CN113900183B - 一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器 - Google Patents

一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，属于光纤通信技术领域。该偏振分束器包括：基底圆管和纤芯分隔结构；基底圆管的内壁上沿圆周等间距内切连接有多个大包层管，大包层管在基底圆管的内壁上对称分布；大包层管的内壁上内切连接有内嵌圆环管；纤芯分隔结构设置有两个。本发明中通过两个纤芯分隔结构将纤芯分为A芯和B芯，使得两种偏振光的耦合长度并不相同，当从其中一个纤芯中输入x偏振光和y偏振光时，y偏振光完全耦合到另一个纤芯中，而x偏振光经历了两次耦合仍然在原来的纤芯中，即两种偏振光在不同的纤芯端口输出，在较宽的工作频率范围内，两种偏振光在输出端口具有高的消光比，且具有很低的传输损耗。

Description

一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器。
背景技术
在过去的二十多年，太赫兹源和探测技术的研究逐渐成熟并应用于实际，极大地推动了太赫兹技术的快速发展。但目前的太赫兹系统主要采用分立器件，太赫兹波在空间传输，导致系统体积庞大，成本较高，难以维护。太赫兹光纤的提出，为太赫兹波的传输提供了一种理想介质。同时，基于微纳结构的太赫兹调制器、偏振器、滤波器、光开关等等被不断提出，使实现体积小巧结构紧凑的太赫兹系统成为可能。另一方面，偏振是太赫兹波的一个重要特性，各种线性和非线性光学效应均与太赫兹波的偏振态密切相关，同时，基于偏振特性还可以对太赫兹波进行分束、滤波、开关等信号处理功能，进而构建功能各异的各种太赫兹系统，具有重要的工程应用价值。
偏振分束器作为一种十分重要的偏振调控器件，能将电磁波中相互正交的两种偏振模式分开，便于其独立进行后续处理，或者将偏振方向相互垂直的两束光合束。偏振分束器在光纤通信、光纤传感、光学仪器、国家安全、航空航天等领域都具有重要的作用。得益于传统光纤通信技术的飞速发展，工作在近红外波段的偏振分束器已经广泛商用化。然而，由于天然材料在太赫兹频域具有较大的吸收，电磁响应非常弱，限制了太赫兹波段偏振分束器的发展。截止目前，研究工作者们已经提出了一些方案，根据其结构不同，主要划分为多模干涉仪型、镀增透膜型、微结构光纤型等等。其中微结构光纤型偏振分束器具有损耗低、易与现有的光纤通信系统集成的优点，得到了较多关注。当前微结构光纤型太赫兹偏振分束器实现偏振分束的原理主要是耦合模理论，将光纤设计成双芯结构，两束正交偏振光在光纤中传播具有不同的耦合长度，合理设计结构保证在特定的传输长度下，使不同偏振光从不同的纤芯端口输出。双芯结构又可以分为对称双芯结构和非对称双芯结构。其中，对称双芯结构使两束正交偏振光均发生耦合，且二者的耦合长度满足一定关系；而非对称双芯结构使其中一束偏振光几乎不发生耦合，另一束偏振光在双芯中耦合。微结构光纤型太赫兹偏振分束器，经历了实芯光纤到多孔芯光纤，以及逐渐出现的悬浮芯光纤的发展，通过减小导模在基底材料中的分布，在减小材料吸收损耗这方面取得了很大进步，但是导模仍有部分存在于基底材料中，无法保证很低的有效材料损耗。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器。所述偏振分束器包括：基底圆管和纤芯分隔结构；
所述基底圆管的内壁上沿圆周等间距内切连接有多个大包层管，所述大包层管在所述基底圆管的内壁上对称分布；
所述大包层管的内壁上内切连接有内嵌圆环管；
所述纤芯分隔结构设置有两个，两个所述纤芯分隔结构在所述基底圆管内对称设置，且分别与大包层管外切连接；
所述基底圆管内，除大包层管和纤芯分隔结构之外的区域填充有空气介质。
进一步地，所述大包层管的个数为12个；
所述内嵌圆环管的个数与所述大包层管的个数相同。
进一步地，所述内嵌圆环管与所述大包层管的内切连接点和所述大包层管与所述基底圆管的内切连接点位于所述基底圆管的同一半径线上，且所述内嵌圆环管与所述大包层管的内切连接点靠近所述基底圆管内壁。
进一步地，所述纤芯分隔结构包括：两个第一小圆环管和两个第二小圆环管；
两个所述第一小圆环管外切连接，每个所述第二小圆环管分别与两个所述第一小圆环管外切连接，两个所述第一小圆环管和两个所述第二小圆环管形成十字形结构；
