CN117813533A - 用于耦合空芯光纤并包括耦合元件的耦合装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于耦合光纤的装置(D)，包括：‑第一耦合受抑制的空芯光纤(FO1)，包括第一微结构化包层(SCF1)，所述第一微结构化包层(SCF1)包括多个第一限制管状特征(MCF1)，所述多个第一限制管状特征分布成环并且至少部分地包围第一芯(C1)，以便至少将波长λop的辐射限制于所述第一芯；‑第二耦合受抑制的空芯光纤(FO2)，包括第二微结构化包层(SCF2)，所述第二微结构化包层(SCF2)包括多个第二限制管状特征(MCF2)，所述多个第二限制管状特征分布成环并且至少部分地包围第二芯(C2)，以便将所述光辐射限制于所述第二芯；‑耦合元件(SCP)，布置在所述第一芯和所述第二芯之间，所述耦合元件包括至少一个耦合管状特征(MCP、MCP1、MCP2、MTa)，所述至少一个耦合管状特征(MCP、MCP1、MCP2、MTa)至少部分地包括在所述第一微结构化包层和/或所述第二微结构化包层中，并具有被称为耦合厚度的壁厚度tcp和被称为耦合折射率的材料折射率ncp，所述耦合元件的布置、所述耦合厚度tcp以及所述耦合折射率np被配置为在所述波长λop处产生泄漏通道，所述泄漏通道允许由所述第一光纤引导的辐射耦合到所述第二光纤和/或由所述第二光纤引导的辐射耦合到所述第一光纤。
Description
技术领域
本发明涉及微结构化的耦合受抑制的空芯光纤，并且更具体地，涉及用于空芯光纤的耦合器。
背景技术
光纤耦合器的目的是以最小的光学损耗将在一根光纤的芯中引导的辐射传输到另一根光纤的芯。已知通过并置两根光纤并通过各种技术(例如，抛光)将两根光纤的芯靠近一起来制作耦合器。因此，两根光纤的光学包层重叠，并且通过第一光纤传播的一些光传播到第二光纤中。制作耦合器最常见的方法是熔化每根光纤的抛光侧向截面。
微结构化空芯光纤可分为两个主要种类：HC-PCF-PBG光纤(HC-PCF-BG代表空芯(Hollow-Core)、光子晶体光纤(Photonic-Crystal-Fiber)、光子带隙(PhotonicBandGap))和HC-PCF-IC光纤(HC-PCF-IC代表空芯(Hollow-Core)、光子晶体光纤(Photonic-Crystal-Fiber)、抑制耦合(Inhibited Coupling))。当用于陀螺仪中时，这些类型的光纤具有许多优点，特别是：它们具有低损耗，并且理论上可以将光从光纤的芯传输到微结构化包层的谐振元件，或者反之亦然，从谐振元件传输到引导芯。同样，这种类型的光纤表现出具有非常特定的方位角分布和偏振依赖性的来自其芯的光泄漏。然而，目前还没有性能与使用传统实心光纤的耦合器的性能相当的耦合器。
正在研究HC-PCF-PBG光纤耦合器(见Xu，Z.等，Design of single-polarizationcoupler based on dual-core photonic band-gap fiber implied in resonant fiberoptic gyro，Optics Communications，380，302-309，(2016))。然而，由于引导原则的原因，其生产极其复杂。具体而言，PCF-PBG光纤中的引导是由微结构化包层的结构的周期性所产生的光子带隙的存在而造成的。这里，引导发生在折射率n1低于包层的折射率的周期性缺陷(芯)中。HC-PCF-PBG光纤具有空的芯(空气的横截面，折射率n1＝1)。因此，引导不同于传统光纤或实芯PCF光纤的引导，在传统光纤或实芯PCF光纤中，光通过折射率为n1的芯和微结构化包层之间的全内反射而被在芯中引导并限制在芯中，微结构化包层具有低于n1的平均折射率n2eff。
因此，使用PCF-PBG光纤生产耦合器的前提是加工微结构化包层，以消除截面，而不会对包层的物理完整性或其光学特性产生不利影响。其目的是使芯处于感兴趣波长(～1微米)的数量级的距离，以使要耦合的两根空芯光纤的芯的两种模式的倏逝场重叠。具体而言，在不过度影响光纤的质量和PBG限制的情况下，很难修改微结构化包层的结构，以使两个芯足够靠近。
替代地，IC光纤是具有负曲率的芯壁的光纤，提供低衰减、保持偏振的能力、相对大尺寸的芯模式、芯模式和芯的二氧化硅壁之间非常小的空间重叠以及超过90％的耦合效率(参见Debord，B.等人，Hollow-Core Fiber Technology:The Rising of"GasPhotonics"。Fibers 2019，7，16。)。在HC-PCF-IC光纤中，由于芯模式和包层模式具有相同的有效折射率，因此在芯中传播的光理论上可以在包层中传播。然而，这些光纤中芯模式的限制和引导是基于芯模式和包层模式的耦合之间的抑制，这种抑制是通过微结构化包层的结构和芯的轮廓的结构获得的。换言之，芯模式的电场|φcore>和包层模式的电场|φcladding>之间的标量积非常小。描述这两种模式之间的耦合的术语可以通过在场|φcore>和|φcladding>之间实现小的空间交叉而被降低，或者通过在芯和包层模式的横向空间相位之间实现大的偏移而被降低。由于这种限制仅存在于某些波长范围内，因此在折射率色散曲线中以及因此在传输曲线中观察到了不连续性。
