CN111650687A - 一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器的光纤包括基底材料、六边形周期性排列的介质孔、中心内介质孔及外介质环和双芯区域，所述介质孔在基底材料上按4层正六边形结构周期性排列，在中心沿X轴方向上缺失第4、第6个介质孔形成双芯区域，在基底材料正中心处添加两个大小不一的介质孔，内部为介质孔，外部为介质环，形成中心内介质孔及外介质环，在光纤传感，光接收机和保偏传输系统等方面发挥重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤偏振分束器领域，尤其涉及一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器。
背景技术
偏振分束器作为光学系统中的重要器件在光纤通信及光纤传感方面具有重要应用，其主要功能是将一束光分解成两束相互正交的偏振光。基于传统双芯光纤的偏振分束器，由于传统光纤的双折射小，导致偏振分束器的长度过长，不利于器件的集成。另外，基于传统双芯光纤的偏振分束器的波长依赖性强和工作波段窄，限制了其应用范围。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)自1996年问世以来，因其具有无尽单模、高双折射、灵活非线性及可调色散等独特特性，受到研究者的广泛关注。在光子晶体光纤中，通过灵活调整基底材料，掺杂材料或空气孔的大小、位置等，可获得适用于不同光学器件的光纤。因此，近年来对光子晶体光纤的大力研究和实验，也为新型偏振分束器的设计提供了新的方向。
2003年，Zhang和Yang提出了基于双芯PCF的偏振分束器，该分束器能够保证分光比在10dB以上的前提下，在1550nm波段实现40nm的工作带宽，获得了比传统偏振分束器更优异的性能，也突显出光子晶体光纤在设计偏振分束器时的优势。2006年，Rosa等设计出了正方形晶格排列的光子晶体光纤偏振分束器，长度为20mm，带宽达到90nm。2012年，Lu等设计的偏振分束器长度为72.5mm，分光比低于-20dB的带宽已经高达400nm。2013年，Cao和Cui等人设计基于碲酸盐玻璃的双芯光子晶体光纤偏振分束器，长度仅为0.441mm。同年，Han等设计了纤芯掺氟的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其分束器长度为7.362mm，分光比低于-20dB的带宽为600nm。2017年，Bai和Wang提出的基于金线填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，长度为0.263mm，在波长1550nm处的分光比为-70dB，带宽为124nm。从上述研究工作可以看出，相比于改变光纤结构或空气孔结构的设计理念，纤芯区域引入金属丝或其他材料，能使偏振分束器具有更小的器件尺寸和更大的工作带宽。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其长度为4.78mm，工作带宽为696nm，波长范围为1027～1723nm，当工作波段为1550nm时，分光比高达-98.6dB，且容差性能好，其在光接收机和保偏传输系统中有着很大应用潜力。
本发明提供一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器的光纤包括基底材料、六边形周期性排列的介质孔、中心内介质孔及外介质环和双芯区域，所述介质孔在基底材料上按4层正六边形结构周期性排列，在中心沿X轴方向上缺失第4、第6个介质孔形成双芯区域，在基底材料正中心处添加两个大小不一的介质孔，内部为介质孔，外部为介质环，形成中心内介质孔及外介质环，且除去中心内介质孔及外介质环外的水平方向相邻介质孔间距相等，垂直方向相邻介质孔间距与水平方向相邻介质孔间距的比值为√3/2，中心内介质孔及外介质环中外圈直径与六边形周期性排列的介质孔的直径相等，内圈直径小于等于外圈直径，但不为0。
进一步改进在于：所述基底材料包括纯石英、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃和聚合物材料中的一种或多种组合。
进一步改进在于：所述双芯区域包括纯石英、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃和聚合物材料中的一种或多种组合。
进一步改进在于：所述介质孔和中心内介质孔及外介质环中的介质孔为空气孔或由其它高折射率材料填充，中心内介质孔及外介质环中的外介质环为石墨烯填充，单个介质孔的形状为圆形或椭圆形。
进一步改进在于：所述基底材料、介质孔、中心内介质孔及外介质环中的介质孔和双芯区域分布在光纤端面上的几何中心是重合的。采用有限元法并结合完美匹配层边界吸收条件理论计算光子晶体光纤中模式x、y偏振态偶模和奇模的有效折射率
和
从而计算本发明的耦合长度、耦合长度比、光纤长度和分光比。
x、y偏振态耦合长度Lc(单位为mm)为：
耦合长度比δ为：
光纤长度z(单位为mm)为：
光纤双芯输出功率
为：
光纤双芯分光比ER(单位为dB)为：
其中
和
