Y4＝8.487μm)，d5＝3.0μm、(X5＝2.0μm,Y5＝4.6μm)，在温度T＝25℃，最强谐振点出现波长λ＝986nm处。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出了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，在研究波长范围内，只有X偏振方向的纤芯模式能量能耦合到包层模，通过改变包层中第三(6)、第四(7)、第五空气孔(8)的直径和孔间距来调整谐振区域。研究表明本发明的基于纯石英材料、圆孔混合型的结构偏振滤波器具有温度稳定性和灵活性，同时该光纤圆孔混合型的结构有利于选择性集成不同的功能材料，可被广泛应用于光通讯和光传感领域。
目前大多数基于谐振耦合原理的光纤偏振滤波器集成了新的材料在微结构光纤中，其不能在温度变化环境中稳定工作、制造过程复杂且不利于二次集成。本发明的创新点在于在纯石英微结构光纤中引入五种孔径不同、形状一致的圆形空气孔并引入了包层缺陷结构，利用谐振耦合原理，实现了在研究波长范围内单一偏振模式的微结构光纤偏振滤波器。该偏振滤波器光纤具有温度不灵敏，制造过程简单、利于二次集成等特性。在光通讯和光传感领域中具有重大应用意义。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例为本发明所述的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示意图，图中空气孔呈正六边形排列；
图2a为具体事例中偏振滤波器的纤芯X偏振方向的色散曲线，图2b为模式有效折射率差随波长变化关系图，图2c为模场随波长变化关系图；
图3a为具体事例中偏振滤波器的纤芯Y偏振方向的色散率曲线，图3b为模式有效折射率差随波长变化曲线，图3c为模场随波长变化关系图；
图4为具体事例中偏振滤波器在第三空气孔参数变化时最强谐振点SRP的变化曲线。图4a为SRP随第三空气孔孔径变化的曲线，图4b为SRP随第三空气孔横坐标X变化的曲线，图4c为SRP随第三空气孔纵坐标Y变化的曲线，
图5为具体事例中偏振滤波器在第四空气孔参数变化时最强谐振点SRP的变化曲线。图5a为SRP随第四空气孔孔径变化的曲线，图5b为SRP随第四空气孔横坐标X变化的曲线，图5c为SRP随第四空气孔纵坐标Y变化的曲线，
图6为具体事例中偏振滤波器在第五空气孔参数变化时最强谐振点(strongestresonant point，SRP)的变化曲线。图6a为SRP随第五空气孔孔径变化的曲线，图6b为SRP随第五空气孔横坐标X变化的曲线，图6c为SRP随第五空气孔纵坐标Y变化的曲线，
图7为具体事例中偏振滤波器在温度变化时SRP的变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
种基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器，所述光纤偏振滤波器为一段微结构光纤，如图1所示，包括纤芯1、包层。背景材料3为纯石英，中央缺失一个空气孔以形成纤芯1，第二圈缺失一个空气孔以形成包层硅实芯2。本发明所述的微结构光纤纤芯周围有五圈呈正六边形排列的第一空气孔4，在纤芯两侧有两个沿X轴向的第二空气孔5，在第三圈、第二圈、第一圈分别有四个关于轴线对称的第三空气孔6、第四空气孔7和第五空气孔8。所述包层空气孔均为圆孔，且包层折射率低于纤芯折射率。
此基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器，包括纤芯1和包层，所述包层区域空气孔为孔径不同的圆形空气孔，第一4、第二5、第三6、第四7、第五空气孔8的直径分别为d1、d2、d3、d4、d5；包层由在背景材料3中周期排列的空气孔及周边的背景材料构成；包层中第一空气孔4的间距为Λ，第一4、第二5、第三6、第四7、第五空气孔8的坐标分别为(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3Y3)、(X4,Y4)、(X5,Y5)。
此光纤偏振器的模式有效折射率随波长的增大而减小。所述包层中第一空气孔的间距为Λ＝4.9μm，各空气孔直径分别为d1＝2.1μm、d2＝5.6μm、d3＝4.0μm、d4＝3.6μm、d5＝3.0μm，坐标值为(X2＝4.9μm,Y2＝0μm)、(X3＝2.45μm,Y3＝12.73μm)、(X4＝2.28μm,Y4＝8.487μm)、(X5＝2.0μm,Y5＝4.6μm)。在温度T＝25℃时，光纤色散曲线，模式有效折射率差随波长变化关系图及模场随波长变化关系图如图2、图3所示。在研究波长范围内，只有X偏振方向的纤芯模式能量能耦合到包层模，而Y偏振方向的纤芯模式能量则不能。
在本实施例中，第三空气孔6的直径分别取3.996μm，3.998μm，4.0μm，4.002μm，4.004μm，在该参数下得到的最强谐振点SRP和有效折射率差曲线如图4a所示。第三空气孔6的直径和Y值分别为d3＝4.0μm、Y3＝12.73μm，其X值分别取2.448μm，2.449μm，2.45μm，2.451μm，2.452μm，在该参数下得到的最强谐振点SRP和有效折射率差曲线如图4b所示。第三空气孔6的直径和X值分别为d3＝4.0μm、X3＝2.45μm，其Y值分别取12.72856μm，12.72956μm，12.73056μm，12.73156μm，12.73256μm，在该参数下得到的最强谐振点SRP和有效折射率差曲线如图4c所示。由图4可以看出，最强谐振点随第三空气孔6直径增加而红移，而随着X3和Y3的值增加而蓝移；孔径和Y3的值对SRP的影响较大，而X3对SRP的影响较小。
