CN111897047B - 基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器及制作方法 - Google Patents

基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器及制作方法，起偏器包括实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤；实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤之间设置有耦合区，在耦合区内实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤通过熔融拉锥方式形成连接；实芯光子晶体光纤的一端为非偏光输入端，保偏光子晶体光纤远离实芯光子晶体光纤的非偏光输入端的一端为偏振光输出端。本发明采用全光纤耦合原理，结构紧凑，不受外界干扰，可将光子晶体光纤光源的输出光直接转换成线偏振光，具有高效、低损耗的特点。

Description

基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器及制作方法
技术领域
本发明属于光子晶体光纤陀螺技术领域，具体涉及一种基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器及制作方法。
背景技术
作为新型惯性敏感元件，光纤陀螺(FOG)具有无机械活动部件、体积小、重量轻、灵敏度高以及动态范围宽等优点，因此被广泛用于航海、航空、航天等领域。传统光纤陀螺采用保偏光纤绕制敏感环圈，容易受到多物理场(温度、应力、磁场)的交叉影响从而降低陀螺性能，在深空应用时，保偏光纤经射线辐照会产生缺陷俘获射线中的高能粒子从而导致光纤材料的物理和化学性质发生变化并降低陀螺输出信号的信噪比、增大陀螺随机游走系数。光子晶体光纤陀螺的出现有望解决传统保偏光纤陀螺在性能提升与小型化发展道路上遇到的诸多问题。
光子晶体光纤(PCF)制备材料为纯二氧化硅，具有对温度、磁场、空间辐射等环境因素敏感度低的特性，相比普通保偏光纤具有更好的环境适应性，应用于光纤陀螺设计时能够显著提高环圈的稳定性。现阶段光子晶体光纤陀螺的研制主要是利用光子晶体光纤绕制敏感环圈，而陀螺内部其他光纤器件如ASE光源、耦合器、调制器等仍然采用传统光纤制作完成，因此光子晶体光纤陀螺的综合性能并未达到其理论预期，相关光学器件与光子晶体光纤环圈的匹配还有待进一步优化。其中，传统光纤与光子晶体光纤的熔接和偏振对轴等成为限制光子晶体光纤陀螺性能提升的主要技术问题，解决上述问题的有效方案是实现陀螺内部光纤器件的全光子晶体光纤化。
作为光通信领域制作模分复用/解复用器件的一种重要技术手段，熔融拉锥通过对光纤尺寸进行调整实现不同光纤中高低阶模式的相位匹配耦合，从而有力地推动了模分复用系统的发展并解决单模光纤传输容量极限问题。此外，熔融拉锥技术还用于光纤耦合器、微纳光纤传感器制作，受到广泛重视，但基于熔融拉锥技术的全光纤偏振器件相对较少，光纤起偏器将入射的非偏振光和不完全偏振光转化成线偏振光，是保证光纤传感系统全光纤化、小型化的关键器件之一，尤其针对光子晶体光纤陀螺的应用需求，研制将光子晶体光纤光源的输出光直接转换成线偏振光的全光纤起偏器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种高效率、低损耗的基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器及制作方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案为：
一种基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器，其特征在于：包括实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤；实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤之间设置有耦合区，在耦合区内实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤通过熔融拉锥方式形成连接；实芯光子晶体光纤的一端为非偏光输入端，保偏光子晶体光纤远离实芯光子晶体光纤的非偏光输入端的一端为偏振光输出端。
进一步的：实芯光子晶体光纤以石英玻璃为基底材料，包层空气孔形状是圆形，按六角形网格排列，中间纤芯位于六角形网格的结点上，同时位于所述光纤的几何中心区域。
进一步的：保偏光子晶体光纤有五层六角形排列的空气孔，在纤芯附近存在两个大空气孔。
一种基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器的制作方法，包括如下步骤：
S1首先将实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤的设定拉锥段剥去涂覆层，然后利用火焰熔融拉锥系统对实芯光子晶体光纤剥去涂覆层的部分进行预拉锥，调整纤芯基模LP01的色散曲线；
S2将实芯光子晶体光纤的预拉锥部分与保偏光子晶体光纤剥去涂覆层的部分缠绕在一起，通过熔融拉锥将实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤连接在一起，使实芯光纤纤芯基模的色散曲线只与保偏光纤纤芯某一偏振模的色散曲线发生避免相交效应，实现偏振模的选择性耦合；