所述十字形结构中，其中一个所述第一小圆环管与所述大包层管外切连接；
所述内嵌圆环管与所述大包层管的内切连接点、所述大包层管与所述基底圆管的内切连接点和所述第一小圆环管与所述大包层管外切连接点位于所述基底圆管的同一半径线上。
进一步地，所述大包层管的厚度均为t1＝89.1～90.9μm，所述大包层管的外半径均为r1＝376.2～383.8μm，相邻的两个所述大包层管的圆心之间的距离均为Λ＝801.9～818.1μm，相互对称的两个所述大包层管圆心之间的距离为4Λ。
进一步地，所述内嵌圆环管的外半径均为r3＝172.36～175.84μm，相邻的两个所述内嵌圆环管的圆心之间的距离均为(2Λ+r1-t1-r3)/(2cos15°)，相互对称的两个所述内嵌圆环管的圆心之间的距离均为2×(2Λ+r1-t1-r3)，所述内嵌圆环管的厚度均为t2＝89.1～90.9μm。
进一步地，所述第一小圆环管和所述第二小圆环管外半径均为r2＝158.4～161.6μm，所述第一小圆环管和所述第二小圆环管的厚度均为t3＝89.1～90.9μm。
进一步地，所述偏振分束器的长度为6.162～6.286cm。
进一步地，t1＝90μm，r1＝380μm，Λ＝810μm，r3＝174.1μm，r2＝160μm，t2＝90μm，t3＝90μm，所述偏振分束器的长度为6.224cm。
进一步地，所述基底圆管、所述纤芯分隔结构、所述第二小圆环管、所述大包层管和所述内嵌圆环管均由环烯烃共聚物材料组成。
进一步地，所述环烯烃共聚物材料在太赫兹频率下的折射率为1.50～1.54。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明中基于双芯负曲率光纤的结构，在基底圆管的内壁上沿圆周等间距内切连接有多个大包层管，大包层管的内壁上均内切连接有内嵌圆环管，并通过上下对称的纤芯分隔结构将纤芯分为A芯和B芯，使得两种偏振光的耦合长度并不相同，且二者耦合长度满足y偏振光耦合长度是x偏振光耦合长度的2倍关系，A芯和B芯两个纤芯分别分布在左右空气区域，当从其中一个纤芯中输入x偏振光和y偏振光时，y偏振光完全耦合到另一个纤芯中，而x偏振光经历了两次耦合仍然在原来的纤芯中，即两种偏振光在不同的纤芯端口输出，使得本发明中的偏振分束器在较宽的工作频率范围内，两种偏振光在输出端口具有高的消光比，且具有很低的传输损耗。
其次，本发明中的偏振分束器的基底圆管、第一小圆环管、第二小圆环管、大包层管和内嵌圆环管均采用了圆环管结构，结构简单，工艺可行性高，制备更加方便。
另外，通过对本发明中的偏振分束器的结构参数进行限定，从而得到，当入射光频率为1THz，分束器长度为6.224cm时，x偏振光的消光比达到120.8dB，消光比为20dB以上的带宽为0.024THz(0.9925THz-1.0165THz)，y偏振光的消光比达到63.74dB，消光比为20dB以上的带宽为0.02THz(0.9924THz-1.0114THz)，有效吸收损耗低至0.037dB/cm，且公差分析表明结构参数在±1％的偏差下，偏振分束器仍然可以保持较好的性能。
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一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器的横截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器四个非简并模式的模式分布图；
图3为本发明实施例提供的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器四个非简并模式的有效折射率随着入射光频率的变化关系图；
图4为本发明实施例提供的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器当入射光频率为1THz时，两个纤芯中相互垂直的两个偏振光的归一化能量
Figure BDA0003305079790000041
和
Figure BDA0003305079790000042
随着传输距离的变化曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器两个纤芯中各自的相互正交偏振态在输出端口的消光比随着入射光频率的变化关系图；
