CN112241042A - 一种低串扰的相交聚合物微纳光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种低串扰的相交聚合物微纳光纤，其包括相交聚合物微纳光纤、相交角度、分离距离、纤芯、包层、直径，其特征在于所述两根聚合物微纳光纤在三维空间中以一定分离距离和角度相交，所述两根聚合物微纳光纤纤芯材料不相同，存在折射率差，包层材料相同，所述两根聚合物微纳光纤的直径不相同，存在直径差。在三维空间中，相交的聚合物微纳光纤由于倏逝波耦合产生串扰，通过改变相交聚合物微纳光纤间的折射率差和直径差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

一种低串扰的相交聚合物微纳光纤
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相交聚合物微纳光纤。
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。作为性能优良的聚合物材料，聚合物材料具有较高的机械强度及优良的柔韧性和弹性，其弹性恢复率非常好，同时具有极好的透光性能。由于聚合物材料的折射率普遍较大，可以提供良好的光学限制。聚合物材料还具有耐热性较好，模塑温度和熔体温度低等加工优势且加工成本低。因此，聚合物材料是一种十分有前景的微纳光纤材料，同时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。目前尚未研究如何通过改变两根PMNF的折射率差及直径差来降低相交PMNF之间的串扰，因此有必要提出一种低串扰的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相交聚合物微纳光纤，其包括相交聚合物微纳光纤、相交角度、分离距离、纤芯、包层、直径，其特征在于所述两根聚合物微纳光纤在三维空间中以一定分离距离和角度相交，所述两根聚合物微纳光纤纤芯材料不相同，存在折射率差，包层材料相同，所述两根聚合物微纳光纤的直径不相同，存在直径差。
按上述方案，所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的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 RE-354360DEST_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，所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤中输入功率的第一根聚合物微纳光纤的直径及折射率均要比输出功率的第二根聚合物微纳光纤的直径及折射率要大。
按上述方案，所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤间的相交角度为54°～90°。
按上述方案，所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤间的分离距离为0nm。
按上述方案，所述的低串扰的双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤的直径为400nm～900nm。
按上述方案，所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤的折射率差为0～0.15。
按上述方案，所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的串扰随着折射率差的增加而减小，当直径差为0nm，在54°～90°范围内任意角度，折射率差为0.05时串扰均低于0.24%，折射率差为0.15时串扰均低于0.16%。
按上述方案，所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤的直径差为0nm～200nm。
按上述方案，所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的串扰随着直径差的增加而减小，当折射率差为0，在54°～90°范围内任意角度直径差为100nm时串扰均低于0.9%，直径差为200nm时串扰均低于0.42%。
本发明的有益效果在于：在三维空间中，相交的聚合物微纳光纤由于倏逝波耦合产生串扰，通过改变相交聚合物微纳光纤间的折射率差和直径差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，分离距离为0nm，相交角度为θ，第一根输入光纤PMNF1的直径为D1，第二根输出光纤PMNF2的直径为D2。
图2是本发明的低串扰的相交聚合物微纳光纤，当直径差为0nm，在54°～90°范围内任意角度下，折射率差与串扰的对应关系图，其中“实心三角形”连线表示折射率差0.05与串扰的对应关系；“实心圆点”连线表示折射率差0.1与串扰的对应关系；“实心方块”连线表示折射率差0.15与串扰的对应关系。