S3从实芯光子晶体光纤一端输入非偏光，保偏光纤一端将输出偏振光，通过调整保偏光纤的直径来改变输出光的偏振方向，满足光纤陀螺对偏振光的输出方向要求。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明起偏器采用全光纤耦合原理，结构紧凑，不受外界干扰，可将光子晶体光纤光源的输出光直接转换成线偏振光，具有高效、低损耗的特点。
2、本发明所述的起偏器为全光纤结构，通过改变光纤直径控制光纤的色散曲线分布，无需引入其他功能材料，因此工艺简单、性能稳定。
3、本发明全光纤起偏器将实芯光子晶体光纤中的基模LP01向保偏光纤中的线偏振模进行转换，通过控制保偏光纤直径可以实现对偏振光方向的选择。
附图说明
图1是本发明的光子晶体光纤截面示意图；1a、实芯光子晶体光纤；1b、保偏光子晶体光纤；
图2是本发明全光子晶体光纤起偏器的结构和功能示意图；
图3是本发明实芯光子晶体光纤中的纤芯LP01模式与保偏光子晶体光纤中纤芯x偏振模、y偏振模在1550nm波长下的有效折射率随光纤直径的变化曲线；
图4是本发明利用熔融拉锥技术将实芯光子晶体光纤直径拉至57.5μm，同时保偏光子晶体光纤直径为79.5μm时，各模式的色散曲线变化。
具体实施方式
下面结合图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明提出一种基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器：包括实芯光子晶体光纤1(SCPCF)和保偏光子晶体光纤2(PMPCF)，实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤的设定拉锥段均已剥去涂覆层，其中实芯光子晶体光纤以石英玻璃为基底材料1.1，包层空气孔1.2形状是圆形，按六角形网格排列，中间纤芯位于六角形网格的结点上，同时位于所述光纤的几何中心区域。保偏光子晶体光纤以石英玻璃为基底材料2.1,一共有五层六角形排列的空气孔2.2，在纤芯附近存在两个大空气孔2.3，以此产生较大的纤芯双折射。
实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤通过熔融拉锥技术将实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤直径拉锥至一定尺寸时，在耦合区3将发生实芯光子晶体光纤中的基模向保偏光纤中特定偏振模式的转换，从而实现输入光的起偏。
保偏光纤不同的直径将导致实芯光子晶体光纤中的基模向保偏光纤中不同方向的偏振模耦合，使所述的光纤起偏器具有偏振方向选择功能。
一种基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器的制作方法，包括如下步骤：
S1.利用火焰拉锥系统对实芯光子晶体光纤进行预拉锥，调整纤芯模式的色散曲线；
S2.将实芯光子晶体光纤的预拉锥部分与保偏光子晶体光纤剥去涂覆层的部分缠绕在一起，通过熔融拉锥将实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤连接在一起，使实芯光纤纤芯基模的色散曲线只与保偏光纤纤芯某一偏振模的色散曲线发生避免相交效应，实现偏振模的选择性耦合；
S3.从实芯光子晶体光纤一端输入非偏光4，保偏光纤一端将输出偏振光5，通过调整保偏光纤的直径来改变输出光的偏振方向，满足光纤陀螺对偏振光的输出方向要求。
图1是本发明的光子晶体光纤截面示意图，根据纤芯模式的电场方向，将保偏光纤纤芯基模的分布标记为x偏振方向和y偏振方向。
实芯光子晶体光纤包层中空气孔尺寸一致，而保偏光子晶体光纤纤芯附近存在两个大空气孔以实现偏振保持功能。两种光纤空气孔以外的区域均为纯石英材质。
本实施例中只采用了一种实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤进行拉锥，如图1所示，但是本发明提出的起偏器研制方案不限于本实施例所采用的光子晶体光纤种类和数量。
图2为全光子晶体光纤起偏器的结构和功能示意图，其工作原理为当满足相位匹配条件时，实芯光子晶体光纤中的LP01模式将和保偏光子晶体光纤中的正交偏振模式发生能量交换，从而实现光场起偏。
根据耦合模理论，实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤中模式的相位匹配耦合条件为模式的传播常数相等，即△β＝β1-β2＝0，β1为实芯光子晶体光纤中LP01模式的传播常数，β2为保偏光子晶体光纤中某一方向线偏振模式的传播常数。由于β＝2πneff/λ，因此模式耦合条件可以改写为
Figure BDA0002547447050000041
即当实芯光子晶体光纤基模与保偏光子晶体光纤偏振模的有效折射率相等时，就可以实现本发明所述的偏振光输出。
由于光纤模式的有效折射率随光纤直径变化，因此要实现实芯光纤基模与保偏光纤偏振模的相位匹配，实芯光纤与保偏光纤的直径必须满足一定的比例关系。图3所示为实芯光子晶体光纤中的纤芯LP01模式与保偏光子晶体光纤中纤芯x偏振模、y偏振模在1550nm波长下的有效折射率随光纤直径的变化关系，在相同直径下保偏光子晶体光纤纤芯线偏振模式的有效折射率始终小于实芯光子晶体光纤中的纤芯LP01模式，这意味着在两种光纤的直径相同时无法满足模式的相位匹配条件，因此必须对实芯光子晶体光纤进行预拉锥处理。
本实施例图3中标识了当模式有效折射率为1.4205时，实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤的直径对比。其中实芯光子晶体光纤直径为57.5μm，当保偏光子晶体光纤直径为79.5μm时，实芯光纤中的基模将向保偏光纤纤芯y偏振模发生耦合，而当保偏光子晶体光纤直径为83.1μm时，实芯光纤中的基模将向保偏光纤纤芯x偏振模发生耦合。因此通过对实芯光子晶体光纤进行预拉锥，然后控制保偏光纤直径就可以实现输入光的起偏和偏振方向选择功能。
