CN114035262A - 一种空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，包括纤芯区域和包层区域；其中，包层区域位于纤芯区域的外侧；纤芯区域包括第一圆孔气孔、第一纤芯和第二纤芯，第一圆空气孔位于纤芯区域的正中心，其内部完全填充向列项液晶材料；第一纤芯和第二纤芯位于第一圆空气孔两侧；包层区域包括多个第二圆空气孔、多个第三圆空气孔以及多个第四圆空气孔；第一纤芯、第二纤芯、多个第二圆空气孔、多个第三圆空气孔以及多个第四圆空气孔环绕第一圆孔气孔呈多层排布结构，且多层排布结构的每一层均为菱形结构。本发明结构简单，长度较短，能够在全光通信系统等方面发挥重要作用。

Description

一种空气孔填充液晶的菱形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，特别涉及一种空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器。

背景技术

随着现代通信的快速发展，大容量、集成化的全光网络受到越来越多的关注，而偏振分束器作为其中一个重要的无源光器件，主要作用就是将一束光的两种相互垂直的偏振态分离开来。为了满足现代光通信系统的需求，偏振分束器将小型化、宽带宽和高消光比作为发展的目标。光子晶体光纤由于具有灵活可调的结构和一些传统光纤无法比拟的光学特性而得到了国内外学者的广泛研究，此后，基于光子晶体光纤的偏振分束器逐渐走进人们的视野。其中，基于双芯光子晶体光纤的偏振分束器的研究更为广泛，该种分束器主要是利用双芯的不对称性引起的双折射效应使两个偏振方向的光具有不同的耦合长度，从而实现偏振光的分离。

为了获得性能更好的双芯光子晶体光纤偏振分束器，学者们主要从以下几个方面入手：第一种是在结构上改变圆形空气孔的尺寸或排布方式，从而改变结构的不对称性，实现好的偏振效果。例如，2012年，Li等人设计了一种具有三种不同尺寸圆孔的双芯光子晶体光纤偏振分束器，该分束器的长度达到了544μm，消光比高于10dB的带宽达到了80nm。2016年，Zhang等人提出了一种含有大尺寸圆孔的双芯光子晶体光纤偏振分束器，在器件长度为4.21mm，消光比高于20dB的情况下实现了27nm的带宽。第二种是通过引入不规则空气孔，如椭圆型空气孔，来破坏结构的对称性，从而进一步增加光纤的双折射效果。例如，Feng等人在2014年介绍了一种基于椭圆双芯光子晶体光纤的偏振分束器，并最终实现了0.775mm的分束长度和30nm的带宽。Rajeswari等人在2017年设计出了一种具有两种尺寸椭圆空气孔的双芯光子晶体光纤偏振分束器，并得到了2mm的器件长度，52.5dB的消光比和100nm的带宽。第三种则是通过向空气孔中填充功能性的材料进一步增大纤芯区与包层区的折射率差，从而改善分束器的性能。基于这种方法，Fan等人在2016年设计出了一种金属纳米线填充空气孔的双芯光子晶体光纤偏振分束器，在器件长度为827μm的情况下，该分束器的最大带宽达到了103nm。

从上述可见，有一部分工作设计的光纤结构较为复杂，不仅涉及不同尺寸的空气孔，还涉及椭圆型的空气孔，这无疑给制备增加了一定的难度。还有一部分工作尽管具有相对宽的带宽，但是器件的长度较长，并不利于未来集成化的光通信系统发展。因此，对于新型偏振分束器结构的探索，依然具有挑战性。

发明内容

本发明提供了一种空气孔填充液晶的菱形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结构复杂，长度较长的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器包括纤芯区域和包层区域；其中，所述包层区域位于所述纤芯区域的外侧，所述纤芯区域和所述包层区域均填充有二氧化硅基底材料；

所述纤芯区域包括第一圆孔气孔、第一纤芯和第二纤芯，所述第一圆空气孔位于所述纤芯区域的正中心，且所述第一圆孔气孔的内部完全填充向列项液晶材料；所述第一纤芯和所述第二纤芯分别位于所述第一圆空气孔的左右两侧，且所述第一纤芯和所述第二纤芯与所述第一圆空气孔之间的距离均为Λ；

所述包层区域包括多个第二圆空气孔、多个第三圆空气孔以及多个第四圆空气孔；以所述第一圆孔气孔为中心，所述第一纤芯、所述第二纤芯、所述多个第二圆空气孔、所述多个第三圆空气孔以及所述多个第四圆空气孔环绕所述第一圆孔气孔呈多层排布结构，且所述多层排布结构的每一层均为菱形结构。

