CN112230330A - 一种低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤结构 - Google Patents

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郭文杰
李春泉
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Abstract

本发明提出一种低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤结构，其包括双相交聚合物微纳光纤、相交角度、分离距离、直径、纤芯、包层，其特征在于所述两根光纤在三维空间中相交，所述光纤间相交角度为52°～90°，所述光纤间分离距离为0nm～800nm，所述光纤的直径为300nm～900nm，所述纤芯为聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）,所述包层为空气。在三维空间中，由于双相交的聚合物微纳光纤由于倏逝波耦合产生串扰，通过改变双相交聚合物微纳光纤的相交角度和分离距离来降低倏逝波耦合的效率，从而极大地降低串扰，同时聚合物微纳光纤具有较高的机械强度及优良的柔韧性和弹性。本发明有利于构筑超紧凑结构复杂的光子学器件和小型化集成光路。在光通信，传感和非线性光学领域具有极好的潜力。

Description

一种低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤结构
技术领域
本发明涉及光通信，传感和非线性光学领域，特别涉及一种低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤结构。
背景技术
随着纳米技术的快速发展，对更高集成密度、更快速响应速度以及更低损耗的需求不断增加，从而使光子学器件和集成光路的小型化引起了越来越多的关注，其中光信号在聚合物微纳光纤(Polymer Micro-nano Fiber，PMNF)中的传输对于实现超紧凑的小型化光子学器件起到至关重要的作用。由于无机材料的微纳光纤的柔韧性和弹性较差，使器件的组装受到了很大限制。与传统的无机材料微纳光纤相比较，PMNF具有独特的机械性能，特别是柔韧性和弹性非常好，这对于组装结构复杂和超紧凑的光子器件是有利的[3，4]。作为一种性能优良的聚合物材料，聚对苯二甲酸丙二醇酯(Polytrimethylene terephthalate，PTT)具有较高的机械强度及优良的柔韧性和弹性，其弹性恢复率大于90%。从可见到近红外波段，非晶态PTT具有极好的透光性能，其透过率约为90%；PTT的折射率较大为1.638，可以提供良好的光学限制。PTT具有耐热性较好，模塑温度和熔体温度低等加工优势且加工成本低。因此，PTT是一种十分有前景的微纳光纤材料，PTT纤维也是构筑超紧凑光子学器件及小型化集成光路的最佳选择之一。
PMNF具有较大的倏逝场、强约束及低损耗的优点；尤其是具有良好的结构构筑能力。至今为止，PMNF已成功应用于非相干发光器件，全光调制器,光学传感器以及光电探测器等。由于PMNF的直径接近或小于工作波长，能够引导光纤外较强的倏逝场，当彼此靠近或者相交时，有助于近场光学。尽管这种近场光学有利于光学传感器和环形谐振器的高效耦合，然而在必须避免串扰的密集集成应用中，以及为了使用具有更高灵活性的PMNF并将其组装到高密度集成光子器件中，必须将串扰消除或最小化。此外，串扰对相交角度和分离距离的敏感性可以应用于对角度或位移敏感的光学传感器。目前尚未研究如何降低双相交PMNF之间的串扰，因此有必要提出一种低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提出一种低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤结构，其包括两根相交聚合物微纳光纤、相交角度、分离距离、直径、纤芯、包层，其特征在于所述两根聚合物微纳光纤在三维空间中相交，所述光纤间相交角度为52°～90°，所述光纤间分离距离为0nm～800nm，所述光纤的直径为300nm～900nm，所述纤芯为聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）,所述包层为空气。
按上述方案，所述的超紧凑双相交聚合物微纳光纤间由于倏逝波耦合产生的串扰满足如下线性关系式：
Figure 905234DEST_PATH_IMAGE001
其中Crosstalk表示由倏逝波耦合产生的串扰值，P1表示第一根聚合物微纳光纤的输入功率，P2表示第二根聚合物微纳光纤的输出功率。
按上述方案，所述两根聚合物微纳光纤在三维空间中相交，针对不同直径的光纤而言，串扰随着相交角度的增加而减小，当相交距离为0nm，所述相交角度大于70°，串扰均低于1%，特别是当相交角度为90°时，串扰均低于0.16%。
按上述方案，所述两根聚合物微纳光纤在三维空间中相交，针对不同直径的光纤而言，串扰随着分离距离的增加而减小，当相交角度较小为52°，所述光纤间分离距离为350nm～800nm时，串扰分别均低于1%和0.1%。
按上述方案，所述的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的聚合物微纳光纤在1550nm波长处聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）的折射率为1.63,空气的折射率为1。
按上述方案，所述的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的聚合物微纳光纤在1550nm波长处仅支持一个稳定的传输模式。
按上述方案，所述的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的聚合物微纳光纤的模式是HE11。
按上述方案，所述的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述为了满足单模传输条件，参数归一化频率(v)要满足如下公式：
Figure 787346DEST_PATH_IMAGE002
其中vc表示归一化截止频率，λ表示工作波长，D表示直径，n1表示PTT折射率，n2表示空气折射率。
本发明的有益效果在于：在三维空间中，由于双相交的超紧凑聚合物微纳光纤由于倏逝波耦合产生串扰，通过改变双相交聚合物微纳光纤的相交角度和分离距离来降低倏逝波耦合的效率，从而极大地降低串扰，同时聚合物微纳光纤具有较高的机械强度及优良的柔韧性和弹性。本发明有利于构筑超紧凑结构复杂的光子学器件和小型化集成光路。在光通信，传感和非线性光学领域具有极好的潜力。
附图说明：
图1(a)和(b)是本发明的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤的俯视图和正视图。其中输入光纤PMNF1，输出光纤PMNF2，光纤的纤芯的直径D，相交角度θ，第一根输入光纤PMNF1与第二根输出光纤PMNF2间的距离为L。