图6为本发明实施例提供的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器限制损耗和有效吸收损耗随频率的变化曲线图；
图7为本发明实施例提供的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器的某一个纤芯中分别输入x偏振光和y偏振光时，两种偏振光在双芯中的传输情况图；
图8为本发明实施例提供的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器的所有结构参数误差±1％下，消光比的变化曲线图。
附图标记：1-基底圆管；2-大包层管；3-内嵌圆环管；4-第一小圆环管；5-第二小圆环管。
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。
参见图1，一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，包括：基底圆管1和纤芯分隔结构；基底圆管1的内壁上沿圆周等间距内切连接有12个大包层管2，大包层管2在基底圆管1的内壁上对称分布，大包层管2的内壁上内切连接有内嵌圆环管3，内嵌圆环管3与大包层管2的内切连接点和大包层管2与基底圆管1的内切连接点位于基底圆管1的同一半径线上，且内嵌圆环管3与大包层管2的内切连接点靠近基底圆管1内壁；纤芯分隔结构设置有两个，两个纤芯分隔结构在基底圆管1内对称设置，且分别与大包层管2外切连接，基底圆管1内，除大包层管2和纤芯分隔结构之外的区域填充有空气介质。
纤芯分隔结构包括：两个第一小圆环管4和两个第二小圆环管5；两个第一小圆环管4外切连接，每个第二小圆环管5分别与两个第一小圆环管4外切连接，两个第一小圆环管4和两个第二小圆环管5形成十字形结构，十字形结构中，其中一个第一小圆环管4与大包层管2外切连接，内嵌圆环管3与大包层管2的内切连接点、大包层管2与基底圆管1的内切连接点和第一小圆环管4与大包层管2外切连接点位于基底圆管1的同一半径线上。
其中，基底圆管1、第一小圆环管4、第二小圆环管5、大包层管2和内嵌圆环管3均由在太赫兹频率下的折射率为1.50～1.54环烯烃共聚物材料组成；基底圆管1、第一小圆环管4、第二小圆环管5、大包层管2和内嵌圆环管3的长度均为6.162～6.286cm；大包层管2的厚度均为t1＝89.1～90.9μm，大包层管2的外半径均为r1＝376.2～383.8μm，相邻的两个大包层管2的圆心之间的距离均为Λ＝801.9～818.1μm，相互对称的两个大包层管2圆心之间的距离均为4Λ；内嵌圆环管3的外半径均为r3＝172.36～175.84μm，相邻两个内嵌圆环管3的圆心之间的距离均为(2Λ+r1-t1-r3)/(2cos15°)，相互对称的两个内嵌圆环管3的圆心之间的距离均为2×(2Λ+r1-t1-r3)，内嵌圆环管3的厚度均为t2＝89.1～90.9μm；第一小圆环管4和第二小圆环管5外半径均为r2＝158.4～161.6μm，第一小圆环管4和第二小圆环管5的厚度均为t3＝89.1～90.9μm。参见图1，通过纤芯分隔结构将偏振分束器分为左侧的A芯和右侧的B芯。
需要说明的是，偏振分束器作为一个十分重要的偏振调控器件，无论是在光通信，还是在传感、成像、医学诊断等领域，都具有广泛的应用价值。随着太赫兹技术的逐步发展，近十几年来有很多结构新颖的太赫兹偏振分束器，各自基于不同的偏振分束原理，也各有其特点，微结构光纤型偏振分束器以其与光通信系统优越的适配性，以其来设计和制备性能优良的太赫兹偏振分束器将大大降低成本。在以往的基于微结构光纤型的太赫兹偏振分束器中，由于材料的固有吸收损耗，偏振分束器很难达到很低的有效吸收损耗，消光比也不是很高。
本发明中的基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器内部的基底圆管1、第一小圆环管4、第二小圆环管5、大包层管2和内嵌圆环管3均采用了圆环管结构，制备更加方便。由于本发明偏振分束器结构的设定使得两种偏振光的耦合长度并不相同，且二者耦合长度满足y偏振光耦合长度是x偏振光耦合长度的2倍关系。A芯和B芯两个纤芯分别分布在左右空气区域，当从其中一个纤芯中输入x偏振光和y偏振光时，y偏振光完全耦合到另一个纤芯中，而x偏振光经历了两次耦合仍然在原来的纤芯中，即两种偏振光在不同的纤芯端口输出，使得本发明中的偏振分束器在较宽的工作频率范围内(0.024THz)，两种偏振光(x和y)在输出端口具有高的消光比，且具有很低的传输损耗，结构简单，工艺可行性高。