进一步地，所述第一圆孔气孔、所述第二圆空气孔、所述第三圆空气孔以及所述第四圆空气孔的直径各不相同；且所述第一圆孔气孔、所述第二圆空气孔、所述第四圆空气孔以及所述第三圆空气孔的直径依次减小。

进一步地，所述第二圆空气孔和所述第三圆空气孔环绕所述纤芯区域分布；所述第四圆空气孔分布在所述第二圆空气孔和所述第三圆空气孔的外侧。

进一步地，所述第二圆空气孔的数量为10个，均匀分布在所述纤芯区域的上下两侧，每侧各分布5个；所述第三圆空气孔的数量为2个，均匀分布在所述纤芯区域的左右两侧，每侧各分布1个；所述第四圆空气孔的数量为46个。

进一步地，所述菱形结构为以正中心为旋转点旋转了45°的正方形结构。

进一步地，所述多层排布结构的最内层为由所述第一纤芯、所述第二纤芯以及所述第二圆空气孔组成的菱形结构；按照由内向外的方向，所述多层排布结构的第二层为由所述第二圆空气孔、所述第三圆空气孔以及所述第四圆空气孔组成的菱形结构；第三层为由所述第二圆空气孔和所述第四圆空气孔组成的菱形结构；其余各层均为由所述第四圆空气孔组成的菱形结构。

进一步地，相邻第二圆空气孔之间的距离均为Λ；所述第三圆空气孔与相邻的第一纤芯或第二纤芯之间的距离均为Λ；所述第四圆空气孔与相邻的第二圆空气孔或第三圆空气孔之间的距离均为Λ；相邻第四圆空气孔之间的距离均Λ。

进一步地，所述第一纤芯和第二纤芯均为填充二氧化硅基底材料的实芯。

进一步地，Λ的取值范围为1.9～2.3μm。

进一步地，所述第一圆孔气孔的直径的取值范围为0.6～1.0μm；所述第二圆孔气孔的直径的取值范围为1.0～1.4μm，所述第三圆孔气孔的直径的取值范围为1.9～2.4μm，所述第四圆孔气孔的直径的取值范围为1.2～1.6μm。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

1、本发明提供的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器具有简单的结构，因此可以采用技术已经十分成熟的堆积法进行光纤预制棒的制备，并采用双光子激光直写技术填充液晶，制备过程简单，成本可控。

2、本发明提供的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器通过填充液晶，增加了结构的双折射效应，比全空气孔型的光子晶体光纤偏振分束器的长度更短，仅有67μm，消光比在1550nm波长处可达63.4dB。

3、本发明提供的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器的通信波长范围为1460～1617nm，带宽为157nm，覆盖了光通信常用的S、C和大部分L波段。

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是本发明实施例提供的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器的横截面示意图；

图2是本发明实施例提供的空气孔填充液晶的菱形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是本发明实施例提供的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器在X偏振方向和Y偏振方向上的耦合长度以及两者的比值随波长变化的关系图；

图4是本发明实施例提供的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器的归一化输出功率随传播距离变化的关系图；

图5是本发明实施例提供的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器在长度为67μm时的消光比随波长变化的关系图。

附图标记说明：

1、第一圆空气孔；

A、第一纤芯；

B、第二纤芯；

2、第二圆空气孔；

3、第三圆空气孔；

4、第四圆空气孔；

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空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，如图1所示，该空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器包括纤芯区域和包层区域；其中，所述包层区域位于所述纤芯区域的外侧，所述纤芯区域和所述包层区域均填充有二氧化硅基底材料5。

所述纤芯区域包括第一圆孔气孔1、第一纤芯A和第二纤芯B，所述第一圆空气孔1位于所述纤芯区域的正中心，其直径为d₁，且所述第一圆孔气孔1的内部完全填充了向列项液晶材料；所述第一纤芯A和所述第二纤芯B分别位于所述第一圆空气孔1的左右两侧，且所述第一纤芯A和所述第二纤芯B与所述第一圆空气孔1之间的距离相等，均为Λ。其中，所述第一纤芯A和所述第二纤芯B均为填充二氧化硅基底材料5的实芯。

所述包层区域包括多个第二圆空气孔2、多个第三圆空气孔3以及多个第四圆空气孔4；以所述第一圆孔气孔1为中心，所述第一纤芯A、第二纤芯B、多个第二圆空气孔2、多个第三圆空气孔3以及多个第四圆空气孔4环绕所述第一圆孔气孔1呈多层排布结构，且所述多层排布结构的每一层均为菱形结构。

