CN1170177C - 双芯光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
双芯光子晶体光纤，属于光纤通信和光学信号处理领域，尤其涉及具有偏振分裂功能的双芯光子晶体光纤的光子器件设计领域。本发明公开的双芯光子晶体光纤，其包层是由规则网格结点上的孔结构形成低折射率区域，光纤芯区是由规则网格结点上的孔的缺失形成的两个高折射率芯区，其特征在于：在光纤横截面的两个正交偏振方向上所述两芯区附近的孔的大小是不同的，或每个芯区在光纤横截面的两个正交偏振方向上的孔的缺失是不对称的，或芯区附近的孔的中心位置是偏移网格结点的，或两芯区附近的孔中是充有极性材料的。本发明所述的双芯光子晶体光纤能够在每个芯区产生高的双折射，使得两种偏振光耦合长度差别很大，可在短距离内实现偏振分裂功能。
Description
技术领域
双芯光子晶体光纤，属于光纤通信和光学信号处理领域，尤其涉及具有偏振分裂功能的双芯光子晶体光纤的光子器件设计领域。
背景技术
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber)又被称为微结构光纤或多孔光纤，是一种近年来引起广泛关注的新型光纤，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常这类光纤的包层区含有不同排列形式的贯穿整根光纤的孔，这些孔的尺度与光波波长大致在同一量级，光波可以被限制在其芯区传播。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。芯区附近孔的排列方式能够极大地影响这种光纤的模式性质，二维排列的孔使模式性质的调整具有更大的自由度，为了实现诸如色散补偿、偏振保持、提高非线性和减小非线性等目的，很多种单芯光子晶体光纤相继被报道。例如，采用直径小而间距大的气孔排列可以实现大的模式场面积，提高传输能量，减小非线性。
用作方向耦合器的两芯完全相同的双芯光子晶体光纤在外国文献F.Fogli，L.Saccomandi，P.Bassi，G.Bellanca，and S.Trillo，“Full vectorial BPM modeling of index-guidingphotonic crystal fibers and couplers，”Opt.Expr.10(1)，54-59(2002)和B.J.Mangan，J.C.Knight，T.A.Birks，P.St.J.Russell，and A.H.Greenaway，“Experimental study of dual-corephotonic crystal fibre，”Electronics Letters 36(16)，1358-1359(2000)两篇文章中进行了报道。当光入射到一个纤芯后，经过一定的传输距离，几乎全部被耦合到另一个纤芯。这类光子晶体光纤的两个芯区均不带有明显的双折射性质，那么两种偏振态：X偏振态和Y偏振态在这类光纤中的传输性质几乎相同，也就是意味着X偏振态和Y偏振态同步地在这种光纤的双芯间来回耦合。
偏振分裂器是一种重要的光学器件，它在光通信和光信号检测和处理等很多领域都有重要的应用。作为一种实现偏振分裂的机理，带有双折射的双芯波导可以使其内光信号的两种偏振态具有不同的耦合长度，当波导长度是其中一种偏振态耦合长度的奇数倍，同时又等于另一种偏振态耦合长度的偶数倍时，两种偏振态刚好分别处于波导的两个芯区，从而实现偏振分裂。但是基于这种原理的偏振分裂器一般较长，而且绝大部分器件不是光纤型器件，在实际应用中，它们与光纤链路的接口处可能会引入更大的插入损耗。
发明内容
本发明的目的就是要提供具有在短距离内实现偏振分裂功能的双芯光子晶体光纤。
本发明公开了一种双芯光子晶体光纤，所述光纤的包层是由规则网格结点上的孔结构形成低折射率区域，光纤芯区是由规则网格结点上的孔的缺失形成的两个高折射率芯区，其特征在于：在光纤横截面的两个正交偏振方向上所述两芯区附近的孔的大小是不同的，或每个芯区在光纤横截面的两个正交偏振方向上的孔的缺失是不对称的，或芯区附近的孔的中心位置是偏移网格结点的，或两芯区附近的孔中是充有向列型液晶的。
作为本发明的提供一种双芯光子晶体光纤，所述光纤的孔的中心位于正六边形网格的结点上，在光纤横截面上两个芯区附近X偏振方向上的孔是大于Y偏振方向上的孔。