以实芯光纤基模向保偏光纤y偏振模的耦合实施为例，起偏器制作过程包括：先利用火焰拉锥系统将实芯光子晶体光纤直径拉至90.4μm，然后将实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤缠绕一起进行拉锥，并控制保偏光纤的直径缩小至原尺寸的0.636，此时实芯光子晶体光纤直径为57.5μm，而保偏光子晶体光纤直径为79.5μm，即可完成全光子晶体光纤起偏器制作。
图4是利用熔融拉锥技术将实芯光子晶体光纤直径拉至57.5μm，同时保偏光子晶体光纤直径为79.5μm时，各模式的色散曲线变化。当光从实芯光子晶体光纤输入时，实芯光子晶体光纤纤芯基模能量将向保偏光子晶体光纤y偏振模发生转移，工作范围超过400nm，并覆盖了光子晶体光纤陀螺光源输出带宽，能够满足陀螺应用需求。与此同时，实芯光纤基模与保偏光纤x偏振模不满足相位匹配条件，不能发生谐振耦合，因此可以实现非偏振光的起偏功能。
本发明提供的起偏器采用全光子晶体光纤结构，原理新颖，具有工艺简单，不受外界因素干扰，可连续稳定工作的优点，在光子晶体光纤陀螺研究领域具有重要应用价值。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器，其特征在于：包括实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤；实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤之间设置有耦合区，在耦合区内实芯光子晶体光纤和保偏光子晶体光纤通过熔融拉锥方式形成连接；实芯光子晶体光纤的一端为非偏光输入端，保偏光子晶体光纤远离实芯光子晶体光纤的非偏光输入端的一端为偏振光输出端；利用谐振耦合效应通过控制两种光纤的直径实现起偏器输出光偏转方向的选择；所述全光子晶体光纤起偏器的工作波长为1550nm；所述全光子晶体光纤起偏器的工作范围超过400nm。
2.根据权利要求1所述的基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器，其特征在于：实芯光子晶体光纤以石英玻璃为基底材料，包层空气孔形状是圆形，按六角形网格排列，中间纤芯位于六角形网格的结点上，同时位于所述光纤的几何中心区域。
3.根据权利要求1所述的基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器，其特征在于：保偏光子晶体光纤有五层六角形排列的空气孔，在纤芯附近存在两个大空气孔。
4.一种基于熔融拉锥的全光子晶体光纤起偏器的制作方法，包括如下步骤：
S1首先将实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤的设定拉锥段剥去涂覆层，然后利用火焰熔融拉锥系统对实芯光子晶体光纤剥去涂覆层的部分进行预拉锥，调整纤芯基模LP01的色散曲线；
S2将实芯光子晶体光纤的预拉锥部分与保偏光子晶体光纤剥去涂覆层的部分缠绕在一起，通过熔融拉锥将实芯光子晶体光纤与保偏光子晶体光纤连接在一起，使实芯光纤纤芯基模的色散曲线只与保偏光纤纤芯某一偏振模的色散曲线发生避免相交效应，实现偏振模的选择性耦合；
S3从实芯光子晶体光纤一端输入非偏光，保偏光纤一端将输出偏振光，通过调整保偏光纤的直径来改变输出光的偏振方向，满足光纤陀螺对偏振光的输出方向要求。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101216577A (zh) * 2007-12-28 2008-07-09 武汉光迅科技股份有限公司 光子晶体光纤的耦合方法及其耦合装置
CN101294807A (zh) * 2008-06-12 2008-10-29 浙江大学 全光子晶体光纤陀螺
WO2009022164A1 (en) * 2007-08-10 2009-02-19 Bae Systems Plc Improvements relating to photonic crystal waveguides
CN103499855A (zh) * 2013-10-15 2014-01-08 北京航空航天大学 一种光子晶体光纤耦合器及其制备方法
CN109946793A (zh) * 2019-05-09 2019-06-28 上海大学 一种波分复用器及一种受激发射损耗光束复用器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009022164A1 (en) * 2007-08-10 2009-02-19 Bae Systems Plc Improvements relating to photonic crystal waveguides
CN101216577A (zh) * 2007-12-28 2008-07-09 武汉光迅科技股份有限公司 光子晶体光纤的耦合方法及其耦合装置
CN101294807A (zh) * 2008-06-12 2008-10-29 浙江大学 全光子晶体光纤陀螺
CN103499855A (zh) * 2013-10-15 2014-01-08 北京航空航天大学 一种光子晶体光纤耦合器及其制备方法
CN109946793A (zh) * 2019-05-09 2019-06-28 上海大学 一种波分复用器及一种受激发射损耗光束复用器

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