图1A示出了对于现有技术中已知并且在图1B中示出的典型HC-PCF-IC光纤的传播损耗作为波长的函数的曲线。这种光纤被称为具有HC-PCF-IC-SR-TL结构，因为微结构化包层GMS包括多个管状特征(TL代表管状晶格)，这些管状特征典型地由二氧化硅制成，围绕空的芯C布置成单个环(SR代表单个环)。在所示的示例中，管状特征的壁厚度等于2μm。如上所述，在图1A中可以看到传播损耗曲线中的不连续性。可以看出，包括在范围Zcf中的波长具有非常低的损耗，这是因为在场|φcore>和|φcladding>之间存在小的空间交叉，或者在芯和包层模式的横向空间相位之间存在大的偏移。因此，包括在该范围Zcf中的波长可以在芯C内被引导长的距离。图1A的曲线示出了可以由图1B的光纤引导的波长λ0的一个示例。相反，包括在范围Zcp中的波长具有高得多的损耗，因为在包层模式和芯模式之间存在实质性的耦合，并且因此它们不能被有效地引导。
已知具有这种类型的微结构化包层的光纤具有特定的泄漏场，该泄漏场取决于微结构化包层的结构。耦合两根HC-PCF-IC光纤需要使它们足够靠近一起，并且需要调节它们各自的方位角取向，使得光纤的泄漏场在耦合器中重叠。更精确地说，耦合机制是基于从一根光纤“到”另一根光纤的泄漏，并且反之亦然。当制作耦合器时，操作波长的选择是泄漏场的强度(并且因此耦合效率)和传播损耗之间的折衷。
从文献CN108549128A中已知生产基于两根IC-HC光纤的耦合器，这两个芯被空截面分开。该空截面是通过抛光外部包层和微结构化包层而获得的。它形成主泄漏通道，当每根光纤的各自的泄漏通道之间存在重叠时，允许由一根光纤引导的辐射耦合到另一根光纤。然而，关键的是，该实施例要求芯之间的距离(或间隙距离)小于波长，以确保两根光纤的主泄漏通道之间有足够的重叠，并从而允许有效耦合。如果两个芯之间的距离太大，则通过调节两根光纤的方位角取向能够获得的泄漏场之间的最大重叠将大大减小，耦合效率也将大大减小。相反，获得尽可能最小的间隙距离需要对两根光纤的微结构化包层的大截面进行抛光，这有可能大大降低耦合器中光纤的性能。此外，间隙距离也受到包围微结构化包层的外部包层的限制。因此，在实践中，不可能将间隙距离减小到超过某个值。因此，该装置的耦合效率受到这些限制因素的限制。
本发明旨在通过IC-HC光纤耦合器克服现有技术中的某些上述问题，该IC-HC光纤耦合器具有布置在每根光纤的芯之间的耦合元件，该耦合元件具有被配置为产生泄漏通道的位置、材料和几何形状，该泄漏通道允许由一根光纤引导的辐射耦合到另一根光纤。
发明内容
为此，本发明的一个主题是一种用于耦合光纤的装置，包括：
-第一耦合受抑制的空芯光纤，包括第一微结构化包层，所述第一微结构化包层包括多个第一限制管状特征，所述多个第一限制管状特征分布成环并且至少部分地包围第一芯，以便至少将波长λop的辐射限制于所述第一芯，
-第二耦合受抑制的空芯光纤，包括第二微结构化包层，所述第二微结构化包层包括多个第二限制管状特征，所述多个第二限制管状特征分布成环并且至少部分地包围第二芯，以便将所述光辐射限制于所述第二芯，
-耦合元件，布置在所述第一芯和所述第二芯之间，所述耦合元件包括至少一个耦合管状特征，所述至少一个耦合管状特征至少部分地包括在所述第一微结构化包层和/或所述第二微结构化包层中，并具有被称为耦合厚度的壁厚度tcp和被称为耦合折射率的材料折射率ncp，
所述耦合元件的布置、所述耦合厚度tcp以及所述耦合折射率np被配置为以便在所述波长λop处产生泄漏通道，所述泄漏通道允许由所述第一光纤引导的辐射耦合到所述第二光纤和/或由所述第二光纤引导的辐射耦合到所述第一光纤。
根据本发明的一个实施例，每个耦合管状特征i∈[1,N]具有耦合厚度tcp,i和耦合折射率ncp,i，使得其中，/>
根据本发明的一个实施例，所述耦合管状特征布置为使得耦合管状特征的中心与相邻耦合管状特征之间的距离D12小于所述波长λop。
根据本发明的一个实施例，所述耦合元件至少包括第一耦合管状特征和第二耦合管状特征。优选地，在该实施例中，所述多个第一限制管状特征和所述多个第二限制管状特征分别部分地包围所述第一芯和所述第二芯，所述第一耦合管状特征布置在所述第一光纤内，面对所述第一芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段，所述第二耦合管状特征布置在所述第二光纤内，面对所述第二芯的未被所述多个第二限制管状特征包围的区段，所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征布置成彼此面对。