分别表示x、y偏振态偶模和奇模的有效折射率，λ为波长(单位为mm)，m和n为奇偶性相反的整数，Pin为入射光射入纤芯的功率。
本发明的有益效果是：结构简单，具有器件尺寸小、分光比高和工作带宽大优点，并且通过容差性能分析，在实际制作过程中由外界因素改变的光纤结构参数对偏振分束器的性能影响较小。特别当基质材料和纤芯材料为纯石英，介质孔为圆形空气孔，介质环为石墨烯环时，研究表明：当介质孔直径为1μm，介质环厚度为45.5nm，相邻孔间距为2.2μm时，双芯光子晶体光纤偏振分束器在波长1550nm处获得耦合长度比2:1的最佳取值；同时，分束器尺寸为4.78mm，分光比达-98.6dB；在波长1000nm到2000nm的范围内，工作带宽为696nm，波长范围为1027～1723nm。上述表明，本发明所提供的双芯光子晶体光纤偏振分束器将在光纤传感，光接收机和保偏传输系统等方面发挥重要的作用。
附图说明
图1是本发明的双芯光子晶体光纤的横截面图及结构示意图。
图2是图1中心内介质孔及外介质环的放大图及结构示意图。
图3是本发明耦合长度Lc随波长的变化的t＝0及t＝45.5nm两种情况下，耦合长度随波长的变化曲线图。
图4是本发明耦合长度Lc随波长的变化的t变化(t＝43.5nm、44.5nm、45.5nm、46.5nm)时耦合长度随波长的变化曲线图。
图5是本发明耦合长度比δ随波长的变化的t＝0及t＝45.5nm两种情况下，耦合长度比随波长的变化曲线图。
图6是本发明耦合长度比δ随波长的变化的t变化(t＝43.5nm、44.5nm、45.5nm、46.5nm)时耦合长度比随波长的变化曲线图。
图7是本发明模式双折射和有效折射率差值随波长的变化关系中t＝0时，模式双折射随波长的变化曲线图。
图8是本发明模式双折射和有效折射率差值随波长的变化关系中t＝45.5nm时，模式双折射随波长的变化曲线图。
图9是本发明模式双折射和有效折射率差值随波长的变化关系中t＝0及t＝45.5nm两种情况下，有效折射率差值随波长的变化曲线图。
图10是当t＝45.5nm时，本发明的归一化功率随传输距离变化关系图。
图11是当t＝45.5nm时，本发明的双芯分光比ER随波长的变化关系图。
图12是当t＝45.5nm时，本发明的容差性分析图中耦合长度Lc出现±1％偏离时，双芯分光比随波长的变化曲线图。
图13是当t＝45.5nm时，本发明的容差性分析图中介质环厚度t出现±1％偏离时，双芯分光比随波长的变化曲线图。
其中：1-基底材料，2-介质孔，3-中心内介质孔及外介质环，4-双芯区域。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步的详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。如图1所示，d为介质孔直径，Λ为相邻孔间距，dc为中心内介质孔直径，t为外介质环厚度。本实施例提供了一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器的光纤包括基底材料1、六边形周期性排列的介质孔2、中心内介质孔及外介质环3和双芯区域4，所述介质孔2在基底材料1上按4层正六边形结构周期性排列，在中心沿X轴方向上缺失第4、第6个介质孔2形成双芯区域4，在基底材料1正中心处添加两个大小不一的介质孔2，内部为介质孔，外部为介质环，形成中心内介质孔及外介质环3，且除去中心内介质孔及外介质环3外的水平方向相邻介质孔间距相等，垂直方向相邻介质孔2间距与水平方向相邻介质孔2间距的比值为√3/2，中心内介质孔及外介质环3中外圈直径与六边形周期性排列的介质孔2的直径相等，内圈直径小于等于外圈直径，但不为0。
所述介质孔2中的介质孔为圆形空气孔，孔直径为d，中心内介质孔及外介质环3中的内介质孔为圆形空气孔，孔直径为dc，中心内介质孔及外介质环3中的外介质环为石墨烯环，环厚度为t，其中dc＝d-2t，相邻空气孔的孔间距为Λ，并且空气孔在X轴上的数目为7个。根据所述双芯光子晶体光纤偏振分束器的结构构成，有如下实施例：实施例：
所述偏振分束器的光纤的基底材料和双芯区域材料同为纯石英，且d＝1μm，Λ＝2.2μm，dc＝d-2t。
当基质材料和纤芯材料同为纯石英，介质孔为空气孔，介质环为石墨烯环，且d＝1μm，Λ＝2.2μm，dc＝d-2t时，如图3-6所示，看出本实施例耦合长度和耦合长度比随波长变化关系。由模式耦合理论可知，双芯光子晶体光纤中存在4个非简并模，即x偏振方向的奇模和偶模、y偏振方向的奇模和偶模。相同偏振态的奇、偶模之间沿着光纤的传播方向发生耦合，使偏振光能量从一个纤芯向另一个纤芯传递。当入射纤芯中某一偏振态的光能量为0时，对应的传播距离称为耦合长度，两个偏振方向上耦合长度的比值称为耦合长度比。耦合长度及耦合长度比决定了光在光纤中发生耦合的传输距离，即决定了偏振分束器的尺寸大小。t＝0表明光纤中心无石墨烯环结构；t＝45.5nm表明光纤中心有石墨烯环结构。图3、5所示为两种情况下耦合长度和耦合长度比随波长变化关系。由图3可知，光纤中心添加石墨烯环会使耦合长度增加。由图5可知，无石墨烯环结构的光纤，耦合长度比变化比较平缓且接近于1，不利于偏振分束器功能的实现；有石墨烯环结构的光纤，耦合长度比增大，易实现理想比值2:1，所以有石墨烯环结构可以得到更小的光纤长度，即偏振分束器尺寸更短，便于集成。由图4、6可知，当石墨烯环厚度t增加时，耦合长度与耦合长度比都会随之增大。
