CN113589427A - 一种双芯光子晶体光纤偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双芯光子晶体光纤偏振分束器，包括：包层和两个纤芯，所述包层由多个均匀分布的圆孔构成，相邻两个圆孔之间的孔间距均相同；所述圆孔包括填充空气的第一圆孔和第二圆孔、填充金属元素的第三圆孔，所述第二圆孔直径大于第一圆孔直径，所述第三圆孔直径等于所述第一圆孔直径；在所述结构中心的两侧对称布设两个所述第一圆孔，该两个第一圆孔被所述两个纤芯夹在中间；围绕所述两个纤芯的外层均匀布设八个第一圆孔及两个第三圆孔。本发明提供的偏振分束器光纤长度仅为240μm，具有较短光纤长度及较高消光比。

Description

一种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偏振分束器技术领域，具体而言，涉及一种双芯光子晶体光纤偏振分束器。

背景技术

偏振分束器作为光学系统中的重要器件，在光纤通信及光纤传感方面具有重要应用，其主要功能是将一束光分解成两束相互正交的偏振光。由于光子晶体光纤具有无尽单模、高双折射、灵活非线性及可调色散等独特特性，对偏振分束器的作用受到了研究者的广泛关注。目前，人们在设计该类偏振分束器时，主要采用以下方案：

(1)早期偏振分束器：大多数是依据双折射原理，由传统双芯光纤制备而成。但传统光纤往往双折射较小，因此制备的分束器一般都具有体积大、消光比低、带宽窄、结构设计单一，限制了光通信系统集成化和传输容量。此外，基于传统光纤的偏振分束器具有波长依赖特性，且工作波段单一，这大大限制了其应用范围。

(2)基于全空气孔型光子晶体光纤：采用此方案设计的单偏振输出的波长分束器，通常是在传统的光子晶体光纤的基础上，在其纤芯区和包层区构造结构双折射结构而成，其导光机理也和传统的光子晶体光纤相同；并且，此类分束器的纤芯和传统的光子晶体光纤一样，均是由空气孔缺失而成，并且由于其纤芯区为了构造双折射结构，因此其纤芯一般不是规则的圆形。且此类分束器由于双折射度低，导致光纤长度往往很长，无法满足器件微型化的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双芯光子晶体光纤偏振分束器，能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：

本发明提供一种一种双芯光子晶体光纤偏振分束器，包括：纯石英玻璃基底材料、以及布设在所述基底材料上的包层和两个纤芯，该两个纤芯沿所述偏振分束器的结构中心对称设置，其中，

所述包层由多个均匀分布的圆孔构成，多个所述圆孔组合排列为两个梯形结构，该两个梯形结构沿x轴对称布设呈六边形晶格结构，相邻两个圆孔之间的孔间距均相同；所述圆孔包括填充空气的第一圆孔和第二圆孔、填充金属元素的第三圆孔，所述第二圆孔直径大于所述第一圆孔直径，所述第三圆孔直径等于所述第一圆孔直径；

在所述结构中心的两侧对称布设两个所述第一圆孔，该两个第一圆孔被所述两个纤芯夹在中间；围绕所述两个纤芯的外层均匀布设八个所述第一圆孔及两个所述第三圆孔，所述两个第三圆孔、两个所述第一圆孔以及所述结构中心均处于同一y轴方向上。

可选的，所述第三圆孔内填充的金属元素为金。

可选的，所述第一圆孔直径的取值范围为0.25μm～0.35μm。

可选的，所述第二圆的直径的取值范围为0.75μm～0.85μm。

可选的，所述相邻两个圆孔之间的孔间距的取值范围为0.95μm～1.05μm。

可选的，所述相邻两个圆孔之间的孔间距相同的情形包括：相邻两个第一圆孔之间的间距相同、相邻两个第二圆孔之间的间距相同、相邻的第一圆孔和第二圆孔之间的间距相同、相邻的第一圆孔和第三圆孔之间的间距相同、相邻的第二圆孔和第三圆孔之间的间距相同。

可选的，除所述两个第一圆孔和所述八个第一圆孔之外，其余所述第一圆孔沿所述六边形晶格结构的中心呈“X”型布设。

可选的，所述偏振分束器的长度为240μm的N倍，其中，N大于等于1。

本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的双芯光子晶体光纤偏振分束器，通过引入金属表面等离子体共振效应(SPR)，相比全空气孔型光子晶体光纤，光纤的长度更短，光分束效果更好，所述偏振分束器的长度为240μm时，在波长1550nm处的消光比可达-60dB；