根据本发明的另一个实施例，所述多个第一限制管状特征和所述多个第二限制管状特征分别完全包围所述第一芯和所述第二芯，所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征分别嵌套在所述第一限制管状特征和所述第二限制管状特征之一中，并且所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征布置成彼此面对。
根据本发明的另一个实施例，所述第一耦合管状特征布置在所述第一光纤内，面对所述第一芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段，并且，所述多个第二限制管状特征完全包围所述第二芯，所述第二耦合管状特征嵌套在所述第二限制管状特征之一中，并布置成与所述第一耦合管状特征相对。
根据本发明的一个实施例，所述耦合元件包括形成所述耦合管状特征之一的至少一个附加管状特征，所述至少一个附加管状特征布置在所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征之间。
根据本发明的另一个实施例，所述耦合元件包括单个耦合管状特征。优选地，在该实施例中，所述耦合管状特征布置成面对所述第一芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段并面对所述第二芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段，所述管状特征基本上放置在所述区段之间。替代地，所述多个第一限制管状特征完全包围所述第一芯，并且所述多个第二限制管状特征部分地包围所述第二芯，所述耦合管状特征布置在所述第二光纤内，面对所述第二芯的未被所述多个第二限制管状特征包围的区段，所述装置内的所述第一光纤和所述第二光纤的方位角取向被配置为使所述泄漏通道与所述第一微结构化包层的泄漏轮廓的重叠最大化。
根据本发明的一个实施例，一个或多个所述耦合厚度tcp以及一个或多个所述耦合折射率ncp被配置为使得通过激励与由所述第一光纤引导的所述辐射的空间模式不同的空间模式，将所述辐射从所述第一光纤引导到所述第二光纤。
附图说明
通过阅读参考附图给出的描述，本发明的其他特征、细节和优点将变得显而易见，附图是通过示例给出的，并且分别示出：
图1A是对于现有技术中已知并如图1B中所示的典型HC-PCF-IC光纤的传播损耗作为波长的函数的曲线；
图2是用于根据本发明的抑制耦合的空芯光纤的耦合装置；
图3是本发明第一变体的一个实施例；
图4A是允许更好地说明本发明的光纤内的耦合元件SCP(更精确地说，限制管状特征)的效果的图形表示；
图4B是图3的实施例的光纤的坡印廷矢量的径向场；
图5A和图5B分别是根据本发明的第一变体的一个实施例的装置D的横向视图和俯视图；
图6是本发明的实施例，其中限制特征分别包围第一和第二芯；
图7是根据本发明的一个实施例的装置；
图8是根据本发明的一个实施例的装置。
对图的引用，当它们相同时，对应于相同的元件。
在图中，除非另有说明，否则元件不成比例。
具体实施方式
图2示意性地示出了根据本发明的用于受抑耦合空芯(IC-HC)光纤的耦合装置D。该装置D包括第一IC-HC光纤FO1。该第一光纤FO1具有第一微结构化包层SCF1，第一微结构化包层SCF1包括多个第一限制管状特征MCF1(例如，图2中未示出，但图3中可见)。第一特征MCF1分布成至少部分地包围光纤FO1的芯(称为第一芯C1)的环，以便至少将波长λop的辐射限制于第一芯。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，特征可以分布成单个环或多个同心环。
同样，该装置包括第二IC-HC光纤FO2，该光纤FO2包括第二微结构化包层SCF2。该第二微结构化包层包括多个第二限制管状特征MCF2，多个第二限制管状特征MCF2分布成环并至少部分地包围光纤FO2的芯C2(称为第二芯)，以便将波长λop的光辐射限制于第二芯。
光纤FO1、FO2分别包括第一和第二外包层GE1、GE2，第一和第二外包层GE1、GE2包围并保护微结构化包层SCF1、SCF2。
以本身已知的方式，为了将λop的辐射限制于第一和第二芯C1、C2，第一和第二限制管状特征MCF1、MCF2分别具有：第一和第二厚度，称为限制厚度tcf1、tcf2；以及第一和第二折射率，称为限制折射率ncf1、ncf2，使得：其中/>优选地，第一限制特征具有相同的第一壁厚度tcf,2，以便使传输损耗最小化。同样地，第二限制特征具有相同的壁厚度tcf,2，以便使传输损耗最小化。作为非限制性示例，对于由二氧化硅构成的限制特征，对于λop＝1550nm，tcf∈[843nm，1181nm]，或tcf∈[1610nm，1968nm]或者实际上tcf∈[2362nm，2725nm]。