还需要说明的是，将本发明中的偏振分束器的结构的最佳参数为t1＝90μm，r1＝380μm，Λ＝810μm，r3＝174.1μm，t2＝90μm，r2＝160μm，t3＝90μm，偏振分束器的长度为6.224cm，并通过最佳参数举例进行说明。
图2为本发明的振分束器选择入射光频率为1THz(远离谐振频率)时，产生的四个非简并模式的模式分布图，图2中，(a)为x偏振偶模，(b)为y偏振偶模，(c)为x偏振奇模，(d)为y偏振奇模，其中偶模的电场方向相同，奇模的电场方向相反。
图3为本发明的偏振分束器的上述四个非简并模式的有效折射率随着入射光频率的变化关系图，正是由于结构的非圆对称性，增加了双折射，使得四个模式的有效折射率并不相同。四个模式的有效折射率大小关系为：x偏振偶模>y偏振偶模>y偏振奇模>x偏振奇模。由图3可知，在1THz附近，x偏振的偶模和奇模折射率差减小，y偏振的偶模和奇模折射率差增大。
图4为本发明的偏振分束器当入射光频率为1THz时，A芯和B芯两个纤芯中相互垂直的两个偏振光的归一化能量
Figure BDA0003305079790000071
和
Figure BDA0003305079790000072
随着传输距离的变化曲线图，从A芯端口输入x偏振光和y偏振光，将入射光光功率进行归一化处理时，令
Figure BDA0003305079790000073
Figure BDA0003305079790000074
可以看出，对于特定的偏振光，其光能量在两个纤芯中周期性变化。在该偏振分束器中，从A芯端口输入x偏振光和y偏振光，光在光纤中传输距离为6.224cm时，A芯中x偏振光的能量达到最大，y偏振光的能量达到最小，而同时在B芯中，x偏振光的能量达到最小，y偏振光的能量达到最大，y偏振光与x偏振光实现完全分离。即入射光的频率为1THz的光输入到双芯负曲率光纤太赫兹偏振分束器的一个纤芯中时，y偏振光在耦合作用下使其光功率几乎完全耦合到另一个纤芯中，而x偏振光经过了两次耦合作用，光功率仍然绝大部分分布在原来的纤芯中，两个偏振光的光分别在A芯和B芯达到最大输出光功率，两个纤芯分别输出x偏振光和y偏振光。
图5为本发明的偏振分束器的的长度为6.224cm时，A芯和B芯各自的相互正交偏振态在输出端口的消光比随着频率的变化曲线图，图5中(a)为A芯的消光比曲线图，图5中(b)为B芯的消光比曲线图；由图可知，当入射光频率为1THz时，A芯端口x偏振光的消光比达到120.8dB，带宽为0.024THz，B芯端口y偏振光的消光比达到63.74dB，带宽为0.02THz。表明在带宽范围内，偏振分束器的性能优良，满足宽带宽和高消光比的要求。
图6为本发明的偏振分束器限制损耗和有效吸收损耗随频率的变化曲线图，图6中(a)表示限制损耗，(b)表示有效吸收损耗。由图可知，在所研究的频率范围0.98-1.02THz内，仅有y偏振奇模出现上升的趋势，其它三个模式的损耗均随着频率的增加而下降。限制损耗最低为10-6dB/cm，有效吸收损耗最低为0.037dB/cm，与以前的工作相比，具有低的限制损耗和有效吸收损耗。传输损耗为二者之和，主要由有效吸收损耗决定，即为0.037dB/cm。
图7为本发明的偏振分束器的某一个纤芯中分别输入x偏振光和y偏振光时，两种偏振光在双芯中的传输情况图，假设从其中一个纤芯(A芯)中分别输入x偏振光和y偏振光，分别观察光在纤芯中的传输情况。图7中(a)和(b)分别为在A芯中输入x偏振光时，模式在A芯和B芯中的传播情况，(c)和(d)分别为在A芯中输入y偏振光时，模式在A芯和B芯中的传播情况。由图可知，在一个纤芯中输入x偏振光时，由于所设计的偏振分束器的长度为x偏振光的耦合长度的2倍，因此x偏振光在传输过程中经过了两次完全耦合状态，x偏振光依然在原来的纤芯端口输出，而对于y偏振光，偏振分束器的长度恰好等于y偏振光的耦合长度，y偏振光在传输过程中经历了一次完全耦合，y偏振光的能量几乎完全耦合到另一个纤芯中，因此y偏振光在另一个纤芯端口输出。同时，这四幅图展现了所设计的偏振分束器的整个分束过程。