(2)偏振分束器的通讯波段更宽，可以在波长范围为1.38μm～1.70μm内实现单偏振输出；

(3)本分束器结构简单，易于制作，材料成本低；

(4)本发明克服了传统偏振分束器体积大、消光比低、带宽窄等缺点，符合未来超大容量、易于集成化的全光网络的需求。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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。在附图中：

图1示出了本发明实施例提供的一种双芯光子晶体光纤偏振分束器的截面示意图；

图2示出了本发明实施例中所述双芯光子晶体光纤偏振分束器的各个偏振模式的折射率随波长的变化关系图；

图3示出了本发明实施例中所述双芯光子晶体光纤偏振分束器的耦合长度以及耦合长度比随波长的变化关系图；

图4示出了本发明实施例中所述双芯光子晶体光纤偏振分束器的归一化能量随所述偏振分束器长度的变化关系图；

图5示出了本发明实施例中所述双芯光子晶体光纤偏振分束器的消光比随波长的变化关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但不应限于这些术语。

还需要说明的是，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商品或者装置不仅包括那些要素，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商品或者装置所固有的要素。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商品或者装置中还存在另外的相同要素。

下面结合一个可选实施例，对本发明涉及到的内容进行详细说明。

本发明提供一种双芯光子晶体光纤偏振分束器，图1是根据本发明实施例提供的双芯光子晶体光纤偏振分束器的截面示意图。如图1所示，所述偏振分束器，包括：纯石英玻璃基底材料4、以及布设在所述基底材料上的包层和两个纤芯，该两个纤芯沿所述偏振分束器的结构中心对称设置，其中，

所述包层由多个均匀分布的圆孔构成，多个所述圆孔组合排列为两个梯形结构，该两个梯形结构沿x轴对称布设呈六边形晶格结构，相邻两个圆孔之间的孔间距5均相同；所述圆孔包括填充空气的第一圆孔1和第二圆孔2、填充金属元素的第三圆孔3，所述第二圆孔2直径大于所述第一圆孔1直径，所述第三圆孔3直径等于所述第一圆孔1直径；

在所述结构中心(图中未示)的两侧对称设有两个所述第一圆孔1，该两个第一圆孔被所述两个纤芯A和B夹在中间；围绕所述两个纤芯的外层均匀设有八个所述第一圆孔1及两个所述第三圆孔3，所述两个第三圆孔3、两个所述第一圆孔1以及所述结构中心均处于同一y轴方向上。

其中，所述八个第一圆孔1和两个所述第三圆孔3按照圆形结构布设，将两个第一圆孔1包围，形成了可用于限制并传输光的A和B两个纤芯。其中，所述圆形结构为所述双芯区的最外层。可选的，所述第一圆孔1直径d1的取值范围为0.25μm～0.35μm，基于该尺寸范围下的第一圆孔1和第三圆孔3围成的圆形结构，所述双芯的两个不同偏振方向具有很强的不对称性，从而能够产生高双折射效应。

其中，由于金属元素中金相较其它金属元素表面等离子体共振效应最稳定，所述第三圆孔表面的金属粒子与在光纤中传输的光(也是一种电磁波)相互作用，吸收了部分或全部的光所携带的能量，产生更高的分束效果。

所述多个第二圆孔2均匀布设于所述圆形结构的外侧，与所述多个第一圆孔组合排列。其中，所述圆形结构外侧的多个第一圆孔沿所述六边形晶格结构的中心呈“X”型布设，利用该“X”型排布的多个第一圆孔能够对光子晶体光纤有效折射率实现较大调节作用，增加所述纤芯区的结构双折射。可选的，所述第二圆孔2的直径d2的取值范围为0.75～0.85μm。

其中，所述相邻两个圆孔之间的孔间距Λ均相同，从而形成均匀分布的多孔结构。所述相邻两个圆孔之间的孔间距Λ相同的情形包括：相邻两个第一圆孔1之间的间距、相邻两个第二圆孔2之间的间距、相邻的第一圆孔和第二圆孔之间的间距、相邻的第一圆孔和第三圆孔之间的间距、相邻的第二圆孔和第三圆孔之间的间距。可选的，所述相邻两个圆孔之间的孔间距Λ的取值范围为0.95μm～1.05μm。

所述第一圆孔和第二圆孔的直径不同、相邻两个圆孔之间间距相同，使得纤芯区结构具有极好的双折射效果和表面等离子效应，方便光信号传输、降低噪音、提高传输效率。另，由于纯石英玻璃基底材料成本较低，所述包层区及两个纤芯A、B中都以所述纯石英玻璃作为背景材料，能够提高所述偏振分束器的制作成品率。可以理解为，所述双纤芯(纤芯A和纤芯B)是将结构中心的左右两侧圆形空气孔用所述石英玻璃代替形成的双折射区域。