限制管状特征MCF1、MCF2例如可以是圆柱形管或者实际上是嵌套结构的特征，即具有越来越小直径的各种同心管被放置在彼此内部。替代地，这些管状特征可以是：椭圆形的管，椭圆的主轴朝向光纤的中心径向取向；或者实际上本领域技术人员已知的任何形状。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，第一微结构化包层的结构和第二微结构化包层的结构可以相同，或者也可以不相同。
如上所述，已知通过抛光两根光纤的外部包层，从而对每根光纤获得抛光面来制作具有IC-HF光纤的耦合器。然后，通过使两根光纤靠近一起以使间隙距离小于波长，并且然后拼接两根光纤的两个抛光面来形成耦合器，其中耦合器中两根光纤的方位角取向被调节以使两根光纤的泄漏轮廓的重叠最大化。在这种特定情况下，为了确保辐射的最佳引导，微结构化包层的管状特征具有相同的壁厚度。泄漏轮廓的重叠使得即使受到间隙距离的限制也能够确保获得良好的耦合效率。
本发明与现有技术的不同之处在于，两根光纤之间的耦合是通过耦合元件SCP实现的，耦合元件SCP与在第一芯C1中在波长λop处引导的模式和/或在第二芯C2中在波长λop处引导的模式谐振。如下面解释的，该耦合元件使得能够产生从第一芯C1到第二芯C2和/或从第二芯C2到第一芯C1的泄漏通道。该耦合元件使得能够在不引入过高的传输损耗的情况下获得高的耦合效率。具体地说，使用这种耦合元件使得能够确保获得高的耦合和引导效率，同时避免了像现有技术中那样抛光两根光纤的微结构化包层的大截面以使芯更靠近一起并使泄漏轮廓的重叠最大化的需要，现有技术中的这一步骤可能大大降低光纤的性能。
耦合元件SCP布置在第一和第二芯之间，并且包括至少一个耦合管状特征MCP。作为非限制性示例，图2中所示的装置D包括单个耦合管状特征MCP。替代地，根据另一个实施例，耦合元件SCP包括多个耦合管状特征，后者优选地在连接芯C1、C2的轴上对准。特征的对准使得能够获得尽可能小的距离，以优化耦合(例如，见图3或5A)。耦合管状特征中的至少一者至少部分地包括在第一微结构化包层SCF1和/或第二微结构化包层SCF2中。更确切地说，根据第一替代方案，至少一个耦合管状特征MCP至少部分地包括在第一包层SCF1中，以便产生从第一芯C1到第二芯C2的泄漏通道。然后获得从光纤FO1到光纤FO2的耦合器。根据第二替代方案，至少一个管状特征MCP至少部分地包括在第二包层SCF2中，以便产生从第二芯C2到第一芯C1的泄漏通道。然后获得从光纤FO2到光纤FO1的耦合器。根据第三替代方案，至少一个管状特征MCP至少部分地包括在第一和第二包层SCF1、SCF2中，以便产生从第一芯C1到第二芯C2以及从第二芯C2到第一芯C1的泄漏通道。然后获得从光纤FO2到FO1以及从光纤FO1到FO2的耦合器。
具体地，通过模拟和实验测试，发明人已经意识到，使用具有特定配置的壁厚度tcp(称为耦合厚度)、特定配置的材料折射率ntcp(称为耦合折射率)、以及耦合元件的特定配置的布置的耦合管状特征MCP使得可能通过该耦合元件在波长λop处产生泄漏通道，从而允许由第一光纤引导的辐射耦合到第二光纤和/或由第二光纤引导的辐射耦合到第一光纤。更精确地说，耦合管状特征MCP具有与第一和第二限制管状特征的限制厚度tcf1、tcf2不同的耦合厚度tcp，以便在第一和/或第二微结构化包层(单个或多个)SCF1、SCF2中产生对称性破坏。这种对称性破坏对通过耦合管状特征的辐射引起泄漏通道，并因此允许芯C1、C2的模式耦合到包层SCF1、SCF2。因此，该泄漏通道允许装置的两根光纤FO1、FO2之间的耦合。
发明人已经确定，为了产生这种泄漏通道，对于每个耦合管状特征i∈[1,N]都必须具有耦合厚度tcp,i和耦合折射率ncp,i，使得其中/>该条件使得耦合元件的有效折射率neff,cp基本上等于在波长λop处第一芯的有效折射率neff,c1和/或第二芯的有效折射率并从而使耦合元件与第一和/或第二芯(单个或多个)谐振成为可能。有利地，在芯C1和/或C2中引导的辐射的泄漏特别主要地通过耦合管状特征发生。因此，这允许在保持低传播损耗的同时获得良好的耦合效率。图4A更精确地示出了耦合元件SCP和耦合管状特征MCP对光纤FO1、FO2的传播损耗曲线的影响(见下文)。
耦合管状特征MCP的横截面的形状可以是圆形的或甚至椭圆形的，椭圆的主轴朝向光纤的中心径向取向，或者实际上可以使用本领域技术人员已知的用于HC-PCF-IC光纤的任何特征。在不脱离本发明的范围的情况下，耦合管状特征MCP可以具有与限制管状特征相同的形状或者具有不同的形状。