图8为本发明的偏振分束器的所有结构参数误差±1％下，A芯和B芯消光比的变化曲线图，图8中(a)表示A芯消光比的变化曲线图，图8中(b)表示B芯消光比的变化曲线图，可以看出，峰值消光比对应的频率有频移，+1％误差对应的频率发生左移，-1％误差对应的频率发生右移，存在误差时，1THz频率处的消光比仍在20dB，工作带宽在0.02THz左右，具有良好的偏振分束性能，表明该结构具有较大的工艺容差。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器包括：基底圆管(1)和纤芯分隔结构；
所述基底圆管(1)的内壁上沿圆周等间距内切连接有多个大包层管(2)，所述大包层管(2)在所述基底圆管(1)的内壁上对称分布；
所述大包层管(2)的内壁上内切连接有内嵌圆环管(3)；
所述纤芯分隔结构设置有两个，两个所述纤芯分隔结构在所述基底圆管(1)内对称设置，且分别与大包层管(2)外切连接；
所述基底圆管(1)内，除大包层管(2)和纤芯分隔结构之外的区域填充有空气介质；
所述纤芯分隔结构包括：两个第一小圆环管(4)和两个第二小圆环管(5)；
两个所述第一小圆环管(4)外切连接，每个所述第二小圆环管(5)分别与两个所述第一小圆环管(4)外切连接，两个所述第一小圆环管(4)和两个所述第二小圆环管(5)形成十字形结构；
所述十字形结构中，其中一个所述第一小圆环管(4)与所述大包层管(2)外切连接；
所述内嵌圆环管(3)与所述大包层管(2)的内切连接点、所述大包层管(2)与所述基底圆管(1)的内切连接点和所述第一小圆环管(4)与所述大包层管(2)外切连接点位于所述基底圆管(1)的同一半径线上。
2.根据权利要求1所述的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述大包层管(2)的个数为12个；
所述内嵌圆环管(3)的个数与所述大包层管(2)的个数相同。
3.根据权利要求2所述的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述内嵌圆环管(3)与所述大包层管(2)的内切连接点和所述大包层管(2)与所述基底圆管(1)的内切连接点位于所述基底圆管(1)的同一半径线上，且所述内嵌圆环管(3)与所述大包层管(2)的内切连接点靠近所述基底圆管(1)内壁。
4.根据权利要求1所述的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述大包层管(2)的厚度均为t1＝89.1～90.9μm，所述大包层管(2)的外半径均为r1＝376.2～383.8μm，相邻的两个所述大包层管(2)的圆心之间的距离均为Λ＝801.9～818.1μm，相互对称的两个所述大包层管(2)圆心之间的距离为4Λ。
5.根据权利要求4所述的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述内嵌圆环管(3)的外半径均为r3＝172.36～175.84μm，相邻的两个所述内嵌圆环管(3)的圆心之间的距离均为(2Λ+r1-t1-r3)/(2cos15°)，相互对称的两个所述内嵌圆环管(3)的圆心之间的距离均为2×(2Λ+r1-t1-r3)，所述内嵌圆环管(3)的厚度均为t2＝89.1～90.9μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述第一小圆环管(4)和所述第二小圆环管(5)外半径均为r2＝158.4～161.6μm，所述第一小圆环管(4)和所述第二小圆环管(5)的厚度均为t3＝89.1～90.9μm。
7.根据权利要求6所述的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器的长度为6.162～6.286cm。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述基底圆管(1)、所述纤芯分隔结构、所述大包层管(2)和所述内嵌圆环管(3)均由环烯烃共聚物材料组成。
9.根据权利要求8所述的一种基于双芯负曲率光纤的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述环烯烃共聚物材料在太赫兹频率下的折射率为1.50～1.54。
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