图2是本发明的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤的相交角度θ与串扰的对应关系图，其中“实心圆点”连线表示直径D为500nm时，相交角度θ与串扰的对应关系；“实心三角形”连线表示直径D为700nm时，相交角度θ与串扰的对应关系；“实心方块”连线表示直径D为900nm时，相交角度θ与串扰的对应关系。
图3是本发明的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤的分离距离L与串扰的对应关系图，其中“实心圆点”连线表示直径D为500nm时，分离距离L与串扰的对应关系，“实心三角形”连线表示直径D为700nm时，分离距离L与串扰的对应关系，“实心方块”连线表示直径D为900nm时，分离距离L与串扰的对应关系。
具体实施方式：
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本发明的内容更清楚透彻的理解。
参照图1至图3，本发明提出了一种低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，如图1所示，在三维空间中，两根完全相同并被空气包裹的聚合物微纳光纤PMNF进行相交，其中输入光纤PMNF1，输出光纤PMNF2，光纤的纤芯的直径D，相交角度θ，第一根输入光纤PMNF1与第二根输出光纤PMNF2间的距离为L。该模型结构的俯视图和正视图如图1(a)和(b)所示。本发明选取PTT作为纤芯材料，以空气为包层。在工作波长为1550nm时，PTT的材料折射率为1.638，空气的折射率为1.0。选取聚合物微纳光纤间相交角度θ为52°～90°，聚合物微纳光纤间分离距离L为0nm～800nm，选取聚合物微纳光纤的直径D为300nm～900nm。
按照低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤的上述方案，在其所规定的范围内对光纤的参数进行设计。基于时域有限差分方法，通过仿真验证本发明。
本发明中聚合物微纳光纤PMNF的直径D取典型值500nm、700nm和900nm时的仿真模拟结果如图2所示，其中“实心圆点”连线表示直径D为500nm时，相交角度θ与串扰的对应关系；“实心三角形”连线表示直径D为700nm时，相交角度θ与串扰的对应关系；“实心方块”连线表示直径D为900nm时，相交角度θ与串扰的对应关系。由图可以看出两根聚合物微纳光纤PMNF的相交角度θ在70°～90°范围内时，，串扰随着相交角度θ的增加而减小。当分离距离L为0nm，相交角度θ大于70°时，三条不同直径的PMNF相交时产生的串扰均低于1% (即优于-20dB)，特别是当相交角度θ为90°时，三条不同直径的PMNF相交时产生的串扰均低于0.16 %(即优于-28dB)。
如图3是本发明所提聚合物微纳光纤的分离距离对串扰的影响，其中“实心圆点”连线表示直径D为500nm时，分离距离L与串扰的对应关系，“实心三角形”连线表示直径D为700nm时，分离距离L与串扰的对应关系，“实心方块”连线表示直径D为900nm时，分离距离与串扰的对应关系。当相交角度θ为较小52°，分离距离L为350nm，直径D分别为500nm、700nm和900nm时，PMNF相交产生的串扰通过式子计算可得均低于1%(即优于-20dB)。特别是当分离距离L为800nm时，直径D分别为500nm、700nm和900nm的PMNF相交产生的串扰均低于0.1%(即优于-30dB)。
需要说明的是本发明有利于构筑超紧凑结构复杂的光子学器件和小型化集成光路。在光通信，传感和非线性光学领域具有极好的潜力。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.本发明提出一种低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤结构，其包括双相交聚合物微纳光纤、相交角度、分离距离、直径、纤芯、包层，其特征在于所述两根聚合物微纳光纤在三维空间中相交，所述聚合物微纳光纤间相交角度为52°～90°，所述聚合物微纳光纤间分离距离为0nm～800nm，所述聚合物微纳光纤的直径为300nm～900nm，所述纤芯为聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）,所述包层为空气。
2.根据权利要求1所述的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，所述的双相交聚合物微纳光纤间由于倏逝波耦合产生的串扰满足如下线性关系式：
Figure 834071DEST_PATH_IMAGE001
其中Crosstalk表示由倏逝波耦合产生的串扰值，P1表示第一根聚合物微纳光纤的输入功率，P2表示第二根聚合物微纳光纤的输出功率。
3.根据权利要求1所述两根聚合物微纳光纤在三维空间中相交，针对不同直径的光纤而言，串扰随着相交角度的增加而减小，当相交距离为0nm，所述相交角度大于70°，串扰均低于1%，特别是当相交角度为90°时，串扰均低于0.16%。
4.根据权利要求1所述两根聚合物微纳光纤在三维空间中相交，针对不同直径的光纤而言，串扰随着分离距离的增加而减小，当相交角度较小为52°，所述光纤间分离距离为350nm～800nm时，串扰分别均低于1%和0.1%。
5.根据权利要求1所述的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的聚合物微纳光纤在1550nm波长处聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）的折射率为1.63,空气的折射率为1。
6.根据权利要求1所述的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的聚合物微纳光纤在1550nm波长处仅支持一个稳定的传输模式。
7.根据权利要求6所述的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的聚合物微纳光纤的模式是HE11。
8.根据权利要求6和7所述的低串扰的超紧凑双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述为了满足单模传输条件，参数归一化频率(v)要满足如下公式：
Figure 95288DEST_PATH_IMAGE002
其中vc表示归一化截止频率，λ表示工作波长，D表示直径，n1表示PTT折射率，n2表示空气折射率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113296184A (zh) * 2021-06-22 2021-08-24 桂林电子科技大学 一种低串扰的基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤
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