如上所述，为了获得良好的耦合效率，芯C1和C2之间的距离不必小于波长。然而，当耦合元件包括多个耦合管状特征MCP时，两个相邻的耦合管状特征之间的距离D12必须小于所述波长λop的100倍，优选小于10λop，更优选小于λop，以确保耦合效率足够高。例如，该距离D12例如在图3中示出。它被定义为两个相邻耦合管状特征的外部壁之间的最小距离。通过相邻特征MCP，这里所指的是两个管状特征，与其他管状特征相比，该两个管状特征的中心最接近。至关重要的是，可以在不抛光微结构化包层SCF1、SCF2的截面的情况下满足该条件，并且因此不会降低耦合器中光纤FO1、FO2的性能(例如，见图3或5A)。
如上所述，已知诸如光纤FO1、FO2的HC-PCF-IC光纤具有具有特定径向分布的泄漏场，该特定径向分布取决于微结构化包层SCF1、SCF2的确切结构。因此，在装置D内，光纤FO1、FO2具有各自的方位角取向，该方位角取向被配置为使得光纤的泄漏场有最大重叠，以便最大化耦合效率。
到目前为止，已经针对两根HC-PCF-IC光纤FO1、FO2描述了本发明的装置D，而没有精确地描述微结构化包层SCF1、SCF2的结构与耦合元件的一个或多个管状特征的结构之间的布置。图3至图9示出了各种实施例，将参考这些实施例更详细地描述这些结构。
在图3至图7所示的本发明的第一变体中，装置D的耦合元件SCP至少包括第一和第二耦合管状特征MCP1、MCP2。
图3示出了本发明第一变体的一个实施例，其中第一和第二微结构化包层MCF1、MCF2包括多个第一和第二限制管状特征MCF1、MCF2，第一和第二限制管状特征MCF1、MCF2分布成单个环，并分别部分地包围第一和第二芯C1、C2。在图3的实施例中，第一耦合管状特征MCP1布置在第一光纤FO1内，面对第一芯C1的未被第一微结构化包层SCF1的限制特征MCF1包围的区段。同样地，第二耦合管状特征MCP2布置在第二光纤FO2内，面对第二芯的未被第二微结构化包层的限制特征MCF2包围的区段。如上所解释的，第一和第二限制管状特征MCF1、MCF2分别具有第一和第二限制厚度tcf1、tcf2以及第一和第二限制折射率ncf1和ncf2，使得：
其中/>以便限制波长λop的辐射。此外，第一和第二耦合管状特征具有第一和第二耦合厚度tcp,1、tcp,2以及第一和第二耦合折射率ncp1、ncp2，使得：/>其中/>以便产生泄漏通道。
为了最大化耦合效率，第一和第二耦合管状特征布置成彼此面对，并且使得两个相邻耦合管状特征MCP1、MCP2的外部壁之间的距离D12小于波长λop的100倍，优选小于10λop，并且更优选小于λop。
在本发明的装置中，光纤FO1、FO2可以通过壳体保持在固定距离，以便形成耦合器。替代地，光纤通过它们的外部包层GE1、GE2拼接在一起，外部包层GE1、GE2包围微结构化包层SCF1、SCF2。
图4A是允许更好地示出光纤FO1、FO2内的耦合元件SCP(更精确地说，限制管状特征MCF1、MCF2)的影响的图形表示。图4A示出了对于两种不同光纤的作为波长的函数的传播损耗。首先，被称为传统光纤的光纤，类似于图1B中所示的光纤，即HC-PCF-IC-SR-TL光纤，HC-PCF-IC-SR-TL光纤仅具有一个完全包围光纤的空的芯的限制管状特征。传统光纤的微结构化包层的管状特征由二氧化硅制成，并且具有2μm的壁厚度。这种传统光纤的传播损耗曲线是图4A的曲线Ccf。图4A的传播损耗曲线Ccp对应于图3的实施例的光纤FO1、FO2的传播损耗曲线。这些光纤与传统光纤相同，不同之处在于，在光纤FO1、FO2中，具有限制厚度tcf1、tcf2和限制折射率ncf1、ncf2的限制管状特征之一已经被具有耦合厚度tcp,1、tcp,2以及耦合折射率ng1、ng2的耦合管状特征MCP1、MCP2中的一个所替代。
研究图4A可以注意到，在波长范围Z1中，光纤FO1、FO2的损耗实质上高于传统光纤的损耗。这是引入耦合管状特征MCP1、MCP2的结果，该耦合管状特征在光纤FO1、FO2的微结构化包层中产生对称性破坏，并因此略微恶化了这些波长在范围Z1中的限制。此外，将注意到，将耦合管状特征MCP1、MCP2引入到光纤FO1、FO2中并不改变范围Z2的波长未被限制于芯的事实。在光纤FO1、FO2和传统光纤中，Z2范围的这些波长未被限制于芯并通过微结构化包层“逃逸”。最后，在波长范围Z3中，将注意到，在光纤FO1、FO2中，耦合元件产生以大约λLP＝1.55μm为中心的泄漏通道LP，这在对于传统光纤的曲线Ccf中不存在。