作为本发明的提供另一种双芯光子晶体光纤，所述光纤的孔的中心位于正六边形网格的结点上，每个所述芯区是中心位于正六边形网格结点上的孔在X、Y两偏振方向上的不对称缺失形成的；在光纤横截面上，两个芯区附近X偏振方向上的孔是大于Y偏振方向上的孔，并且在X偏振方向上的贴近两个芯区的外侧孔的中心位置偏离正六边形网格的结点，在X偏振方向上靠近光纤中心。
作为上述光纤的进一步改进，上述的每个所述的芯区是由中心位于正六边形网格结点上的孔分别在X偏振方向缺失一个，Y偏振方向缺失两个形成的。
作为本发明的提供另一种双芯光子晶体光纤，所述双芯光子晶体光纤的孔的中心位于正六边形网格的结点上，每个所述芯区是中心位于正六边形网格结点上的孔在X、Y两偏振方向上的不对称缺失形成的，两个芯区附近的孔中是充有向列型液晶的。
作为上述光纤的进一步改进，上述的每个芯区是由中心位于正六边形网格结点上的孔分别在X偏振方向缺失一个，Y偏振方向缺失两个形成的。
作为本发明的提供另一种双芯光子晶体光纤，所述双芯光子晶体光纤的孔的中心位于正四边形网格的结点上，每个所述芯区是中心位于正四边形网格结点上的孔在X、Y两偏振方向上的不对称缺失形成的。
作为上述光纤的进一步改进，上述的每个芯区是由中心位于正四边形网格结点上的孔分别在X偏振方向缺失一个，Y偏振方向缺失两个形成的。
作为上述光纤的进一步改进，在所述两个芯区附近的孔中充有向列型液晶。
本发明采用具有高折射率芯区的光子晶体光纤，将高双折射引入到光纤的对称双芯结构中，使X偏振态和Y偏振态在这类光纤中的传输性质明显不同，两者的耦合距离差别很大，这样传输一段距离时，X偏振态和Y偏振态的主要能量将刚好分别到达光纤的两个纤芯，即实现了偏振分裂功能。
本发明所述的双芯光子晶体光纤能够在每个芯区产生高的双折射，使得两种偏振光耦合长度差别很大，可在短距离内实现偏振分裂功能。
本发明所述的双芯光子晶体光纤作为偏振分裂器的核心部分可极大地缩短器件长度；同时，光纤型器件具有更小的插入损耗，也适应了全光纤通信网的理念，提高了网络性能。
附图说明
图1为本发明第一实施例的光纤横截面示意图。
图2为图1所示的光纤芯区中输出光的归一化强度曲线。
图3为本发明第二实施例的光纤横截面示意图。
图4为本发明第三实施例的光纤横截面示意图。
图5为本发明第四实施例的光纤横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体描述本发明的工作原理及此类光纤的各种实施例。
双芯光子晶体光纤的制造方法是现有技术，而且和拉制普通光纤的技术基本类似。即首先将氧化硅预制棒磨成六角形状，并将中心掏空，然后拉成外径约1mm的空心毛细管，再将空心毛细管或实心毛细棒按设计的布局排列在一起，采用合适的拉丝条件，则可不会令毛细管塌陷。通过调整毛细管和毛细棒的直径以及毛细管的壁厚来实现不同截面结构的光子晶体光纤。
图1所示为本发明第一实施例的光纤横截面示意图，双芯光子晶体光纤的基底材料1通常采用氧化硅，光纤的孔的中心位于正六边形网格的结点上，各个节点的间距为2μm，外围孔2直径为1μm。在光纤横截面上两个芯区3、4附近的X偏振方向上的孔6是大于Y偏振方向上的孔5，大孔6直径为2.4μm，小孔5直径为0.3μm。大孔6和小孔5的组合使得每个光纤芯区产生高的双折射，因此所述光纤可在短距离内实现偏振分裂功能。
当波长为1.55μm的光入射时，光纤芯区3的输出光的归一化强度曲线如图2所示，其中曲线25表示X偏振光在芯3中的光强的归一化数值，曲线26表示Y偏振光在芯3中的光强的归一化数值。当波长为1.55μm的光传输距离为1.715mm时，X偏振态的大部分能量集中在芯区3，而Y偏振态的大部分能量集中在芯区4，它们的消光比分别为-12.32dB和-11.31dB，从而在很短的距离内实现了偏振分裂功能。在本发明第一实施例中，双芯光子晶体光纤在长度为1.715mm的距离内就可实现所述入射光的偏振分裂。
图3所示为本发明第二实施例的光纤横截面示意图，所述双芯光子晶体光纤的孔的中心位于正六边形网格的结点上，各个节点的间距为2μm。所述光纤具有两个芯区9、10，每个芯区是由中心位于正六边形网格结点上的孔分别在X偏振方向缺失一个，Y偏振方向缺失两个形成的。在光纤横截面上，两个芯区附近X偏振方向上的孔8是大于Y偏振方向上的孔7，所述的大孔直径为1.7μm，Y偏振方向上的孔的直径为0.7μm。在X偏振方向上的贴近两个芯区的外侧孔的中心位置偏离正六边形网格的结点，在X偏振方向上靠近光纤中心，本例中，孔8和孔11向光纤中心位移0.3μm，对芯区形成了更大挤压。由于上述结构，所述光纤能够在每个芯区产生高的双折射，使得两种偏振光耦合长度差别很大，可在短距离内实现偏振分裂功能。