本发明提供的偏振分束器基于表面等离子体共振效应以及人为构造的纤芯区、包层区结构双折射共同作用来产生双折射效应。具体的，所述光子晶体光纤偏振光分束器通过所述两个纤芯将入射光的两种正交偏振态分束的工作原理包括：

根据光纤模式谐振耦合理论，本发明中双芯传导模式和表面等离子体激元模式间的耦合方程可以表示为：

其中，β₁是纤芯传导模式的传播常数，β₂是表面等离子体激元模式的传输常数，E₁为光纤芯传导模式的电场，E₂是表面等离子体激元模式的电场，k是耦合强度，z为传输长度。

假定耦合模式的传输常数为β，E₁和E₂可以表示为E₁＝Aexp(iβz)和E₂＝Bexp(iβz)，将其带入公式(1)中，可得耦合模式的传播常数为：

其中，β_ave＝(β₁+β₂)/2，δ＝(β₁-β₂)/2。因为两种模式的折射率低于基底材料，所以它们是泄露模，而泄露模的传播常数β₁和β₂是复数，因此，δ可以表示为δ＝δr+iδ_t，当光纤芯传导模式和金属表面等离子体模式满足相位匹配条件时，它们折射率的实部相等，δr＝0，因此，我们可以得到：

δ²+k²＝-δ_t ²+k²……(3)

此时无论δ_t和k的大小关系如何，光纤芯传导模式和表面等离子体激元模式之间都会产生谐振耦合，只不过是耦合强度强弱的问题。

当两个平行波导相互间靠的很近时，相邻两波导之间的功率会进行周期性转换而形成一个定向耦合波导系统。传统的双芯光纤其双芯结构可以等效为两个平行的光波导，当两个平行光波导靠近且发生横向耦合时，光功率会周期性的从一个波导内耦合到另一个波导内，然后又返冋到入射波导中，称之为波导之间的模式耦合。相互平行的两相邻圆柱形光波导，两个波导的能量会相互耦合，从而改变两波导的场分布，这种光波导的横向耦合可以用模式耦合理论描述。假设这两平行相邻的圆柱形光波导满足弱耦合条件，其模式耦合方程为：

其中，a₁(z)＝A₁(z)exp(iβ1z)，a₂(z)＝A₂(z)exp(iβ2z)，K₁₂和K₂₁是两波导的耦合系数，β₁和β₂是两波导的传输常数。|a₁(z)|²，|a₂(z)|²分别代表两纤芯传导模式功率。一般情况下，当两纤芯发生耦合进行能量交换，在传输光纤非常短时，介质损耗可以忽略，两传导模式总功率不变，得到：

对于本发明所设计的双芯光子晶体光纤，两个纤芯结构是完全对称的，其介质分布也相同，因此令β₁＝β₂＝β，K₁₂＝K₂₁＝K。则耦合方程(1)可以简化为:

设在波导耦合的初始位置Z＝0处，a₁(z)＝a₁(0)，a₂(z)＝a₂(0)，则耦合方程(6)的解：

上式表明，沿着光束传输Z方向，传输能量在两传导模式之间产生周期性变化。若考虑单一波导有能量，即令a₁(z)≠0，a₂(z)＝0可得：

当k_z＝π/2时，|a₁(z)|²＝0，而|a₂(z)|²≠0。因此，当z＝π/2k处，传导模式1的功率已经全部耦合到模式2中。因此定义传输功率从一个波导完全耦合到另一个波导所需要的距离为耦合长度L_c：

对于双芯光子晶体光纤的两个纤芯可以看着是两个介质相同、结构对称的两个平行波导，双芯耦合光纤有两类本征模，一类是场分布为Es(x,y)的对称模(偶模)，另一类是反对称模(奇模)Ea(x,y)。其传播传输分别为βs＝β+k和βa＝β-k，因此耦合长度可表示为：

所述双芯光子晶体光纤的模式可以视为四个超模式的叠加，分别是x和y偏振方向上的对称超模(偶超模)Esx(x,y)和Esy(x,y)，以及x和y偏振方向上的反对称超模(奇超模)Eax(x,y)和Eay(x,y)，对应的传播常数分别为：

因此根据公式(10)可得到光纤耦合长度为：

其中，

和

分别是x和y偏振方向上偶超模和奇模的有效折射率。Lx和Ly分别是x和y偏振方向上的耦合长度。

当光纤耦合长度满足L＝mLx＝nLy，若m与n为奇偶性不同的正整数，可以实现偏振分束器，此时的耦合长度也叫做分束长度。由此可知，当m/n＝1/2或者2/1，此时可以获得最理想分束长度，即最短分束长度。