关于泄漏场的径向分布，泄漏通过耦合元件SCP经由第一和第二耦合管状特征MCP1、MCP2发生。图3的实施例的光纤的坡印廷矢量的径向场如图4B所示，并允许观察泄漏场的径向分布。在图4B中，区域越淡，则该区域中的电场就越高。尽管最强的场是被限制于光纤的芯的场，但是可以看出，通过耦合特征MCP1，存在不可忽略的泄漏场。因此，这种耦合管状特征MCP1、MCP2的存在允许产生定向和受控的泄漏。在图3和图4的实施例中，由于微结构化包层内的第一和第二耦合管状特征的布置在光纤FO1和光纤FO2中是对称的，因此耦合元件在第一光纤FO1中和第二光纤FO2中产生泄漏通道。在图3的实施例的装置中，正是光纤FO1和FO2各自的泄漏通道LP之间的空间重叠使得能够以良好的耦合效率将光纤FO1耦合到光纤FO2，并且反之亦然。正是由于这个原因，第一和第二耦合管状特征MCP1、MCP2彼此面对。因此，与必然降低光纤的性能的现有技术HC-PCF-IC-SR-TL光纤耦合器不同，本发明允许在不引入高传播损耗的情况下进行有效耦合。
如上所述，在泄漏通道LP的强度(并且因此耦合效率)和传播损耗之间存在折衷。在图4A中，十字示出了适合于在保持低传播损耗的同时允许有效耦合的长度λop的示例。具体来说，波长λop足够接近通道LP的波长λLP以允许在芯C1、C2中引导的辐射通过耦合元件SCP泄漏，但不太近以避免过高的传播损耗，是必须的。该最佳值由用户根据意图的应用来确定。
同样，通过调节耦合管状特征MCP1、MPC2的厚度，将泄漏通道的强度调节到波长λop是可能的。更精确地说，在上述范围G1内，耦合管状特征的厚度越接近范围G1的中心值(即， 则泄漏通道的强度和光纤内的传播损耗就越高。相反，耦合管状特征的厚度越接近范围G1的边界(即，/>或/>)，则耦合泄漏通道的强度和传播损耗就越低。因此，发现在波长λop处的正确损耗水平和充分的耦合之间存在折衷。
图5A和5B分别示出了根据本发明第一变体的一个实施例的装置D的横向视图和俯视图。在图5A和图5B的装置中，光纤FO1和FO2与图4A的实施例的光纤相同，不同之处在于耦合元件SCP包括形成耦合管状特征之一的附加耦合特征MTa。该特征Mta布置在第一和第二耦合管状特征之间。就像所有的耦合管状特征一样，附加耦合特征MTa具有耦合厚度tcp,a和耦合折射率ncp,a，使得其中/>为了获得良好的耦合效率，附加耦合特征MTa被布置为使得附加耦合特征MTa与第一和第二特征MCP1、MCP2的距离小于100λop并且使得耦合特征MCP1、MCP2、MTa在连接芯C1、C2的轴上对准。附加耦合特征MTa允许促进光纤FO1、FO2之间的耦合，这是在不需要拼接光纤的外部包层(该包层未在图5A和5B中示出)的情况下实现的。具体而言，根据一个实施例，光纤FO1、FO2通过外壳保持在固定位置，以便放置在附加耦合特征MTa旁边或与之并置，从而形成如图5B所示的简单且有效的耦合器。
通过非限制性示例，图5A和5B所示的实施例包括单个附加耦合特征MTa。替代地，根据另一个实施例，耦合元件SCP包括多个附加耦合管状特征MTa，这些附加耦合管状结构MTa被布置成使得两个相邻的附加耦合管状构件的中心之间的距离小于100λop。
图6示出了本发明的一个实施例，其中限制特征MCF1、MCF2分别完全包围第一和第二芯C1、C2。然后将第一和第二耦合管状特征MCP1、MCP2嵌套在第一和第二限制管状特征MCF1、MCF2中的一个中，如同在包括嵌套结构的特征的微结构化包层中一样。为了使耦合效率最大化，第一和第二耦合管状特征MCP1、MCP2彼此面对地布置。该实施例的装置D具有包括具有微结构化包层的光纤FO1、FO2的优点，该包层具有完全包围芯的限制管状特征MCF1、MCF2。因此，由耦合管状特征MCP1、MCP2引入的对称性破坏小于图3和5A、5B的实施例中的对称性破坏，并且传播损耗更低。
应当理解，该实施例的耦合元件SCP可以包括在第一和第二耦合管状特征MCP1、MCP2之间的一个或多个附加管状特征MTa，如图5A和5B的实施例中所示。
图7示意性地示出了根据本发明的一个实施例的装置D，其中光纤FO1的结构与图3和5A所示实施例的光纤FO1相同，并且其中光纤FO2的结构与如图6所示实施例的光纤FO2的结构相同。更精确地说，第一耦合管状特征MCP1布置在第一光纤内，面对第一芯的未被多个第一限制管状特征MCF1包围的区段。此外，多个第二限制管状特征MCF2完全包围第二芯，并且第二耦合管状特征MCP2嵌套在第二限制管状特征之一中。为了使耦合效率最大化，第一和第二耦合管状特征MCP1、MCP2彼此面对地布置。图7的实施例允许说明耦合元件SCP的模块化。
将注意的是，图3至图7的实施例属于本发明的第三种替代方案。换言之，这些实施例的耦合元件使得可能产生用于在第一芯C1中被引导的辐射到第二芯C2以及用于在第二芯C1中被引导的辐射到第一芯C1的泄漏通道。正是耦合管状特征在元件SCP内的分布的对称配置允许具有从光纤FO1到光纤FO2以及从光纤FO2到光纤FO1的等效泄漏强度的双向耦合。
在图8和图9所示的本发明的第二变体中，装置D的耦合元件SCP包括单个耦合管状特征MCP。
