CN110579838A - 一种可调谐太赫兹光纤偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种可调谐太赫兹光纤偏振分束器。包括两个介质条、一个介质包层管、两个椭圆纤芯和一个空气包层，两个介质条对称固定于介质包层内壁，两个椭圆纤芯通过两个介质条悬挂于介质包层管中央处，空气包层充满介质包层管，介质条和介质包层管的介质材料是TOPAS聚合物，在所述聚合物光纤径向上施加压力使其发生径向形变，通过调节压力来改变聚合物光纤的径向形变量，控制两个椭圆纤芯间距。本发明将太赫兹偏振分束器集成在一根光纤内，具有实时可调谐功能。可实现超短光纤长度、宽工作带宽、低传输损耗，解决传统偏振分束器大体积、窄带宽、单一工作频率等不足。

Description

一种可调谐太赫兹光纤偏振分束器
技术领域
本发明涉及的是一种太赫兹器件，具体地说是一种太赫兹光纤偏振分束器。
背景技术
太赫兹波(THz)是指频率处于0.1到10THz(波长0.03到3mm)之间的一段的电磁波，其波段位于微波和远红外波段之间。由于太赫兹波覆盖了包括凝聚态物质和生物大分子在内的各种转动和振动频率以及大量星际尘埃的特征谱线，非常适合于鉴别物质的结构和种类。同时太赫兹波的光子能量较低，比X射线低几个数量级，不会引起生物组织的光离化，可应用于生物活体检测。此外，太赫兹能够穿透非金属和非极性物质(如布料、陶瓷、纸张、塑料等材料)，利用这一特点还可以对物品的进行非接触和非破坏性的质量和安全检查。太赫兹技术的深入发展对太赫兹系统提出了集成化和小型化的新要求，同时研发可操控太赫兹波的功能器件也是太赫兹应用的基本要求，特别是随着太赫兹通信的发展，对可实现信息处理的各种太赫兹功能器件有更为迫切的需求。由于大多数材料对太赫兹波的高吸收损耗，太赫兹功能器件的设计需要考虑两点：传输损耗和工作带宽。聚合物在太赫兹波段的低吸收损耗及其微结构光纤的灵活设计，微结构聚合物光纤是太赫兹低传输损耗功能器件的必然选择。偏振分束器是太赫兹系统中一个必不可少的部件，主要功能是实现两个正交偏振态分离。
文献“Yuanfeng Zhu,Mingyang Chen,Hua Wang,Hongbing Yao,Yongkang Zhang,Jichang Yang,Design and Analysis of a low-loss suspended core terahertz Fiberand its application to polarization splitter,IEEE Photonics Journal,vol.5,no.6,7101410,Dec.2013”中提出一种低损耗悬芯太赫兹光纤及应用于偏振分束器，它包括6个矩形介质条和外部大直径的空心聚合物管，矩形介质条的正交区域为纤芯，其它区域为包层。该偏振分束器在1THz中心频率下的分离长度是3.36cm，传输损耗是0.89dB,低于-20dB的带宽为0.032THz。然而当该光纤偏振分束器施加压力时，纤芯距离变化微弱，不适合通过施加压力制成可调谐偏振分束器。文献“Hongzhi Chen,Guofeng Yan,Erik Fersberg,and Sailing He,Terahertz polarization splitter based on a dual-elliptical-core polymer fiber,Applied Optics,vol.55,no.23,pp.6236-6242,Aug.10 2016”中提出了基于双椭圆纤芯聚合物光纤的太赫兹偏振分束器，它包括两个相同椭圆纤芯、两个平行的薄壁、外部大直径的空心聚合物管。该偏振分束器在0.6THz中心频率下的分离长度是1.43cm，传输损耗是0.4dB,消光比分别是-18dB和-19dB,带宽为0.02THz。
上述两种偏振分束器工作带宽窄、分离长度长，传输损耗高，且均不具备实施可调谐功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤内集成、宽带宽、低损耗的可调谐太赫兹光纤偏振分束器。
本发明的目的是这样实现的：包括两个介质条、一个介质包层管、两个椭圆纤芯和一个空气包层，两个介质条对称固定于介质包层内壁，两个椭圆纤芯通过两个介质条悬挂于介质包层管中央处，空气包层充满介质包层管，介质条和介质包层管的介质材料是TOPAS聚合物，在所述聚合物光纤径向上施加压力使其发生径向形变，通过调节压力来改变聚合物光纤的径向形变量，控制两个椭圆纤芯间距。
本发明还可以包括：
1.每个椭圆纤芯述纤芯中均引入两个椭圆空气孔。
2.两个介质条为弯曲形状、且互不平行。
3.两个椭圆纤芯间距保持弱耦合距离。
4.所述压力为一对大小相等、方向相反的压力。
本发明提供了一种可调谐太赫兹光纤偏振分束器，通过引入椭圆空气孔和径向压力调谐，实现一种纤内集成、宽带宽、低损耗的可调谐太赫兹光纤偏振分束器。本发明所达到的有益效果为：
本发明将太赫兹偏振分束器集成在一根光纤内，具有实时可调谐功能。可实现超短光纤长度、宽工作带宽、低传输损耗，解决传统偏振分束器大体积、窄带宽、单一工作频率等不足。
附图说明
图1(a)-图1(b)：本发明的可调谐太赫兹光纤偏振分束器的横截面图；
图2：图1所示偏振分束器纤芯A中的归一化传输功率与传输距离的关系图；
图3：图1所示偏振分束器长度为0.865cm时的消光比随频率的变化曲线图；
图4：图1所示偏振分束器长度为0.865cm时的工作频率随纤芯间距的变化曲线图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
结合图1(a)-图1(b)，本发明的可调谐太赫兹光纤偏振分束器包括两个介质条1、一个介质包层管2、两个椭圆纤芯3和一个空气包层4。光纤介质材料是TOPAS聚合物。在该聚合物光纤径向上施加压力使其发生径向形变，通过调节压力来改变聚合物光纤的径向形变量，进而控制两个纤芯的间距，可调谐工作频率范围扩展到0.9-1THz。
两个介质条的位置对称固定于介质包层内壁，且为弯曲形状、互不平行，其弯曲作用是聚合物光纤受到压力调谐时以增大纤芯间距位移量。
纤芯中引入两个椭圆空气孔5以提高纤芯双折射、降低传输损耗，并通过两个介质条悬挂于介质包层管中央处，两个纤芯间距保持弱耦合距离。
纤芯长半轴为140μm，短半轴为70μm，两个纤芯间距为100μm。
椭圆空气孔长半轴为54μm，短半轴为14.5μm。
介质条的长为3.4mm，宽为20μm。
介质包层的空心内半径为2mm，壁厚为300μm。
光纤介质材料是TOPAS聚合物，有效折射率为1.5258。
压力为一对大小相等、方向相反的力，但不局限与此，任何使聚合物光纤发生径向形变，改变纤芯间距的方式都可以，如改变内部各部分压强。压力的大小为F。
本发明的可调谐太赫兹光纤偏振分束器，通过在每个纤芯引入两个椭圆形空气孔增强结构非对称性，有利于提高双折射和降低吸收损耗，同时可以增大基模x偏振态和y偏振态的耦合长度差，减小正交偏振光的分离长度。
当施加的压力为零时，如图1(a)所示，有两个结构相同且位置对称的高双折射纤芯，平行和垂直的偏振态都能在两个纤芯之间完全耦合，但它们的耦合长度是不同的。因此，通过选择一个合适的传输长度，就可以很容易地实现两个正交偏振态的分离。采用光束传播法计算可得到本发明在1THz的x偏振方向与y偏振方向的耦合长度Lx和Ly分别为0.294cm、0.420cm。从图2可知，可制备传输长度L＝0.865cm的偏振分束器。f＝1THz，y偏振光全部从纤芯A中输出，x偏振光则耦合到纤芯B中输出，两条光线实现完全分离。该偏振分束器的x偏振方向与y偏振方向的传输损耗分别为0.08dB和0.13dB，消光比分别为-20.8dB和-20.2dB，消光比小于-10dB的带宽可达0.03THz。
实施例1：
当施加的压力不为零时，该聚合物光纤发生径向形变。因为如图1(a)所示两个介质条向外侧弯曲，所以纤芯间距随着压力增大而增大。如图3所示上述0.865cm长的偏振分束器的工作频率随纤芯间距变化呈线性变化并且消光比一直小于-10dB，又如图4所示纤芯间距位移量随着压力增大而增大，因此上述0.865cm偏振分束器的工作频率随着压力变化而变化。将偏振分束器置于可控的压力场中，改变压力，即可获得一系列已知压力下测得的纤芯间距，应用数学分析，得到特定的压力与纤芯间距对应的函数关系，进而得到特定压力与该偏振分束器工作频率之间的函数关系，故可以通过调节压力的大小来改变上述0.865cm偏振分束器的工作频率，实现了偏振分束器的可调谐，可调谐工作频率范围扩展到0.9-1THz。
实施例2：
当施加的压力不为零时，该聚合物光纤发生径向形变。因为如图1(b)所示两个介质条向里侧弯曲，所以纤芯间距随着压力增大而减小。上述0.865cm长的偏振分束器的工作频率随纤芯间距变化呈线性变化并且消光比一直小于-10dB，因此上述0.865cm偏振分束器的工作频率随着压力变化而变化。将偏振分束器置于可控的压力场中，改变压力，即可获得一系列已知压力下测得的纤芯间距，应用数学分析，得到特定的压力与纤芯间距对应的函数关系，进而得到特定压力与该偏振分束器工作频率之间的函数关系，故可以通过调节压力的大小来改变上述0.865cm偏振分束器的工作频率实现了偏振分束器的可调谐。