图3是本发明的低串扰的相交聚合物微纳光纤，当折射率差为0，在54°～90°范围内任意角度下，直径差与串扰的对应关系图，其中“实心三角形”连线表示直径差100nm与串扰的对应关系；“实心圆点”连线表示直径差150nm与串扰的对应关系；“实心方块”连线表示直径差200nm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相交聚合物微纳光纤，如图1所示，在三维空间中，两根结构参数不同且被空气包裹的聚合物微纳光纤进行相交，其中输入光纤PMNF1，输出光纤PMNF2，分离距离为0nm，相交角度为θ，第一根输入光纤PMNF1的直径为D1，第二根输出光纤PMNF2的直径为D2。该模型结构的俯视图和正视图如图1(a)和(b)所示。本发明实例选取的两根相交聚合物微纳光纤中输入功率的第一根聚合物微纳光纤PMNF1的直径及折射率均要比输出功率的第二根聚合物微纳光纤PMNF2的直径及折射率要大，聚合物微纳光纤间相交角度θ为54°～90°，聚合物微纳光纤间分离距离0nm，聚合物微纳光纤的直径D为400nm～900nm，聚合物微纳光纤PMNF的折射率差为0～0.15，聚合物微纳光纤的直径差为0nm～200nm。
按照低串扰的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。
如图2是本发明的低串扰的相交聚合物微纳光纤，当直径差为0nm，在54°～90°范围内任意角度下，折射率差与串扰的对应关系图，其中“实心三角形”连线表示折射率差0.05与串扰的对应关系；“实心圆点”连线表示折射率差0.1与串扰的对应关系；“实心方块”连线表示折射率差0.15与串扰的对应关系。本发明实例中聚合物微纳光纤的纤芯材料选取为聚对苯二甲酸丙二酯PTT、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA和聚苯乙烯PS，以空气为包层。在工作波长为633nm时，聚对苯二甲酸丙二酯PTT的折射率为1.63，聚苯乙烯PS的折射率为1.58，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的折射率为1.48，空气的折射率为1.0。选取的聚合物微纳光纤PMNF1的纤芯材料折射率要大于聚合物微纳光纤PMNF2的纤芯折射率。由图可以看出两根聚合物微纳光纤间的串扰随着折射率差的增加而减小，当直径差为0nm，在54°～90°范围内任意角度，折射率差为0.05时串扰均低于0.24%，折射率差为0.15时串扰均低于0.16%。
图3是本发明的低串扰的相交聚合物微纳光纤，当折射率差为0，在54°～90°范围内任意角度下，直径差与串扰的对应关系图，其中“实心三角形”连线表示直径差100nm与串扰的对应关系；“实心圆点”连线表示直径差150nm与串扰的对应关系；“实心方块”连线表示直径差200nm与串扰的对应关系。本发明实例中聚合物微纳光纤的直径D1选取为700nm，直径D2选取分别为600nm、550nm、500nm。由图可以看出两根聚合物微纳光纤间的串扰随着直径差的增加而减小，当折射率差为0，在54°～90°范围内任意角度直径差为100nm时串扰均低于0.9%，直径差为200nm时串扰均低于0.42%。
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 (10)

1.本发明提出一种低串扰的相交聚合物微纳光纤，其包括相交聚合物微纳光纤、相交角度、分离距离、纤芯、包层、直径，其特征在于所述两根聚合物微纳光纤在三维空间中以一定分离距离和角度相交，所述两根聚合物微纳光纤纤芯材料不相同，存在折射率差，包层材料相同，所述两根聚合物微纳光纤的直径不相同，存在直径差。
2.根据权利要求1所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的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 RE-770637DEST_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或2所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤中输入功率的第一根聚合物微纳光纤的直径及折射率均要比输出功率的第二根聚合物微纳光纤的直径及折射率要大。
4.根据权利要求1所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤间的相交角度为54°～90°。
5.根据权利要求1所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤间的分离距离为0nm。
6.根据权利要求1所述的低串扰的双相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤的直径为400nm～900nm。
7.根据权利要求1所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤的折射率差为0～0.15。
8.根据权利要求1或7所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的串扰随着折射率差的增加而减小，当直径差为0nm，在54°～90°范围内任意角度，折射率差为0.05时串扰均低于0.24%，折射率差为0.15时串扰均低于0.16%。
9.根据权利要求1所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的两根相交聚合物微纳光纤的直径差为0nm～200nm。
10.根据权利要求1或9所述的低串扰的相交聚合物微纳光纤，其特征在于所述的串扰随着直径差的增加而减小，当折射率差为0，在54°～90°范围内任意角度直径差为100nm时串扰均低于0.9%，直径差为200nm时串扰均低于0.42%。
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