图8示出了根据本发明一个实施例的装置，其中，耦合管状特征MCP被布置为面对第一芯C1的未被多个第一限制管状特征MCF1包围的区段，并面对第二芯C2的未被多个第二限制管状特征MCF2包围的区段。在光纤FO1、FO2的微结构化包层中存在对称性缺陷或破坏(芯的未被包围的区段和耦合元件SCP)意味着在芯C1、C2中引导的辐射的泄漏非常主要地经由该缺陷并且因此通过耦合元件MCP发生。因此，本实施例的耦合效率特别高，因为它允许使两个芯C1、C2更靠近一起。
为了允许通过耦合管状特征MCP将第一芯耦合到第二芯并且将第二芯耦合到第一芯，管状特征基本上被放置在未被微结构化包层SCF1、SCF2包围的区段之间，在芯C1、C2之间的中间。此外，第一芯和耦合管状特征之间以及第二芯和耦合管状特征之间的距离典型地必须小于100λop，否则泄漏场的最大重叠将太小。
图9示出了根据本发明一个实施例的装置，其中多个第一限制管状特征MCF1完全包围第一芯，并且多个第二限制管状特征MCA2部分地包围第二芯。在该实施例中，耦合管状特征MCP布置在第二光纤FO2内，面对第二芯C1的未被多个第二限制管状特征MCF1包围的区段。此外，装置内的第一和第二光纤FO1、FO2的方位角取向被配置为使泄漏通道与所述第一微结构化包层的泄漏轮廓的重叠最大化，并且被配置为优化两根光纤的管状特征之间的空间。
在图9所示的实施例中，耦合管状特征被布置成面对第一微结构化包层的两个限制管状特征MCF1之间的间隙或间隔，因为在光纤FO1中，泄漏主要通过两个限制管状特征MCF1之间的空间发生。这是由于限制管状特征MCF1之间的间隔大于临界值。该临界值是通过模拟确定的。耦合元件的布置和光纤FO1、FO2的方位角取向因此允许第二光纤与第一光纤的有效耦合，因为耦合元件为在第二芯C2中引导的辐射产生了到第一芯C1的泄漏通道。它还为在第一芯C1中引导的辐射产生了到第二芯C2的泄漏通道。替代地，根据另一个实施例，光纤FO1、FO2在耦合器中的布置被颠倒。
根据图9的另一个实施例，第一微结构化包层的结构不同，使得光纤FO1的泄漏场的径向分布与图8的不同。例如，光纤FO1可以包括更靠近一起(分开小于临界值)的管状特征，使得泄漏主要通过限制管状特征的接触外部包层GE1的截面发生。替代地，包层可以关于包层的限制管的数量包括方位角对称性破坏(如图8所示)，使得泄漏主要通过该缺陷发生。泄漏场的径向分布与HC-PCF-IC-SR-TL光纤的微结构化包层(没有任何耦合管状特征)的结构之间的关系是本领域技术人员已知的。专利申请FR 1904610描述了可用于图9的实施例的光纤FO1中的HC-PCF-IC-SR-TL光纤的微结构化包层的各种结构及其相关的泄漏轮廓。尽管泄漏场的径向分布可能取决于包层MCF1的结构而不同，但在图9的实施例中，装置内第一和第二光纤的方位角取向总是被配置为使泄漏通道与第一微结构化包层的泄漏轮廓的重叠最大化。
根据一个实施例，一个或多个耦合厚度tcp以及一个或多个耦合折射率ncp被配置为使得通过激励与由所述第一光纤引导的辐射的空间模式(M1)不同的空间模式(称为M2)，将辐射从第一光纤引导到第二光纤。为了实现这一点，至关重要的是，在波长λop处，芯C1的模式M1的有效折射率实质上等于芯C2的模式M2的有效折射率。此外，如上所述，这些有效折射率也必须等于耦合元件SCP的有效折射率。为了以本身已知的方式控制耦合元件的有效折射率，调节芯C1、C2的尺寸和/或芯C1、C1的形状和/或微结构化包层SCF1、SCF2的折射率是可能的。修改芯C1、C2的折射率，例如通过用特定气体填充它们以及通过精细地调节特定气体在芯C1、C2内的压力，也是可能的。
Claims (12)
1.一种用于耦合光纤的装置(D)，包括：
-第一耦合受抑制的空芯光纤(FO1)，包括第一微结构化包层(SCF1)，所述第一微结构化包层(SCF1)包括具有第一厚度的多个第一限制管状特征(MCF1)，所述第一厚度被称为限制厚度tcf1，所述特征分布成环并且至少部分地包围第一芯(C1)，以便至少将波长λop的辐射限制于所述第一芯，
-第二耦合受抑制的空芯光纤(FO2)，包括第二微结构化包层(SCF2)，所述第二微结构化包层(SCF2)包括具有第二厚度的多个第二限制管状特征(MCF2)，所述第二厚度被称为限制厚度tcf2，所述特征分布成环并且至少部分地包围第二芯(C2)，以便将所述光辐射限制于所述第二芯，
-耦合元件(SCP)，布置在所述第一芯和所述第二芯之间，所述耦合元件包括至少一个耦合管状特征(MCP、MCP1、MCP2、MTa)，所述至少一个耦合管状特征(MCP、MCP1、MCP2、MTa)至少部分地包括在所述第一微结构化包层和/或所述第二微结构化包层中，并具有被称为耦合厚度的壁厚度tcp和被称为耦合折射率的材料折射率ncp，所述耦合厚度tcp与所述第一限制厚度tcf1和所述第二限制厚度tcf2不同，
