CN213210536U - 太赫兹可调磁光波长选择开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于磁流体填充的、太赫兹可调磁光波长选择开关。器件基本结构由两根互相靠近、纤芯具有不同微结构的多孔光纤1和2组成。光纤1是基于等差分层微结构、多孔度15.93％的高双折射多孔光纤，纤芯微结构基本单元为椭圆，椭圆尺寸从内层到外层逐渐增大；光纤2是多孔度44.81％的多孔光纤，纤芯微结构由三角晶格排列、大小一致的圆形空气孔组成。在光纤2内层空气孔填充磁流体，通过调节外磁场来改变磁流体的折射率，从而改变两光纤的模式匹配点，实现下行波长的动态可调。在0.8THz‑1.2THz，本实用新型所述磁光波长选择开关，能够实现单波下行连续可调选择。耦合长度小于16cm，吸收损耗小于0.02dB。

Description

太赫兹可调磁光波长选择开关

技术领域

本实用新型涉及太赫兹光纤领域，具体涉及一种基于磁流体填充的、太赫兹可调磁光波长选择开关。

背景技术

太赫兹波通常是指频率范围在100GHz-10THz之间的电磁波，介于微波和红外辐射之间，具有极其丰富的带宽资源。长久以来，人们对太赫兹波的性质知之甚少。该波段一度被称为“太赫兹空白”(THz gap)。从上世纪90年代至今，太赫兹领域一度成为学术界炙手可热的研究热点。

目前，太赫兹波主要是通过空间光路系统进行传输，即依赖于固定在光学平台上透镜、反射镜等器件。系统体积大、成本高、稳定性差，因此严重阻碍了太赫兹应用技术的发展。基于光纤的太赫兹波导和功能器件，将有望从根本上实现太赫兹波的柔性、高效传输和调控，从而使得太赫兹系统向小型化、便携化的方向发展。目前，对太赫兹光纤波导、功能器件的研究取得了一定的进展，但对太赫兹通信系统波长级别的灵活调度研究较少。而太赫兹光层调度的基础，是宽带的太赫兹波长选择开关。

根据光纤耦合理论，当两根平行光纤相互靠近时，在其中传输的模场将会引起另一根光纤介质的极化，激励起导模，从而导致双方模场的渗透和交叠。

假设光纤A和光纤B是两个互相靠近，且平行放置的光纤。两根光纤纤芯的折射率分别为n_c01、n_c02，包层折射率为n_d，基模的传输常数分别为β₁、β₂，场分布为E₁(r)、E₂(r)，模场振幅为A₁(z)、A₂(z)，则两根光纤的模场分布可表示为：

两根光纤的耦合效率可表示为：

其中L为耦合区域的长度，ξ为耦合系数。耦合效率η是波长λ的函数。

耦合长度是指导模能量由光纤1完全转移到光纤2所需要的最短长度，可以表示为

对于两根结构复杂的光纤构成的耦合系统，当两光纤同时支持某种特定的传输模式，即两种模式在光纤1和光纤2中的有效折射率相近时，该模式能够在两根光纤之间发生耦合。对于两光纤有效折射率差值较大的模式，则不会发生耦合，该模式将保留在原光纤中传输。利用这一点，可以实现对光信号的定向耦合、偏振分离或波长选择。

发明内容

本实用新型提供了一种通过波导耦合方法，构建的简单、低成本、可调的磁光波长选择开关。基于光纤模式耦合理论，通过对多孔光纤纤芯微结构的特殊设计，能够实现对特定波长太赫兹波的选择式耦合。通过在输出端光纤中填充折射率可调的磁流体，来实现连续可调波长选择开关功能。该器件可以作为太赫兹通信系统ROADM(可重构光分插复用器)的基础部件。

所述基于磁流体填充的、太赫兹可调磁光波长选择开关，由两根互相平行且靠近、纤芯微结构不同的多孔光纤组成，分别记为光纤1和光纤2。光纤1为线路侧(多路信号传输，波长复用)，光纤2为客户侧(单波下行，可调波长选择)。

光纤1为基于分层微结构的高双折射多孔光纤，即在纤芯中引入亚波长尺度的椭圆微空气孔，空气孔阵列为三角晶格排列，其尺寸从内层到外层逐渐增大。光纤中心无空气孔，从而增强光纤对模场的束缚能力。多孔光纤2为密堆积结构多孔光纤，即在纤芯中引入三角晶格排列、大小一致的圆形空气孔阵列。在光纤2的中心空气孔、第一层至第三层填充一定浓度的磁流体。通过调节外加磁场大小，磁流体的折射率会发生变化，从而影响光纤2的光传输特性。

光纤1为高双折射光纤，x，y两偏振模式的有效折射率具有较大差值，色散曲线会分裂为两条。调节光纤2中磁流体的折射率，使之与光纤1的y偏振模式相匹配，这样就构成了一个偏振选择耦合器。在基模y偏振模式匹配点，对应波长的太赫兹波能够在两根光纤之间强烈耦合。由于两光纤结构不同，色散曲线单调递增且具有不同的斜率，因此两光纤的y偏振模式有且只有一个交点。也就是说，此时其他波长的太赫兹波模式不匹配，因此不会发生耦合，留在线路侧光纤(光纤1)中传输。调节光纤2中磁流体的折射率，能够使光纤2色散曲线位置发生移动，从而改变两光纤的模式匹配点，由此实现下行波长的动态可调。这样就构成了一个太赫兹可调波长选择开关。

