CN113296184B

CN113296184B - 一种基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤

Info

Publication number: CN113296184B
Application number: CN202110690089.9A
Authority: CN
Inventors: 尚玉玲; 何翔; 郭文杰; 李春泉; 王佳奇; 杨昊; 周谨倬; 文磊; 毛久兵
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2041-06-22
Also published as: CN113296184A

Abstract

本发明提出一种低串扰的基于余弦弯曲的桥型交叉结构，其包括交叉聚合物微纳光纤、交叉角度、弯曲高度、弯曲宽度、直径、纤芯、包层、直径，其特征在于所述两根聚合物微纳光纤以一定的交叉角度交叉，所述两根聚合物微纳光纤的纤芯材料相同，包层材料相同，直径也相同。在三维空间中交叉的聚合物微纳光纤由于倏逝波耦合产生串扰，通过改变桥型结构的弯曲宽度和弯曲高度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以及优良的弹性和柔韧性。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

一种基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤

技术领域

本发明涉及光通信，传感和非线性光学领域，特别涉及一种基于余弦交叉结构的聚合物微纳光纤。

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的限制。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。

聚合物微纳光纤具有较大的倏逝场、强约束及低损耗的优点；尤其是具有良好的结构构筑能力，因此其在光学传感和光功率传输等方面具有巨大潜力。至今为止，聚合物微纳光纤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。由于聚合物微纳光纤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，当彼此靠近或者交叉时，有助于近场光学相互作用或耦合。尽管这种近场光学相互作用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聚合物微纳光纤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，串扰对交叉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。目前尚未研究两根聚合物微纳光纤交叉结构的串扰，尤其当两根聚合物微纳光纤以较大角度交叉时，对于最小化串扰至关重要，因此有必要提出一种基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤，其中包括交叉聚合物微纳光纤、纤芯、包层、弯曲高度、弯曲宽度、直径，其特征在于所述两根交叉聚合物微纳光纤在三维空间中以一定的角度交叉，所述两根交叉聚合物微纳光纤的纤芯材料相同，包层材料相同，所述两根交叉聚合物微纳光纤的直径相同。

按照上述方案，所述的基于余弦交叉结构的聚合物微纳光纤，其特征在于所述的聚合物微纳光纤间由于倏逝波产生的串扰满足以下的线性关系式：

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，所述的基于余弦交叉结构的聚合物微纳光纤，其特征在于所述的桥型结构的聚合物微纳光纤的串扰随着弯曲高度的增加而减小，当直径为900nm，弯曲宽度为12μm时，弯曲高度在1500nm~2000nm范围内，串扰均低于0.68%，即低于-21.7dB。

按照上述方案，所述的基于余弦交叉结构的聚合物微纳光纤，其特征在于所述的桥型结构的聚合物微纳光纤的串扰随着弯曲宽度的增加而减小，而当直径为900nm，弯曲高度为1500nm时，弯曲宽度在6μm~20μm范围内，串扰均低于0.65%，即优于-20dB。

按照上述方案，所述的基于余弦交叉结构的聚合物微纳光纤，其特征在于所述的聚合物微纳光纤在波长1550nm处，聚对苯二甲酸丙二醇酯PTT的折射率为1.638，空气的折射率为1.0。

本发明的有益效果在于：在三维空间中由于倏逝波耦合产生的串扰，通过改变其中桥型结构的弯曲高度和弯曲宽度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以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是本发明的基于余弦弯曲的桥型交叉结构的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，交叉角度30°，两根光纤的直径为D。

图2是本发明的基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤沿传播方向的曲率变化规律。

图3是本发明的基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤在弯曲宽度为12μm时，弯曲高度与串扰的关系，其中“实心三角形”连线表示直径为900nm时，弯曲高度与串扰的关系；“实心圆形”连线表示直径为800nm时弯曲高度与串扰的关系。

图4是本发明的基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤在弯曲高度1500nm时，弯曲宽度与串扰的关系，其中“实心正方形”连线表示直径为900nm时，弯曲宽度与串扰的关系；“实心矩形”连线表示直径为800nm时弯曲宽度与串扰的关系。

