CN103091770B - 一种光子晶体光纤偏振分束器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体光纤偏振分束器，该分束器由其中光子晶体光纤的包层由基质材料（1）和排布在正三角形结构网格结点上的空气孔（2）所组成；金属介质柱（3）位于光纤的中心，第一纤芯（4）和第二纤芯（5）均由正三角形网格中缺失一个空气孔所组成，所述第一纤芯（4）、第二纤芯（5）均由正三角形网格中缺失一个空气孔所组成，且位于金属介质柱（3）两侧，所述第一纤芯（4）的中心、第二纤芯（5）的中心与金属介质柱（3）的中心在一直线上，所缺失的两个空气孔的中心与金属介质柱（3）的中心的距离L为L=Λ。本发明通过引入金属介质柱，增大了不同偏振态下两纤芯的耦合长度差异，实现了宽带偏振分束的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成、光学***等领域，具体涉及一种光子晶体光纤偏振分束器件。
背景技术
偏振分束器是光子集成芯片中一种重要的功能器件，它对于光学***中陀螺仪等其它需要偏振控制的器件也是不可或缺的。近十几年来，光子晶体光纤（PCF）由于结构设计的灵活性和独特的光学性质，已引起了国内外学者广泛关注。基于光子晶体光纤的偏振分束结构也已被广泛的提出。他们大多数是利用双芯或多芯光子晶体光纤能产生较大的双折射来实现偏振分束的。目前光子晶体光纤偏振分束器的设计主要是基于以下几种机制：一种方法是在双芯光子晶体光纤中破坏光纤结构的对称性，使得纤芯中产生较高的双折射，使得其中一个偏振方向与另一个偏振方向耦合长度的比值满足m:n，（m，n均是正整数且奇偶性不同），通过合适的选取光纤参数即能实现两个偏振光分离[Opt. Express, 2003, 11(24): 3188]。另外，利用双芯或多芯光纤的谐振现象，使其中一个偏振方向折射率相位匹配而产生谐振，另一个偏振方向相位不匹配或部分匹配从而不产生谐振，以达到偏振模式分离的目的[J. Lightwave Technol., 2005, 23(11), 3558]。此外，采用部分匹配耦合理论可以实现一种宽带的、高消光比偏振分束器[Appl. Opt. 2010, 49(17), 3042]。基于以上几种方法能够实现或宽带、或高消光比等一些特性的偏振分束器件，但这类分束器一般光纤输出端的模式场变形的比较严重（这是由于需要实现高双折射导致的），因而与常规光纤连接时存在着很大的***损耗。
通过向光子晶体光纤纤芯或包层等空气孔中填充液晶[Opt. Lett., 2008, 33, 986]、半导体[Opt. Express., 2008, 16, 17227]或金属[[Phys. Rev. B., 2008, 77, 033417], [Opt. Express., 2011, 19, 3799]]等来改变光纤的偏振特性已被越来越受到关注。特别是，当填充金属时，由于金属自身的一些特性会给光子晶体光纤带来很强的偏振特性。与此同时，金属填充技术的快速发展也给实现这类偏振特性器件提供了良好的硬件基础[Opt. Express., 2011, 19, 12180]。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提一种光子晶体光纤偏振分束器，该分束器增大了不同偏振态下两纤芯的耦合长度差异，实现了宽带偏振分束的目的。
本发明的技术方案是：一种光子晶体光纤偏振分束器，包括包层和纤芯，所述包层由基质材料和排布在正三角形结构网格结点上的空气孔所组成，所述纤芯包括第一纤芯和第二纤芯；金属介质柱位于分束器中心，所述第一纤芯、第二纤芯均由正三角形网格中缺失一个空气孔所组成，且位于金属介质柱两侧，所述第一纤芯的中心、第二纤芯的中心与金属介质柱的中心在一直线上，所述第一纤芯的中心、第二纤芯的中心与金属介质柱的中心的距离相同，均为L= Λ，其中Λ为孔周期，也即正三角形结构网格任意两个相邻最近结点之间距离。
所述金属介质柱所激发的表面模的有效折射率与第一纤芯或第二纤芯的基模有效折射率之差的绝对值范围为0.001~0.01。
所述金属介质柱由金属银组成。金属介质柱的引入，会增加传输模式的损耗，采用在近红外波段传输损耗较小的金属银可有效地减小器件的损耗。
本发明的有益效果是：通过引入金属介质柱，增大了不同偏振态下两纤芯的耦合长度差异，实现了宽带偏振分束的目的。同时，保持了纤芯模式的基本形状，有利于减小偏振分束器与光纤的连接损耗。
