CN113296183A - 一种基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，包括纤芯区和位于纤芯区外层的包层区；纤芯区包括第一空气孔、第一纤芯和第二纤芯；第一空气孔位于纤芯区正中心且完全填充向列项液晶；第一纤芯和第二纤芯分别位于第一空气孔两侧且与第一空气孔的距离相等；包层区包括多个第二空气孔、多个第三空气孔和多个第四空气孔；以纤芯区为中心，多个第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔环绕纤芯区呈多层排布结构且多层排布结构除最外层之外，其它每一层均为六边形结构。本发明克服了传统分束器长度长、消光比低、带宽窄的缺点，有望在未来超大容量、集成化的全光网络中得到应用。

Description

一种基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤分束器技术领域，特别涉及一种基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器。

背景技术

偏振分束器是光通信系统中一种重要的无源光器件，可将一束光分解成相互正交的两个偏振态光束，并沿着不同的方向进行传输。早期，基于传统光纤的偏振分束器由于其双折射系数较小，因而器件长度通常在厘米量级，且消光比较低，带宽较窄，逐渐满足不了现代通信向着大容量、集成化方向发展的需求。20世纪末，光子晶体光纤这一概念的提出及其首次拉制成功得到了学者们的广泛关注。光子晶体光纤灵活独特的结构让其具有很多优良的光学特性，例如，无截止的单模传输、高双折射、高非线性和色散可调等，为偏振分束器的设计提供了新思路。

目前光子晶体光纤偏振分束器的设计主要有两种。基于双芯光子晶体光纤的偏振分束器利用结构的不对称产生双折射，最终使两个偏振态光束进行分离。基于三芯光子晶体光纤的偏振分束器利用谐振现象，只让其中一个偏振态产生谐振，从而完全分开两个偏振模式。基于以上两种设计的偏振分束器也已有了很多相关工作的报道。

2003年，Zhang等人首先提出了基于双芯光子晶体光纤的偏振分束器，使器件长度达到了1.7mm，在1550nm波段处，消光比高于10dB的带宽达到了40nm。2010年，Mao等人提出了基于固态三芯光子晶体光纤的偏振分束器，在器件长度为7.7mm，消光比高于23dB的条件下，实现了24nm的带宽。2011年，Li等人设计了一种长度为4.72mm的基于双芯光子晶体光纤偏振分束器，并令消光比高于20dB的带宽达到了190nm。2013年，Han等人设计出了一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，该分束器长度为7.362mm，消光比高于20dB的带宽为600nm。2017年，Esam等人设计的软玻璃液晶光子晶体光纤偏振分束器实现了111.244μm的器件长度，并令消光比高于20dB的带宽达到了80nm。

从上述研究工作可见，偏振分束器的带宽越宽，器件长度一般就越长，很难同时实现小尺寸、高消光比、宽带宽三个目标。而且，很多工作都通过引入不规则椭圆空气孔来增加光纤的双折射性以得到相对较好的结果，这也使器件更难制备，不利于未来光通信系统的发展。

发明内容

本发明提供了一种基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，以解决传统分束器所存在的长度长、消光比低、带宽窄的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述双芯光子晶体光纤偏振分束器包括纤芯区和包层区；其中，所述包层区位于所述纤芯区的外层；所述纤芯区和所述包层区均填充有二氧化硅基底材料；

所述纤芯区包括第一空气孔、第一纤芯和第二纤芯；其中，所述第一空气孔位于所述纤芯区的正中心，且所述第一空气孔完全填充向列项液晶；所述第一纤芯和所述第二纤芯分别位于所述第一空气孔的两侧，且所述第一纤芯与所述第一空气孔之间的距离等于所述第二纤芯与所述第一空气孔之间的距离；

所述包层区包括多个第二空气孔、多个第三空气孔和多个第四空气孔；以所述纤芯区为中心，多个第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔环绕所述纤芯区呈多层排布结构且多层排布结构除最外层之外，其它每一层均为六边形结构。