在本实施例中，第四空气孔7的直径分别取3.596μm，3.598μm，3.6μm，3.602μm，3.604μm，在该参数下得到的最强谐振点SRP和有效折射率差曲线如图5a所示。第四空气孔7的直径和Y值分别为d4＝3.6μm、Y4＝8.487μm，其X值分别取4.278μm，4.279μm，4.28μm，4.281μm，4.282μm，在该参数下得到的最强谐振点SRP和有效折射率差曲线如图5b所示。第四空气孔7的直径和X值分别为d4＝3.6μm、X4＝2.28μm，其Y值分别取8.48504μm，8.48604μm，8.48704μm，8.48804μm，8.48904μm，在该参数下得到的最强谐振点SRP和有效折射率差曲线如图5c所示。由图5可以看出，最强谐振点随第四空气孔7直径增加而红移，而随着X4的值增加而蓝移；Y4的值对SRP几乎没有影响。
在本实施例中，第五空气孔8的直径分别取2.996μm，2.998μm，3.0μm，3.002μm，3.004μm，在该参数下得到的最强谐振点SRP和有效折射率差曲线如图6a所示。第五空气孔8的直径和Y值分别为d5＝3.0μm、Y5＝4.6μm，其X值分别取1.998μm，1.999μm，2.0μm，2.001μm，2.002μm，在该参数下得到的最强谐振点SRP和有效折射率差曲线如图6b所示。第五空气孔8的直径和X值分别为d5＝3.0μm、X5＝2.0μm，其Y值分别取4.599μm，4.5995μm，4.6μm，4.6005μm，4.601μm，在该参数下得到的最强谐振点SRP和有效折射率差曲线如图6c所示。由图6可以看出，最强谐振点随第五空气孔8Y5的值增加而红移，而孔径和X5的值对SRP几乎没有影响。
在本实施例中，所述包层中第一空气孔4的间距为Λ＝4.9μm，各空气孔直径分别为d1＝2.1μm、d2＝5.6μm、d3＝4.0μm、d4＝3.6μm、d5＝3.0μm，坐标值为(X2＝4.9μm,Y2＝0μm)、(X3＝2.45μm,Y3＝12.73μm)、(X4＝2.28μm,Y4＝8.487μm)、(X5＝2.0μm,Y5＝4.6μm)。温度分别设为15℃，25℃，35℃，45℃，55℃，在该参数下得到的最强谐振点SRP曲线如图7所示。由图7可以看出，最强谐振点几乎不受温度影响，在五个温度下均为986nm。
终上所述，本光纤偏振滤波器具有单模单偏振传输特性，灵活的滤波特性及温度稳定性。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器，其特征在于，包括纤芯(1)及包层，且包层中设有硅实芯(2)。所述纤芯(1)设置于微结构光纤中心位置，为一实芯。所述包层由背景材料(3)上设有的周期性排列的五圈空气孔及周边的背景材料(3)构成，所述包层中的硅实芯(2)用于实现纤芯模式能量向包层模式转移，所述包层的背景材料(3)上设有五种孔径不同的圆形空气孔，分别为：正六边形排列的第一空气孔(4)、两个位于纤芯两侧的沿X轴向的第二空气孔(5)及关于轴线对称的第三空气孔(6)、第四空气孔(7)、第五空气孔(8)；所述第三空气孔(6)一共有4个，分别设置在包层的第三圈靠近Y轴线处，所述第四空气孔(7)也有4个，设置于第三空气孔(6)内侧更靠近纤芯处，所述第五空气孔(8)也有4个，设置于第四空气孔(7)内侧更靠近纤芯处，其中第三空气孔(4)-第五空气孔(8)的设置主要是用于改变微结构光纤的不对称性，从而引入包层缺陷结构，实现微结构光纤的偏振滤波特性。
2.根据权利要求1所述的基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器，其特征在于，所述包层的第一空气孔(4)-第五空气孔(8)均为圆孔，且包层的折射率低于纤芯(1)的折射率。
3.根据权利要求1所述的基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器，其特征在于，所述背景材料(3)采用SiO2或其他具有温度不灵敏特性的聚合物材料，可实现温度不灵敏特性。
4.根据权利要求1所述的基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器，其特征在于，所述包层区域的第三空气孔(6)、第四空气孔(7)、第五空气孔(8)的直径大小互不相同，通过改变这三种空气孔的大小或孔间距可实现灵活的温度不敏感偏振滤波器。
5.根据权利要求1所述的基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器，其特征在于，所述纤芯(1)周围有五圈呈正六边形排列的第一空气孔(4)。
6.根据权利要求1-5之一所述的基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器，其特征在于，所述包层中第一空气孔(4)的间距为Λ＝4.9μm，直径为d1＝2.1μm。
7.根据权利要求1所述的基于圆孔混合型微结构光纤的温度不敏感偏振滤波器，其特征在于，所述包层中在第一象限的第二空气孔(5)、第三空气孔(6)、第四空气孔(7)、第五空气孔(8)的直径dn、坐标(Xn,Yn)分别为d2＝5.6μm、(X2＝4.9μm,Y2＝0μm)，d3＝4.0μm、(X3＝2.45μm,Y3＝12.73μm)，d4＝3.6μm、(X4＝2.28μm,Y4＝8.487μm)，d5＝3.0μm、(X5＝2.0μm,Y5＝4.6μm)，在温度T＝25℃，最强谐振点出现波长λ＝986nm处。
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