根据图1所示双芯光子晶体光纤偏振分束器的结构构成，有如下实施例：

当所述偏振分束器的第一圆孔直径d1为0.3μm，第二圆孔直径d2为0.8μm，填充金的第三圆孔直径d3为0.3μm，相邻两个圆孔之间的间距Λ为1μm时，如图2所示，看出本实施例中各个偏振模式的折射率随波长的变化关系。由于将金元素填充到纤芯结构中之后，发生表面等离子体共振效应，二阶表面等离子体激元模式(spp)与基模发生耦合使超模的有效折射率发生变化；其中，x偏振偶模、y偏振奇模、y偏振偶模在各自的共振波长处发生突变，x偏振奇模的变化很小。因此，光纤中设置两个填充金的圆孔能够极大的增强偏振分束器件的分束效果。

如图3所示，可以看出本实施例中耦合长度以及耦合长度比随波长的变化关系。由模式耦合理论可知，双芯光子晶体光纤中存在4个超模，即x偏振方向的奇模和偶模、y偏振方向的奇模和偶模。相同偏振态的奇、偶模之间沿着光纤的传播方向发生耦合，使偏振光能量从一个纤芯向另一个纤芯传递。当入射纤芯中某一偏振态的光能量为0时，对应的传播距离称为耦合长度，两个偏振方向上耦合长度的比值称为耦合长度比。耦合长度及耦合长度比决定了光在光纤中发生耦合的传输距离，即决定了偏振分束器的尺寸大小。由图3可知，x、y偏振的耦合长度随波长的增加而减小，耦合长度比随波长的增加而减小，在波长1550nm处最近接于2，耦合长度比接近于2是有关光纤偏振分束器的性能中至关重要的因素。

如图4所示，可以看出本实施例中偏振分束器在不同偏振方向的归一化能量随所述偏振分束器长度的变化关系。由图4可知，当光纤长度为240μm时，1550nm波长处的x偏振光的能量在一个纤芯达到最大值，同时y偏振光的光在另一个纤芯中达到最大值，两条光实现完全分离。

如图4所示，可以看出本实施例中偏振分束器的消光比随波长的变化关系。从图中可以得出1550nm波长处的消光比可取得-60dB，消光比小于-20dB的波长范围为1.38μm～1.70μm，带宽可达320nm，具有较大消光比和宽带。

由以上分析可得，本发明提供的双芯光子晶体光纤偏振分束器，引入表面等离子体共振效应(SPR)，比全空气孔型光子晶体光纤长度更短，光分束效果更好；所述偏振分束器光纤的长度仅为240μm，在波长1550nm处的消光比可达-60dB；且具有较宽通讯波段更宽，可以在波长范围为1.38μm～1.70μm内实现单偏振输出。本发明提供的偏振分束器结构简单，易于制作，材料成本低；且克服了传统偏振分束器体积大、消光比低、带宽窄等缺点，符合未来超大容量、易于集成化的全光网络的需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，包括：纯石英玻璃基底材料、以及布设在所述基底材料上的包层和两个纤芯，该两个纤芯沿所述偏振分束器的结构中心对称设置，其中，

所述包层由多个均匀分布的圆孔构成，多个所述圆孔组合排列为两个梯形结构，该两个梯形结构沿x轴对称布设呈六边形晶格结构，相邻两个圆孔之间的孔间距均相同；所述圆孔包括填充空气的第一圆孔和第二圆孔、填充金属元素的第三圆孔，所述第二圆孔直径大于所述第一圆孔直径，所述第三圆孔直径等于所述第一圆孔直径；

在所述结构中心的两侧对称布设两个所述第一圆孔，该两个第一圆孔被所述两个纤芯夹在中间；围绕所述两个纤芯的外层均匀布设八个所述第一圆孔及两个所述第三圆孔，所述两个第三圆孔、两个所述第一圆孔以及所述结构中心均处于同一y轴方向上。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第三圆孔内填充的金属元素为金。

3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第一圆孔直径的取值范围为0.25μm～0.35μm。

4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述第二圆的直径的取值范围为0.75μm～0.85μm。

5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述相邻两个圆孔之间的孔间距的取值范围为0.95μm～1.05μm。

6.根据权利要求5所述的光纤，其特征在于，所述相邻两个圆孔之间的孔间距相同的情形包括：

相邻两个第一圆孔之间的间距相同、相邻两个第二圆孔之间的间距相同、相邻的第一圆孔和第二圆孔之间的间距相同、相邻的第一圆孔和第三圆孔之间的间距相同、相邻的第二圆孔和第三圆孔之间的间距相同。

7.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，除所述两个第一圆孔和所述八个第一圆孔之外，其余所述第一圆孔沿所述六边形晶格结构的中心呈“X”型布设。

8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述偏振分束器的长度为240μm的N倍，其中，N大于等于1。

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