可选地，第一空气孔、第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔均为圆孔。

可选地，第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔的直径各不相同；其中，

所述第二空气孔的直径小于所述第三空气孔的直径；

所述第三空气孔的直径小于所述第四空气孔的直径。

可选地，所述六边形结构为平行六边形结构；

在所述平行六边形结构中，其中两条相对的边的边长为第一边长，其余四条边的边长均为第二边长；且所述第一边长大于所述第二边长。

可选地，所述第二空气孔和第三空气孔分布于所述多层排布结构最内层；

其中，所述多个第二空气孔均布在所述纤芯区的上下两侧，每侧各分布四个；所述多个第三空气孔均布在所述纤芯区的左右两侧，每侧各分布一个；

所述第四空气孔位于所述第二空气孔和第三空气孔的外侧；

其中，在所述多层排布结构中，位于最外层的多个第四空气孔均布在相邻层的第四空气孔所组成的平行六边形结构的左右两端，并沿着所述相邻层的第四空气孔所组成的平行六边形结构的左右两端的边沿呈线型分布。

可选地，相邻第二空气孔之间的距离均为Λ；第三空气孔与相邻的第一纤芯或第二纤芯以及相邻的第二空气孔或第四空气孔之间的距离均为Λ；所述第四空气孔与相邻的第二空气孔或第三空气孔之间的距离均为Λ，相邻的所述第四空气孔之间的距离均为Λ；所述第一空气孔中心与第一纤芯中心之间的距离以及第一空气孔中心与第二纤芯中心的距离均为Λ；其中，Λ的取值范围为2.0μm～2.4μm。

可选地，所述第一空气孔的直径的取值范围为0.6μm～1.0μm。

可选地，所述第二空气孔的直径的取值范围为0.8μm～1.2μm。

可选地，所述第三空气孔的直径的取值范围为0.9μm～1.5μm。

可选地，所述第四空气孔的直径的取值范围为1.8μm～2.2μm。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

(1)本发明提供的分束器对包层空气孔的排布采用了压缩六边形结构，并选择性地向中心空气孔完全填充了具有各向异性的向列项液晶材料，大大增加了光纤的双折射性，使器件长度更短，分光效果更好。

(2)本发明提供的分束器的长度达到了109.5μm，消光比最高达到了86dB，带宽达到了280nm，带宽的范围为1402～1682nm，覆盖了光通信常用的S、C、L和U波段。

(3)本发明提供的分束器克服了传统分束器长度长、消光比低、带宽窄的缺点，有望在未来超大容量、集成化的全光网络中得到应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器的截面图；

图2为本发明实施例提供的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器的X偏振奇模、X偏振偶模、Y偏振奇模和Y偏振偶模的有效折射率实部随波长变化的关系图；

图3为本发明实施例提供的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器的X偏振方向与Y偏振方向的耦合长度及其耦合长度比随波长变化的关系图；

图4为本发明实施例提供的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器的归一化输出功率随传输长度变化的关系图；

图5为本发明实施例提供的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器在长度为109.5μm时的消光比随波长变化的关系图。

附图标记说明：

1、第一空气孔；

A、第一纤芯；

B、第二纤芯；

2、第二空气孔；

3、第三空气孔；

4、第四空气孔；

5、二氧化硅基底材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本实施例提供了一种基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，以分离1550nm波段的偏振光，并在实现器件长度较短的同时获得较高的消光比和较宽的带宽。具体地，如图1所示，本实施例的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器包括纤芯区和包层区；其中，所述包层区位于所述纤芯区的外层；所述纤芯区和所述包层区均填充有二氧化硅基底材料5；

所述纤芯区包括第一空气孔1、第一纤芯A和第二纤芯B；其中，所述第一空气孔1位于所述纤芯区的正中心，直径为d₁，且所述第一空气孔1完全填充具有各向异性的向列项液晶；所述第一纤芯A和所述第二纤芯B分别位于所述第一空气孔1的左右两侧，且所述第一纤芯A中心与所述第一空气孔1中心之间的距离等于所述第二纤芯B中心与所述第一空气孔1中心之间的距离，均为Λ。

所述包层区包括多个第二空气孔2、多个第三空气孔3和多个第四空气孔4；其中，以所述纤芯区为中心，多个第二空气孔2、第三空气孔3和第四空气孔4环绕所述纤芯区呈多层排布结构，且在所述多层排布结构中，除最外层之外，其它每一层均为压缩六边形结构(六边形周期排布)。其中，第一空气孔1、第二空气孔2、第三空气孔3和第四空气孔4均为圆孔。第二空气孔2、第三空气孔3和第四空气孔4的直径各不相同；具体地，在本实施例中，第二空气孔2的直径小于第三空气孔3的直径；第三空气孔3的直径小于第四空气孔4的直径。