作为优选，高双折射多孔光纤1的微结构基本单元为椭圆。

作为优选，多孔光纤1和2的纤芯微结构为三角晶格排列。

作为优选，多孔光纤2内填充磁流体可以选择浓度约4％的四氧化三铁纳米颗粒有机溶液。

作为优选，光纤基底材料选择Topas。

本实用新型具备以下优点：1.所述太赫兹可调波长选择开关是全光纤型器件，可以实现对光信号的在线操作，显著降低系统的吸收损耗；2.器件结构简单，成本低廉；3.通过调节磁流体折射率，能够实现下行波长的连续可调；4.随着聚合物3D打印技术的快速发展，复杂结构光纤器件的加工制造将变得更加容易。因此，太赫兹可调波长选择开关在通信领域将具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是太赫兹可调磁光波长选择开关的截面图；

图2是光纤1的色散曲线和模式双折射；

图3是光纤1和光纤2的模式匹配点；

图4是匹配点为1.0THz时(n＝1.53602)器件的稳态模场分布；

图5是太赫兹可调波长选择开关的分离长度和吸收损耗；

图6是匹配波长与填充磁流体折射率的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型进行详细的描述。

由图1可知，基于磁流体填充的太赫兹可调磁光波长选择开关，由两根平行且靠近的多孔光纤1和2组成，光纤基底材料11和21选择环烯烃类聚合物TOPAS。光纤1以空气为包层。纤芯微结构由三角晶格排列的椭圆空气孔阵列组成，晶格常数Λ＝40μm。12,13,14,15,16 表示不同层的椭圆空气孔，由内到外椭圆尺寸逐渐增大。不同层椭圆具有相同的椭圆率，设椭圆长半轴和短半轴分别为a和b，则a:b＝2:1。从第一层到第五层，椭圆短半轴b分别为： 4μm，5μm，6μm，7μm，8μm；长半轴a分别为：8μm，10μm，12μm，14μm，16μm。光纤1的多孔度

多孔光纤2以空气为包层，纤芯中引入三角晶格排列、大小一致的圆形空气孔阵列22，晶格常数Λ＝40μm，空气孔半径r＝16μm，占空比

多孔度为44.81％。在中心、第一层至第三层空气孔中填充磁流体23。23可选择浓度约4％的四氧化三铁纳米颗粒有机溶液。通过调节外磁场大小来改变磁流体的折射率，从而改变光纤2的光传输特性。

图2是线路侧光纤1的色散曲线和模式双折射。光纤1为高双折射光纤，其x、y偏振模式的色散曲线会发生分裂。在0.5-1.5THz，光纤的模式双折射非常稳定，始终保持在2×10^-2附近。在0.8THz达到最大值为2.08×10^-2。高双折射设计主要有两个作用：(1)使光纤1基模的x，y偏振模式发生分裂，通过光纤2的模式匹配来实现偏振选择性耦合；(2)更好的匹配输入端THz波的线偏振特性。

图3是光纤1和光纤2的模式匹配点。通过调节光纤2中磁流体的折射率，光纤2色散曲线(虚线)的位置将会发生移动。使得两波导的模式匹配点发生变化。由于两根光纤的微结构不同，导致色散曲线具有不同的斜率，因此两光纤y偏振模式的色散曲线有且只有一个交点。在交点处，只有满足匹配条件的特定波长太赫兹波会从光纤1耦合到光纤2。也就是说，由光纤2完成对匹配波长的下行选择。磁流体的折射率连续可调，因此本实用新型所述光开关能够实现对线路侧复用信号的连续可调选择。

图4是匹配点为1.0THz时(n＝1.53602)的稳态模场分布图，中间图为两光纤模式匹配点的模场分布图，左右两图为偏离模式匹配点时的模场分布图。可以看到，波长为1.0THz 的太赫兹波符合匹配条件，因此可以在两根光纤间强烈耦合。也就是说，在光纤1中(线路侧)传输的波长为1.0THz的波，将耦合到光纤2中(客户侧)。而对于偏离1.0THz的波(0.95THz，1.05THz)，由于模式不匹配，将继续留在光纤1中(线路侧)传输。

图5是本实用新型所述太赫兹可调磁光波长选择开关的分离长度和吸收损耗。由图可知，耦合长度随频率增大而增加。在0.8THz-1.2THz，分离长度从2.54cm增大到15.76cm。这一参数可以通过调整光纤参数来进一步优化。也可以通过调整两光纤的距离，使得分离长度保持不变。器件的吸收损耗很低，最大值发生在1.2THz，仅为0.001dB。

图6是匹配波长与填充磁流体折射率的关系。由图可知，匹配波长和磁流体折射率之间为近线性关系。

Claims (2)

1.一种太赫兹可调磁光波长选择开关，其特征是：基本结构由两根互相靠近、纤芯具有不同微结构的多孔光纤1和2组成，光纤1为线路侧，光纤2为客户侧，光纤1是基于分层微结构的高双折射多孔光纤，即在纤芯中引入三角晶格排列的椭圆空气孔，其尺寸从内层到外层逐渐增大，光纤2是填充磁流体的普通密堆积结构多孔光纤，即在纤芯中引入三角晶格排列、大小一致的圆形空气孔，在内四层空气孔填充一定浓度的磁流体。

2.根据权利要求1所述太赫兹可调磁光波长选择开关，其特征在于，两根多孔光纤都是以空气为包层的折射率引导型多孔光纤。

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