其中，第一圆孔气孔1的直径d₁、第二圆空气孔2的直径d₂、第三圆空气孔3的直径d₃以及第四圆空气孔4的直径d₄各不相同；且d₁<d₂<d₄<d₃。

所述第二圆空气孔2和所述第三圆空气孔3环绕所述纤芯区域分布；所述第四圆空气孔4分布在所述第二圆空气孔2和所述第三圆空气孔3的外侧。其中，所述第二圆空气孔2的数量为10个，均匀分布在所述纤芯区域的上下两侧，每侧各分布5个；所述第三圆空气孔3的数量为2个，均匀分布在所述纤芯区域的左右两侧，每侧各分布1个；所述第四圆空气孔4的数量为46个。

具体地，所述菱形结构为以正中心为旋转点旋转了45°的正方形结构。该菱形结构的四条边长均相等。所述多层排布结构的最内层为由第一纤芯A、第二纤芯B以及第二圆空气孔2组成的菱形结构；按照由内向外的方向，所述多层排布结构的第二层为由第二圆空气孔2、第三圆空气孔3以及第四圆空气孔4组成的菱形结构；第三层为由第二圆空气孔2和第四圆空气孔4组成的菱形结构；其余各层均为由第四圆空气孔4组成的菱形结构。

具体地，相邻第二圆空气孔2之间的距离均为Λ；第三圆空气孔3与相邻的第一纤芯A或第二纤芯B之间的距离均为Λ；第四圆空气孔4与相邻的第二圆空气孔2或第三圆空气孔3之间的距离均为Λ；相邻第四圆空气孔4之间的距离均Λ，Λ的取值范围为1.9～2.3μm。进一步地，d₁的取值范围为0.6～1.0μm；d₂的取值范围为1.0～1.4μm，d₃的取值范围为1.9～2.4μm，d₄的取值范围为1.2～1.6μm。上述尺寸均为标准尺寸，且尺寸的范围均处于容易制作的尺寸范围内。

本实施例中的第一纤芯A和第二纤芯B均为填充二氧化硅基底材料5的实芯，且第一圆空气孔1填充了各向异性的向列项液晶材料，该材料的折射率高于二氧化硅的折射率，因此，纤芯区域的折射率高于包层区域的折射率，该双芯光子晶体光纤偏振分束器遵循全内反射型传输模式。

第一圆空气孔1的设立形成了第一纤芯A和第二纤芯B两个限制并传输光的路径。第二圆空气孔2和第三圆空气孔3具有不同的直径，使该双芯光子晶体光纤的结构具有非对称性以获取较好的双折射效果。此外，由于第一圆空气孔1中填充的向列项液晶材料在常温情况下为各向异性，其折射率分为寻常折射率n_o和非寻常折射率n_e，且n_o不等于n_e。因此，液晶材料的填充进一步增大了该光纤的双折射效应，便于光信号的传输与偏振态的分离。

下面，以第一圆空气孔1的直径d₁为0.93μm，第二圆空气孔2的直径d₂为1.3μm，第三圆空气孔3的直径d₃为2.4μm，第四圆空气孔4的直径d₄为1.5μm，孔间距Λ为2.0μm为例，对本实施例的分束器的性能进行说明。

如图2所示，光纤中的四个超模的有效折射率实部均随着波长的增加而减小。其中，X方向两个超模的有效折射率减小的幅度要小于Y方向两个超模的有效折射率减小的幅度。并且随着波长的增加，奇模和偶模在两个偏振方向上的折射率差逐渐增大，这表明光纤的双折射效果随着波长的增加而逐渐增强。

由于光纤中X方向上以及Y方向上的奇模和偶模的传播常数不同，折射率不同，因此光能会周期性地从一个纤芯转移到另一个纤芯中。耦合长度就是用来描述一束偏振光在两个纤芯中实现完全转移所需要的传输长度。而耦合长度比则用来表示两个偏振方向上耦合长度的比值。一般认为，当耦合长度比最接近0.5或者2时，偏振分束器的器件长度等于某个方向上的耦合长度，此时，器件的长度可以达到一个较短的水平。

如图3所示，X方向上的耦合长度随着波长的增加而减少，Y方向上的耦合长度随着波长的增加呈现先缓慢增加后大幅度减少的趋势。由于本实施例采用的耦合长度比是Y方向的耦合长度比X方向的耦合长度，因此，在两个偏振方向上耦合长度的共同影响下，耦合长度比随着波长的增加表现出先缓慢增加后基本保持稳定的趋势，耦合长度比的值则在1550nm波长处最接近2。

