CN210166532U - 一种双芯太赫兹光纤耦合器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种双芯太赫兹光纤耦合器，两平行的第一类矩形介质层与两平行的第二类矩形介质层相交，两介质圆柱分别悬挂于在第一类矩形介质层和第二类矩形介质层的左右两侧交点处，形成光纤的两纤芯，第一类矩形介质层、第二类矩形介质层、介质圆管和空气孔为纤芯的包层，构成全内反射结构。本实用新型有效的降低了材料吸收损耗，纤芯大小远小于运转波长，纤芯传导模能量可大部分分布于空气中，降低了材料吸收损耗。改变两类矩形介质层的夹角可以调整纤芯模场的分布，从而使得x‑和y‑偏振模的耦合长度相同，获得偏振无关的低损耗双芯太赫兹光纤耦合器。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤通信领域，尤其涉及一种双芯太赫兹光纤耦合器。
背景技术
太赫兹( Terahertz, THz) 通常是指频率在0. 1~ 10 THz范围内的电磁波, 其波段位于电磁波谱中的微波和红外之间。THz 辐射在很多领域,如通信、传感、成像、光谱学和医学都有应用的潜力。在近红外波段，基于微结构光纤的指向耦合器件已得到了广泛的研究，理论上，这些指向耦合器件结构可应用于THz波段，也就是说等比例增大光纤尺寸即可实现将工作在近红外波段的偶合器结构应用于THz波偶合，比如，耦合器运转波长为1.55μm，将耦合器结构参数扩大到原来的300/1.55倍，则可实现波长为300μm的指向耦合，但令人遗憾的是耦合器长度也扩大到原来的300/1.55倍。因此，这种耦合器的长度很长，在THz波段，会引起过大的器件传输损耗。Ming-Yang Chen等 [Ming-Yang Chen, et al.,“Design and analysis of a low-loss terahertz directional coupler based onthree-core photonic crystal fibre configuration,” J. Phys. D: Appl. Phys，2011, 44: 405104]提出了基于实心光子晶体光纤的指向耦合器，这种耦合器件只能用缩短耦合器长度的办法来减小传输损耗，原因是纤芯传导模主要在材料中传输，有较大的吸收损耗。A. Dupuis 等 [A. Dupuis, et al., “Fabrication and THz lossmeasurements of porous subwavelength fibers using a directional couplermethod,” Opt. Express，2009, 17, 8012] 提出了基于亚波长光纤的指向耦合器，光传输过程中易受外部环境的干扰。K. Nielsen 等[K. Nielsen, H. K. Rasmussen, P. U.Jepsen, and O. Bang, “Broadband terahertz fiber directional coupler,” Opt.Lett., 35, 2879~2881 (2010)]理论研究了一种低掺杂纤芯的THz双芯光子晶体光纤耦合器，利用低掺杂纤芯来缩短耦合器长度，在中心波长1.4 THz处，耦合长度为20 cm。
以上几种耦合器都忽略了x-偏振模和y-偏振模耦合长度不同的影响，耦合品质受x-偏振模和y-偏振模耦合长度不同的制约。
实用新型内容
针对以上的不足，本实用新型提供一种双芯太赫兹（THz）光纤耦合器，实现光传输过程中低损耗、长度较短、免受外部干扰和偏振。
本实用新型通过以下技术方案实现上述目的。一种双芯太赫兹光纤耦合器，两平行的第一类矩形介质层与两平行的第二类矩形介质层相交，第一类矩形介质层与水平方向的夹角为θ，第二类矩形介质层与水平方向的夹角为π-θ；两介质圆柱分别悬挂于在第一类矩形介质层和第二类矩形介质层的左右两侧交点处，形成光纤的两纤芯；第一类矩形介质层和第二类矩形介质层的外端连接介质圆管的内壁；第一类矩形介质层、第二类矩形介质层和介质圆管相互间的空隙构成空气孔，且第一类矩形介质层、第二类矩形介质层、介质圆管和空气孔为纤芯的包层，构成全内反射结构。
进一步，所述第一类矩形介质层与水平方向的夹角θ，满足：0<θ<45o。
进一步，所述第一类矩形介质层和第二类矩形介质层的宽度t均为：t≤100μm。
进一步，所述介质圆柱截面直径为d，满足：d/λ<2/3。
本实用新型中纤芯直径远小于运转波长，纤芯模能量可更多的分布于临近纤芯的空气孔中，有效的降低了材料吸收损耗。调整第一类矩形介质层与水平方向的夹角的大小，可使x-偏振模的耦合长度与y-偏振模的耦合长度相等。当光纤等于x-偏振模的耦合长度（也就是y-偏振模的耦合长度）时，光纤的两偏振模同时从输入纤芯耦合到输出纤芯，实现偏振无关的耦合。耦合器的长度也就是两偏振模的耦合长度。当耦合器长度较短，纤芯模的传输损耗极小。另外纤芯传导模被光纤包层有效的限制在纤芯周围，周围环境的变化不影响耦合器耦合性能，器件便于操作。
附图说明
图1为本实用新型的双芯光纤THz耦合器结构示意图；
图2 为图1实施例的x-和y-偏振模耦合长度随θ的变化曲线图；
图3为图1实施例的x-偏振耦超模电场场强分布图；