所述耦合元件的布置、所述耦合厚度tcp以及所述耦合折射率np被根据所述波长λop进行配置，以便在所述波长λop处产生泄漏通道，所述泄漏通道允许由所述第一光纤引导的辐射耦合到所述第二光纤和/或由所述第二光纤引导的辐射耦合到所述第一光纤。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，每个耦合管状特征i∈[1,N]具有耦合厚度tcp,i和耦合折射率ncp,i，使得其中，/>
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述耦合管状特征布置为使得耦合管状特征的中心与相邻耦合管状特征之间的距离(D12)小于所述波长λop。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述耦合元件至少包括第一耦合管状特征(MCP1)和第二耦合管状特征(MCP2)。
5.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述多个第一限制管状特征和所述多个第二限制管状特征分别部分地包围所述第一芯和所述第二芯，所述第一耦合管状特征(MCP1)布置在所述第一光纤内，面对所述第一芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段，所述第二耦合管状特征(MCP2)布置在所述第二光纤内，面对所述第二芯的未被所述多个第二限制管状特征包围的区段，所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征布置成彼此面对。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述多个第一限制管状特征和所述多个第二限制管状特征分别完全包围所述第一芯和所述第二芯，所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征(MCP1、MCP2)分别嵌套在所述第一限制管状特征和所述第二限制管状特征之一中，并且所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征布置成彼此面对。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一耦合管状特征(MCP1)布置在所述第一光纤内，面对所述第一芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段，并且其中，所述多个第二限制管状特征完全包围所述第二芯，所述第二耦合管状特征(MCP2)嵌套在所述第二限制管状特征之一中，并布置成与所述第一耦合管状特征相对。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的装置，其中，所述耦合元件包括形成所述耦合管状特征之一的至少一个附加管状特征(MTa)，所述至少一个附加管状特征布置在所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征之间。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述耦合元件包括单个耦合管状特征(MCP)。
10.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述耦合管状特征(MCP)布置成面对所述第一芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段并面对所述第二芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段，所述管状特征基本上放置在所述区段之间。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述多个第一限制管状特征完全包围所述第一芯，并且所述多个第二限制管状特征部分地包围所述第二芯，所述耦合管状特征(MCP)布置在所述第二光纤内，面对所述第二芯的未被所述多个第二限制管状特征包围的区段，所述装置内的所述第一光纤和所述第二光纤的方位角取向被配置为使所述泄漏通道与所述第一微结构化包层的泄漏轮廓的重叠最大化。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，一个或多个所述耦合厚度tcp以及一个或多个所述耦合折射率ncp被配置为使得通过激励与由所述第一光纤引导的所述辐射的空间模式不同的空间模式，将所述辐射从所述第一光纤引导到所述第二光纤。
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2022
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