如图4所示，X和Y两个方向偏振光的归一化功率随着传输长度的增加在两个纤芯中呈周期性的变化。当传输长度为67μm时，X偏振光的归一化功率在一个芯中达到最大值，而Y偏振光的归一化功率在另一个芯中达到最大值，此时，这两束偏振光可以被完全分离。

为了衡量两个方向上的偏振光的分离程度，消光比可作为一项重要的分析参数。消光比主要是用来比较X偏振光与Y偏振光在某个输出端口上的功率，当消光比的值为20dB时，就代表其中一个方向上偏振光的输出功率是另一个偏振方向上输出功率的100倍，因此，一般认为，当消光比大于20dB时，偏振分束器对偏振光的分离效果较好。

如图5所示，本实施例的分束器的消光比随着波长的增大呈现先增加后减小的趋势，消光比的值在1550nm波长处达到最大，为64dB，消光比的值在波长1460～1617nm范围内均大于20dB，使得本实施例的分束器的带宽达到了157nm，覆盖了光通信常用的S、C和大部分L波段。

综上，本实施例提供的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器具有简单易于制备的结构，并通过向中心空气孔填充各向异性的液晶材料增强了器件的分束效果，使器件长度达到了67μm,最高消光比达到了64dB，带宽达到了157nm，克服了传统分束器长度较长、消光比较低和带宽较窄的缺点。

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)

1.一种空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器包括纤芯区域和包层区域；其中，所述包层区域位于所述纤芯区域的外侧，所述纤芯区域和所述包层区域均填充有二氧化硅基底材料；

所述纤芯区域包括第一圆孔气孔、第一纤芯和第二纤芯，所述第一圆空气孔位于所述纤芯区域的正中心，且所述第一圆孔气孔的内部完全填充向列项液晶材料；所述第一纤芯和所述第二纤芯分别位于所述第一圆空气孔的左右两侧，且所述第一纤芯和所述第二纤芯与所述第一圆空气孔之间的距离均为Λ；

所述包层区域包括多个第二圆空气孔、多个第三圆空气孔以及多个第四圆空气孔；以所述第一圆孔气孔为中心，所述第一纤芯、所述第二纤芯、所述多个第二圆空气孔、所述多个第三圆空气孔以及所述多个第四圆空气孔环绕所述第一圆孔气孔呈多层排布结构，且所述多层排布结构的每一层均为菱形结构。

2.如权利要求1所述的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第一圆孔气孔、所述第二圆空气孔、所述第三圆空气孔以及所述第四圆空气孔的直径各不相同；且所述第一圆孔气孔、所述第二圆空气孔、所述第四圆空气孔以及所述第三圆空气孔的直径依次减小。

3.如权利要求2所述的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第二圆空气孔和所述第三圆空气孔环绕所述纤芯区域分布；所述第四圆空气孔分布在所述第二圆空气孔和所述第三圆空气孔的外侧。

4.如权利要求3所述的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第二圆空气孔的数量为10个，均匀分布在所述纤芯区域的上下两侧，每侧各分布5个；所述第三圆空气孔的数量为2个，均匀分布在所述纤芯区域的左右两侧，每侧各分布1个；所述第四圆空气孔的数量为46个。

5.如权利要求4所述的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述菱形结构为以正中心为旋转点旋转了45°的正方形结构。

6.如权利要求5所述的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述多层排布结构的最内层为由所述第一纤芯、所述第二纤芯以及所述第二圆空气孔组成的菱形结构；按照由内向外的方向，所述多层排布结构的第二层为由所述第二圆空气孔、所述第三圆空气孔以及所述第四圆空气孔组成的菱形结构；第三层为由所述第二圆空气孔和所述第四圆空气孔组成的菱形结构；其余各层均为由所述第四圆空气孔组成的菱形结构。

7.如权利要求1所述的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，相邻第二圆空气孔之间的距离均为Λ；所述第三圆空气孔与相邻的第一纤芯或第二纤芯之间的距离均为Λ；所述第四圆空气孔与相邻的第二圆空气孔或第三圆空气孔之间的距离均为Λ；相邻第四圆空气孔之间的距离均Λ。

8.如权利要求1所述的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第一纤芯和第二纤芯均为填充二氧化硅基底材料的实芯。

9.如权利要求7所述的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，Λ的取值范围为1.9～2.3μm。

10.如权利要求1所述的空气孔填充液晶的菱形双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述第一圆孔气孔的直径的取值范围为0.6～1.0μm；所述第二圆孔气孔的直径的取值范围为1.0～1.4μm，所述第三圆孔气孔的直径的取值范围为1.9～2.4μm，所述第四圆孔气孔的直径的取值范围为1.2～1.6μm。

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