图4为图1实施例的x-偏振奇超模电场场强分布图；
图5为图1实施例的y-偏振耦超模电场场强分布图；
图6为图1实施例的y-偏振奇超模电场场强分布图；
图7为图1实施例的x-偏振模的归一化功率随传输距离的变化曲线图；
图8为图1实施例的y-偏振模的归一化功率随传输距离的变化曲线图；
图中：1-第一类矩形介质层，2-第二类矩形介质层，3-介质圆柱，4-介质圆管，5-空气孔。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做出进一步说明。图1给出了本实用新型的双芯光纤THz耦合器的横截面示意图，两平行的第一类矩形介质层1与两平行的第二类矩形介质层2相交，第一类矩形介质层1与水平方向的夹角为θ，第二类矩形介质层2与水平方向的夹角为π-θ；两介质圆柱3分别悬挂于在第一类矩形介质层1和第二类矩形介质层2的左右两侧交点处，形成光纤的两纤芯；第一类矩形介质层1和第二类矩形介质层2的外端连接介质圆管4的内壁；第一类矩形介质层1、第二类矩形介质层2和介质圆管4相互间的空隙构成空气孔5，且第一类矩形介质层1、第二类矩形介质层2、介质圆管4和空气孔5为纤芯的包层，构成全内反射结构。
如图1所示，第一类矩形介质层1和第二类矩形介质层2的厚度均为t，介质圆管4内直径为D，两介质圆柱3间的距离为D1，介质圆柱3截面直径为d，第一类矩形介质层1与水平方向x的夹角为θ，第二类矩形介质层2与水平方向x的夹角为π-θ。
本实用新型的原理是调整θ角使得纤芯具有双折射特性，进而控制两偏振模的耦合长度。在特定θ值下，两偏振模的耦合长度相等，这样耦合器的长度就等于偏振模的一个耦合长度，可实现长度较短的耦合器；另外纤芯尺度小于运转波长，可使大量的纤芯模式能量分布在空气孔中，降低了材料吸收损耗，综合两者可实现低传输损耗的THz光纤耦合器。
纤芯模式的吸收损耗会随矩形介质层宽度t的增加而增加，因此要求矩形介质层宽度t≤100μm。
本实用新型能实现两偏振模的耦合长度相等的θ角值有两个，一个角度值满足：0<θ<45o，另一个角度值满足：45o<θ<90o，为获得小的耦合长度，这里要求θ满足：0<θ<45o。
耦合器工作在THz波段，要求纤芯尺度小于工作波长，这样才能将更多的纤芯基模能量分布在纤芯周围的空气孔中，这里要求介质圆柱截面直径为d满足：d/λ<2/3。
实施例：
双芯THz光纤耦合器结构如图1所示，空气折射率nair=1.0，光纤的基质材料折射率n=1.5258，第一类矩形介质层1和第二类矩形介质层2的厚度t均为30μm，两介质圆柱3间的距离为D1=300μm，介质圆柱3截面直径为d=140μm。在频率为1THz时，x-和y-偏振模的耦合长度随θ的变化如图2所示。从图中可看出两偏振模的耦合长度曲线有两个交点，在交点处两偏振模的耦合长度相等，对应的θ的值分别是30.5o和53.2o。显然，θ=30.5o比θ=53.2o对应的耦合长度小，因此这里要求θ满足：0<θ<45o。
图3、图4、图5和图6分别给出了θ=30.5o时x-偏振奇超模、x-偏振耦超模、y-偏振奇超模和y-偏振耦超模的电场场强分布图。从图中可以看出，模式能量有较多部分分布在纤芯周围的空气孔中，可降低材料吸收损耗，为满足低的材料吸收损耗，这里要求介质圆柱3截面直径为d满足：d/λ<2/3，要求矩形介质层宽度t≤100μm。
图7和图8分别给出了x-和y-偏振模的归一化功率随传输距离的变化曲线，从图中可看出，两偏振模的耦合长度相等，均为0.421cm。由于耦合长度较短，且有部分能量分布在空气孔中，耦合器件的传输损耗较小，计算得来的x-和y-偏振模的耦合传输损耗分别为0.30dB和0.27dB。
上述附图仅为说明性示意图，并不对本实用新型的保护范围形成限制。应理解，这个实施例只是为了举例说明本实用新型，而非以任何方式限制本实用新型的范围。
Claims (4)
1.一种双芯太赫兹光纤耦合器，其特征在于，两平行的第一类矩形介质层与两平行的第二类矩形介质层相交，第一类矩形介质层与水平方向的夹角为θ，第二类矩形介质层与水平方向的夹角为π-θ；两介质圆柱分别悬挂于在第一类矩形介质层和第二类矩形介质层的左右两侧交点处，形成光纤的两纤芯；第一类矩形介质层和第二类矩形介质层的外端连接介质圆管的内壁；第一类矩形介质层、第二类矩形介质层和介质圆管相互间的空隙构成空气孔，且第一类矩形介质层、第二类矩形介质层、介质圆管和空气孔为纤芯的包层，构成全内反射结构。
2.根据权利要求1所述的双芯太赫兹光纤耦合器，其特征在于，所述第一类矩形介质层与水平方向的夹角θ，满足：0<θ<45o。
3.根据权利要求1所述的双芯太赫兹光纤耦合器，其特征在于，所述第一类矩形介质层和第二类矩形介质层的宽度t均为：t≤100μm。
4.根据权利要求1所述的双芯太赫兹光纤耦合器，其特征在于，所述介质圆柱截面直径为d，满足：d/λ<2/3。
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Cited By (1)
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2019
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