具体实施步骤：

下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限制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4，本发明提出了一种基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤，如图1所示，在三维空间中，一根被空气包裹着的直型聚合物微纳光纤与一根被空气包裹着的基于余弦弯曲的桥型聚合物微纳光纤交叉放置，其中输入光纤PMNF₁，输出光纤PMNF₂，交叉角度为θ，两根光纤的直径为D。本发明选取PTT为纤芯材料，空气为包层，在波长为1550nm处PTT的折射率为1.638，空气的折射率为1.0，交叉角度为30°。本发明实例中基于余弦弯曲的桥型结构公式如下所示：

其中H为弯曲高度，W为弯曲宽度，z为沿z轴方向的距离，y(z)为当位于z时这点的高度。本发明实例选取的直径为800nm或900nm，交叉角度为30°，弯曲高度为900nm~2000nm，弯曲宽度为6μm~20μm。

按照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。

图2本发明中基于余弦弯曲聚合物微纳光纤的桥型结构沿传播方向的曲率变化规律。

图3为弯曲高度与串扰所对应的关系，其中弯曲宽度为12μm，弯曲高度为900nm~2000nm，其中“实心三角形”表示直径为900nm时，弯曲高度与串扰的对应关系，“实心圆形”表示直径为800nm时，弯曲高度与串扰的对应关系。由图可得对于800nm与900nm这两种直径来说，串扰随着弯曲高度的增大而减小，当弯曲高度为1500nm~2000nm，时产生的串扰均低于1%，即优于-20dB，当弯曲高度为2000nm时，两种直径产生的串扰均低于0.1%，即优于-30dB。

图4为弯曲宽度与串扰所对应的关系，其中弯曲高度为1500nm，弯曲宽度的范围为6μm~20μm，其中“实心正方形”表示直径为900nm时，弯曲宽度与串扰的关系，“实心圆形”表示直径为800nm时，弯曲宽度与串扰的关系。由图可得对于直径为800nm与900nm来说，在弯曲宽度6μm~20μm范围内，串扰均低于1%，即均优于-20dB，随着弯曲宽度的增大时，串扰均降低，对于直径为800nm，弯曲宽度为20μm时，串扰低于0.44%，即优于-23.6dB。

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

1.一种基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤，其包括交叉聚合物微纳光纤、交叉角度、纤芯、包层、弯曲高度、弯曲宽度、直径，其特征在于两根聚合物微纳光纤在三维空间中以一定的交叉角度交叉放置，所述两根聚合物微纳光纤一根为直型聚合物微纳光纤，另一根为基于余弦弯曲的桥型结构聚合物微纳光纤，所述两根聚合物微纳光纤纤芯材料相同，包层材料相同，直径相同，其中基于该余弦弯曲的桥型结构公式如下所示：

其中H为弯曲高度，W为弯曲宽度，z为沿z轴方向的距离，y(z)为当位于z时这点的高度，其中所述两根聚合物微纳光纤选取聚对苯二甲酸丙二醇酯PTT为纤芯材料，空气为包层，在波长为1550nm处PTT的折射率为1.638，空气的折射率为1.0，选取的直径为800nm或900nm，交叉角度为30°，弯曲高度为900nm~2000nm，弯曲宽度为6μm~20μm。

2.根据权利要求1所述的基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤，其特征在于所述的交叉聚合物微纳光纤间由于倏逝波耦合产生的串扰满足以下线性关系式：

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2所述的基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤，其特征在于串扰随着弯曲高度的增加而减小，当弯曲宽度为12μm时，对于直径为800nm或900nm的任意直径，弯曲高度为1500nm时串扰低于0.1%，弯曲高度为2000nm时串扰低于0.01%。

4.根据权利要求2所述的基于余弦弯曲的桥型交叉结构的聚合物微纳光纤，其特征在于串扰随着弯曲宽度的增加而减小，当弯曲高度为1500nm时，对于直径为800nm或900nm的任意直径，弯曲宽度为6μm时串扰低于0.7%，弯曲宽度为20μm时串扰低于0.55%。