具体地，除最外层之外，上述各空气孔组成的多层排布结构中的每一层均为平行六边形结构；在所述平行六边形结构中，其中两条相对的边(上下边)的边长为第一边长，其余四条边的边长均为第二边长；且第一边长大于第二边长。第二空气孔2和第三空气孔3分布于所述多层排布结构最内层；多个第二空气孔2均布在所述纤芯区垂直方向的上下两侧，每侧各分布四个，直径为d₂；多个第三空气孔3均布在所述纤芯区水平方向的左右两侧，每侧各分布一个；直径为d₃。第四空气孔4位于第二空气孔2和第三空气孔3的外侧，第四空气孔4的数量共52个，直径为d₄，并以压缩六边形结构周期地排列在外层。其中，在所述多层排布结构中，位于最外层的多个第四空气孔4均布在相邻层的第四空气孔4所组成的平行六边形结构的左右两端，并沿着所述相邻层的第四空气孔4所组成的平行六边形结构的左右两端的边沿呈线型分布，也即位于最外层的多个第四空气孔4在相邻层的平行六边形结构的左右两端分别组成一个类似箭头的结构，整体上相当于把一个六边形结构去掉上下两条边后形成的结构。

其中，每两个所述第二空气孔2之间的距离均为Λ；所述第三空气孔3与相邻的第一纤芯A或第二纤芯B以及相邻的第二空气孔2或第四空气孔4之间的距离均为Λ；所述第四空气孔4与相邻的第二空气孔2或第三空气孔3之间的距离均为Λ，相邻的所述第四空气孔4之间的距离均为Λ；Λ的取值范围为2.0～2.4μm，d₁的取值范围为0.6～1.0μm，d₂的取值范围为0.8～1.2μm，d₃的取值范围为0.9～1.5μm，d₄的取值范围为1.8～2.2μm。上述尺寸范围均为标准尺寸，且本分束器的空气孔排列结构简单，所以易于制备。

第一空气孔1的设立形成了两个可导光路径，即第一纤芯A和第二纤芯B，并且光束可以通过第一空气孔1在两个纤芯中交替传输，最终使X、Y偏振态分离。由于向列项液晶在一定的温度范围内具有各向异性，且与第二空气孔2和第三空气孔3的不同尺寸相配合，可大大增加光纤的双折射效应。第四空气孔4的设置可以让光束更好的限制在纤芯中，减少光在传输过程中的损耗。

由于向列项液晶的性质受温度和外部电场的影响，其折射率存在寻常折射率n_o和非寻常折射率n_e，在不同的温度条件下，两个折射率的值不同，该材料的相对介电函数张量定义为：

其中，θ是向列项液晶分子的取向角度，一般取0°～90°。

根据耦合模式理论，当光束射入双芯光纤的其中一个纤芯时，会激起四个超模，分别为X偏振奇模、X偏振偶模、Y偏振奇模和Y偏振偶模，由于奇模和偶模传输常数的不同，光能量会在两个纤芯间进行周期性的转移。而当入射的某个偏振光从一个纤芯完全转移到另一个纤芯时，该偏振光传输的长度即为耦合长度：

其中，λ是入射光波长

分别表示偶模和奇模的传播常数以及有效折射率，i代表X或Y偏振方向。

当光纤的耦合长度满足L＝m L_x＝n L_y，且m和n是互为极性相反的整数时，可以实现X偏振光与Y偏振光的完全分离。为获得最短器件长度，可选取耦合长度比CLR＝L_y/L_x作为参考依据，当耦合长度的值为1/2或2/1时，可得到理想的分束长度。

消光比作为衡量偏振分束器性能的重要参数之一，主要是用来描述两个偏振光束在某个纤芯输出端口的分离程度：

其中，

是X、Y偏振光在某个纤芯输出端口的功率。通常，当ER>20dB时，可以认为两束光已完全分开。

下面，以第一空气孔1的直径d₁为1.0μm，第二空气孔2的直径d₂为1.1μm，第三空气孔3的直径d₃为1.5μm，第四空气孔4的直径d₄为1.8μm，孔间距Λ为2.0μm，向列项液晶分子的取向角度θ为90°为例，对本分束器性能进行说明。

如图2所示，可以看出光纤中四个超模的有效折射率实部随波长变化的特性。X偏振态的奇模和偶模以及Y偏振态的奇模和偶模的有效折射率实部均不相同，即存在双折射性，且随着波长的增大，双折射性也逐渐增强。