Claims (9)

1.一种可调谐太赫兹光纤偏振分束器，包括两个介质条、一个介质包层管、两个椭圆纤芯和一个空气包层，其特征是：两个介质条对称固定于介质包层内壁，两个椭圆纤芯通过两个介质条悬挂于介质包层管中央处，空气包层充满介质包层管，介质条和介质包层管的介质材料是TOPAS聚合物，在所述聚合物光纤径向上施加压力使其发生径向形变，通过调节压力来改变聚合物光纤的径向形变量，控制两个椭圆纤芯间距。
2.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹光纤偏振分束器，其特征是：每个椭圆纤芯述纤芯中均引入两个椭圆空气孔。
3.根据权利要求1或2所述的可调谐太赫兹光纤偏振分束器，其特征是：两个介质条为弯曲形状、且互不平行。
4.根据权利要求1或2所述的可调谐太赫兹光纤偏振分束器，其特征是：两个椭圆纤芯间距保持弱耦合距离。
5.根据权利要求3所述的可调谐太赫兹光纤偏振分束器，其特征是：两个椭圆纤芯间距保持弱耦合距离。
6.根据权利要求1或2所述的可调谐太赫兹光纤偏振分束器，其特征是：所述压力为一对大小相等、方向相反的压力。
7.根据权利要求3所述的可调谐太赫兹光纤偏振分束器，其特征是：所述压力为一对大小相等、方向相反的压力。
8.根据权利要求4所述的可调谐太赫兹光纤偏振分束器，其特征是：所述压力为一对大小相等、方向相反的压力。
9.根据权利要求5所述的可调谐太赫兹光纤偏振分束器，其特征是：所述压力为一对大小相等、方向相反的压力。
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