图4所示为本发明第三实施例的光纤横截面示意图，双芯光子晶体光纤的孔的中心位于正六边形网格的结点上，各个结点的间距为1.5μm，所有孔直径均为1.2μm。所述光纤具有两个非圆对称的芯区17、18，每个芯区是由中心位于正六边形网格结点上的孔分别在X偏振方向缺失一个，Y偏振方向缺失两个形成的。这样，在芯区传输的光在两芯连心线方向，即X偏振方向上受到较大的挤压。两个芯区附近的孔16中是充有极性材料的，如向列型液晶。对极性材料施加两芯连心线方向，即X偏振方向的电场作用帮助增强双折射。由于上述结构特征，所述双芯光子晶体光纤能够在每个芯区产生高的双折射，使得两种偏振光耦合长度差别很大，可在短距离内实现偏振分裂功能。
四方形格子结构也可以形成高双折射的对称芯区，改变两个芯区附近的孔的大小和位置，以及在芯区附近的孔中填充极性材料的方法同样可使光纤实现偏振分裂功能。每个芯区在光纤横截面的两个正交偏振方向上的孔缺失的不对称性亦可使光纤实现偏振分裂功能。
例如，图5中光纤的孔的中心位于正四边形网格的结点上，各个节点的间距为1.5μm。除孔23和孔24外，其它所有孔的直径均为1.15μm，孔23和孔24的直径为0.45μm。所述光纤具有两个芯区21、22，每个芯区是由中心位于正四边形网格结点上的孔分别在X偏振方向缺失1个，Y偏振方向缺失3个形成的。孔缺失的在两个偏振方向上的不对称性使在芯区传输的光在两芯连心线方向，即X偏振方向受到较大的挤压。由于上述结构，所述双芯光子晶体光纤能够在每个芯区产生高的双折射，使得两种偏振光耦合长度差别很大，可在短距离内实现偏振分裂功能。减小孔23和孔24的直径有利于加速光在两个芯区间传递能量。
本发明提及的双芯光子晶体光纤可以作为光纤型在线偏振分裂器的核心部分。光纤型器件可以更直接地接入其所在的光纤链路，有利于减小插入损耗。
Claims (9)
1.双芯光子晶体光纤，所述光纤的包层是由规则网格结点上的孔结构形成低折射率区域，光纤芯区是由规则网格结点上的孔的缺失形成的两个高折射率芯区，其特征在于：在光纤横截面的两个正交偏振方向上所述两芯区附近的孔的大小是不同的，或每个芯区在光纤横截面的两个正交偏振方向上的孔的缺失是不对称的，或芯区附近的孔的中心位置是偏移网格结点的，或两芯区附近的孔中是充有向列型液晶的。
2.根据权利要求1所述的双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述双芯光子晶体光纤的孔的中心位于正六边形网格的结点上，在光纤横截面上两个芯区附近X偏振方向上的孔是大于Y偏振方向上的孔。
3.根据权利要求1所述的双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述双芯光子晶体光纤的孔的中心位于正六边形网格的结点上，每个所述芯区是中心位于正六边形网格结点上的孔在X、Y两偏振方向上的不对称缺失形成的；在光纤横截面上，两个芯区附近X偏振方向上的孔是大于Y偏振方向上的孔，并且在X偏振方向上的贴近两个芯区的外侧孔的中心位置偏离正六边形网格的结点，在X偏振方向上靠近光纤中心。
4.根据权利要求3所述的双芯光子晶体光纤，其特征在于：每个所述的芯区是由中心位于正六边形网格结点上的孔分别在X偏振方向缺失一个，Y偏振方向缺失两个形成的。
5.根据权利要求1所述的双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述双芯光子晶体光纤的孔的中心位于正六边形网格的结点上，每个所述芯区是中心位于正六边形网格结点上的孔在X、Y两偏振方向上的不对称缺失形成的，两个芯区附近的孔中是充有向列型液晶的。
6.根据权利要求5所述的双芯光子晶体光纤，其特征在于：每个所述的芯区是由中心位于正六边形网格结点上的孔分别在X偏振方向缺失一个，Y偏振方向缺失两个形成的。
7.根据权利要求1所述的双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述双芯光子晶体光纤的孔的中心位于正四边形网格的结点上，每个所述芯区是中心位于正四边形网格结点上的孔在X、Y两偏振方向上的不对称缺失形成的。
8.根据权利要求7所述的双芯光子晶体光纤，其特征在于：每个所述的芯区是由中心位于正四边形网格结点上的孔分别在X偏振方向缺失一个，Y偏振方向缺失两个形成的。
9.根据权利要求7或8所述的双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述两个芯区附近的孔中是充有向列型液晶的。
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