如图7-9所示，可以看出本实施例的双折射特性。双折射光子晶体光纤作为一种特种光纤，它的应用早已超出了光通信的范畴，在光纤激光器、光纤传感、集成光学信息处理等领域也发挥出重要的作用。t＝0表明光纤中心无石墨烯环结构；t＝45.5nm表明光纤中心有石墨烯环结构。图7、8所示为两种情况下双折射随波长变化关系。由图可知，有石墨烯环结构的光纤双折射数量级为10-4，相比于无石墨烯环结构的光纤提高了2个数量级。图9为x、y偏振方向的有效折射率差值随波长变化关系。由图可知，光纤有石墨烯环结构时，两偏振方向上的差值曲线相距变大，说明石墨烯环结构增大了x、y偏振方向奇、偶模式有效折射率的差异性。
如图10、11所示，可以看出本实施例的归一化功率和分光比。图10为在波长1550nm处，x偏振方向和y偏振方向上的纤芯的归一化功率随传输距离变化的曲线。由图可知，当光束从纤芯A中入射，纤芯A中x偏振方向和y偏振方向的能量分布随着传输距离的增加发生变化。对于每个确定的x、y偏振方向，能量将在纤芯A和纤芯B中进行周期性的转移。在光纤长度为4.78mm时，x偏振光在A芯中，y偏振光则完全耦合到B芯，实现了两个偏振态的完全分离。分光比的大小决定了偏振分束器的分光效果，分光比数值越大越有利于两个偏振态的分离，通常认定分光比小于-20dB或大于20dB可达到分光效果。图11为传输距离为4.78mm时，分光比随波长变化的曲线。由图可知，在波长1550nm时，纤芯A分光比为-98.6dB，纤芯B分光比为-68.8dB，分光比小于-20dB的波长范围分别为696nm和432nm。
如图12、13所示，可以看出本实施例的容差性能。考虑到光纤实际拉制过程中会受外界因素的影响，光纤结构参数都会有一定的偏差。图12显示了光纤耦合长度偏离最初耦合长度±1％时分光比随波长的变化。由图可知，光纤耦合长度改变原来的±1％对偏振分束器工作带宽影响特别小。图13显示了石墨烯环厚度t出现±1％偏离时分光比随波长的变化。由图可知，当t偏差+1％时，偏振分束器带宽变为686nm。当t偏差-1％时，分光比曲线上移幅度较大，但依然保持在-20dB上下，对偏振性能影响不大。基于以上容差性分析，本实施例所设计的偏振分束器在实际制作过程中，由外界因素改变的光纤结构参数对偏振分束器的性能影响较小。
上面所述仅是本发明的优选实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出任何等效的变换，均应落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器的光纤包括基底材料（1）、六边形周期性排列的介质孔（2）、中心内介质孔及外介质环（3）和双芯区域（4），其特征在于：所述介质孔（2）在基底材料（1）上按4层正六边形结构周期性排列，在中心沿X轴方向上缺失第4、第6个介质孔（2）形成双芯区域（4），在基底材料（1）正中心处添加两个大小不一的介质孔（2），内部为介质孔，外部为介质环，形成中心内介质孔及外介质环（3），且除去中心内介质孔及外介质环（3）外的水平方向相邻介质孔间距相等，垂直方向相邻介质孔（2）间距与水平方向相邻介质孔（2）间距的比值为√3/2，中心内介质孔及外介质环（3）中外圈直径与六边形周期性排列的介质孔（2）的直径相等，内圈直径小于等于外圈直径，但不为0。
2.如权利要求1所述的一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述基底材料（1）包括纯石英、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃和聚合物材料中的一种或多种组合。
3.如权利要求1所述的一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述双芯区域（4）包括纯石英、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃和聚合物材料中的一种或多种组合。
4.如权利要求1所述的一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述介质孔（2）和中心内介质孔及外介质环（3）中的介质孔为空气孔或由其它高折射率材料填充，中心内介质孔及外介质环（3）中的外介质环为石墨烯填充，单个介质孔的形状为圆形或椭圆形。
5.如权利要求1所述的一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述基底材料（1）、介质孔（2）、中心内介质孔及外介质环（3）中的介质孔和双芯区域（4）分布在光纤端面上的几何中心是重合的。
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2020
- 2020-06-12 CN CN202010540057.6A patent/CN111650687A/zh active Pending
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