如图3所示，可以看出本分束器X、Y偏振方向的耦合长度及耦合长度比的特性。X偏振方向的耦合长度随着波长的增加而减少，Y偏振方向的耦合长度随着波长的增加先增加后减少，因此耦合长度比的值随着波长的增加呈现出平稳增加的趋势，并在波长为1550nm处最接近2。

如图4所示，可以看出本分束器的归一化输出功率随传输长度的变化。当传输长度为109.5μm时，X偏振光的能量在一个芯中达到最大值，Y偏振光的能量则在另一个纤芯中达到最大值，实现了两个偏振光束的完全分离。

如图5所示，可以看出本分束器的消光比随着波长的变化。在器件长度为109.5μm时，消光比在1550nm波长处达到了63dB，在1494nm波长处，消光比值最大，为86dB。且消光比在波长为1402～1682nm的范围内均大于20dB，故该分束器的带宽为280nm，完全覆盖了光通信常用的S、C、L和U波段，具有很好的分束效果。

综上，本实施例提供的分束器对包层空气孔的排布采用了压缩六边形结构，并选择性地向中心空气孔完全填充了具有各向异性的向列项液晶材料，大大增加了光纤的双折射性，使器件长度更短，分光效果更好。其长度达到了109.5μm，消光比最高达到了86dB，带宽达到了280nm，带宽的范围为1402～1682nm，覆盖了光通信常用的S、C、L和U波段。克服了传统分束器长度长、消光比低、带宽窄的缺点，有望在未来超大容量、集成化的全光网络中得到应用。

此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述双芯光子晶体光纤偏振分束器包括纤芯区和包层区；其中，所述包层区位于所述纤芯区的外层；所述纤芯区和所述包层区均填充有二氧化硅基底材料；

所述纤芯区包括第一空气孔、第一纤芯和第二纤芯；其中，所述第一空气孔位于所述纤芯区的正中心，且所述第一空气孔完全填充向列项液晶；所述第一纤芯和所述第二纤芯分别位于所述第一空气孔的两侧，且所述第一纤芯与所述第一空气孔之间的距离等于所述第二纤芯与所述第一空气孔之间的距离；

所述包层区包括多个第二空气孔、多个第三空气孔和多个第四空气孔；以所述纤芯区为中心，多个第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔环绕所述纤芯区呈多层排布结构且多层排布结构除最外层之外，其它每一层均为六边形结构。

2.如权利要求1所述的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第一空气孔、第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔均为圆孔。

3.如权利要求2所述的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第二空气孔、第三空气孔和第四空气孔的直径各不相同；其中，

所述第二空气孔的直径小于所述第三空气孔的直径；

所述第三空气孔的直径小于所述第四空气孔的直径。

4.如权利要求1所述的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述六边形结构为平行六边形结构；

在所述平行六边形结构中，其中两条相对的边的边长为第一边长，其余四条边的边长均为第二边长；且所述第一边长大于所述第二边长。

5.如权利要求4所述的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第二空气孔和所述第三空气孔分布于所述多层排布结构最内层；

其中，所述多个第二空气孔均布在所述纤芯区的上下两侧，每侧各分布四个；所述多个第三空气孔均布在所述纤芯区的左右两侧，每侧各分布一个；

所述第四空气孔位于所述第二空气孔和第三空气孔的外侧；

其中，在所述多层排布结构中，位于最外层的多个第四空气孔均布在相邻层的第四空气孔所组成的平行六边形结构的左右两端，并沿着所述相邻层的第四空气孔所组成的平行六边形结构的左右两端的边沿呈线型分布。

6.如权利要求5所述的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，相邻第二空气孔之间的距离均为Λ；所述第三空气孔与相邻的第一纤芯或第二纤芯以及相邻的第二空气孔或第四空气孔之间的距离均为Λ；所述第四空气孔与相邻的第二空气孔或第三空气孔之间的距离均为Λ，相邻的所述第四空气孔之间的距离均为Λ；所述第一空气孔中心与第一纤芯中心之间的距离以及第一空气孔中心与第二纤芯中心的距离均为Λ；其中，Λ的取值范围为2.0μm～2.4μm。

7.如权利要求2所述的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第一空气孔的直径的取值范围为0.6μm～1.0μm。

8.如权利要求2所述的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第二空气孔的直径的取值范围为0.8μm～1.2μm。

9.如权利要求2所述的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第三空气孔的直径的取值范围为0.9μm～1.5μm。

10.如权利要求2所述的基于液晶填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第四空气孔的直径的取值范围为1.8μm～2.2μm。

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