附图说明
图1为本发明的实施例的横截面示意图；
图2为对比实施例的横截面示意图；
图3为两偏振模的耦合长度曲线；
图4为图1所示实施例的纤芯（4）与金属表面模的模式有效折射率曲线；
图5为不存在金属介质柱时两纤芯的耦合长度曲线；
图6为传输过程中的模场分布图；
图7为两纤芯中的能量及传输距离的曲线；
图8为偏振分束器的消光比与波长的关系曲线；
其中，1-基质材料，2-空气孔，3-金属介质柱，4-第一纤芯，5-第二纤芯，6-中心空气孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明如下：
图1是本发明所述填充有金属的双芯光子晶体光纤偏振分束器横截面示意图。双芯光纤的基质材料为纯石英，光纤中心填充金属介质柱3，具体为银。为方便起见，图2给出了未填充金属的双芯光子晶体光纤结构，其中心为中心孔空气孔6，其它参数均与图1所示相同。我们计算了工作波长为λ=1.55 μm时填充金属与未填充金属两种结构的x、y两偏振方向的耦合长度及两者的比值随孔周期的变化关系。图3为两纤芯之间未填充金属的情形，很显然，x、y偏振方向的耦合长度相差不大，并且随着孔周期的增加而变长；此外，两偏振方向的耦合长度比值比较小（小于1.3），这很难达到偏振分束的目的。为此，我们通过对两纤芯之间的空气孔填充金属，能够很明显的增强该结构的偏振相关特性，如图4所示。从图4中可以看出，两偏振方向的耦合长度先是随着孔周期的增加而变长，接着出现极大值，然后随着孔周期的进一步变大而变小；需说明的是填充有金属的双芯光子晶体光纤的耦合长度明显小于未填充金属的双芯光子晶体光纤的耦合长度。同时，填充有金属的双芯结构的耦合长度的比值在2附近。其基本原理为：由光纤理论，当三芯结构光纤的三个纤芯模式匹配，即模式有效折射率相等时，三个纤芯之间耦合最强，其耦合长度比双芯结构（即中间纤芯与两边纤芯模式不匹配）时的耦合长度要短。当金属介质柱激发的表面模与两侧纤芯的基模有效折射率差异很大时，这种光纤即相当于双芯光纤，而当金属介质柱激发的表面模与两侧纤芯的基模有效折射率差异较小(<0.01)时，表面模与纤芯的基模能力发生一定的耦合，从而减小了原来的双芯结构的耦合长度。由于表面模的偏振相关性，两个偏振的表面模与纤芯基模耦合的强弱不同，从而导致两个偏振耦合长度的较大差异。图5为纤芯基模与金属表面模的有效折射率曲线。由图可见，两者存在有效折射率相等的波长位置。由图4和图5可知，当两者有效折射率差较小时，其两偏振的耦合长度比保持在2左右，而当两者有效折射率接近或完成相等时，其两偏振的耦合长度和耦合长度比均减小。因此，应选取合适的有效折射率差。根据分析结果可知，当金属介质柱所激发的表面模的有效折射率与纤芯的基模有效折射率之差的绝对值范围为0.001~0.01时，其两偏振的耦合长度比可保持在2左右。从而实现宽带的偏振分束。
综合考虑，我们选择一组参数，孔周期Λ为3.8 μm，包层空气孔2的直径为1.71 μm，金属介质柱3的直径为1.558 μm。图6给出了该参数下的模场分布，由超模理论可以知道，该双芯结构有四个超模，分别为x偏振方向的偶模和奇模，y偏振方向的偶模和奇模。从某一个纤芯中输入一束光（波长为1.55 μm）后，由于填充金属的作用，x、y两偏振方向的能量从一个纤芯完全耦合到另一个纤芯所需的光纤长度如图7所示。很明显，当将光纤的长度取为L=63 mm，正好能实现偏振分数的目的。同时，我们还计算出了该偏振分束装置长度为63 mm的消光比和带宽如图8所示。从图中可以看出，在波长λ=1.55 μm，ERx=-39.4 dB，λ=1.441 μm ~1.587 μm，达到146 nm的带宽范围内分光比ERx<-20 dB。在波长λ=1.55 μm，ERy=-35.2 dB，λ=1.430 μm ~1.605 μm，达到175 nm的带宽范围内分光比ERx<-20 dB。
Claims (3)
1.一种光子晶体光纤偏振分束器，包括包层和纤芯，其特征在于：所述包层由基质材料(1)和排布在正三角形结构网格结点上的空气孔(2)所组成，所述纤芯包括第一纤芯(4)和第二纤芯(5)；金属介质柱(3)位于分束器中心，所述第一纤芯(4)、第二纤芯(5)均由正三角形网格中缺失一个空气孔所组成，且位于金属介质柱(3)两侧，所述第一纤芯(4)的中心、第二纤芯(5)的中心与金属介质柱(3)的中心在一直线上，所述第一纤芯(4)的中心、第二纤芯(5)的中心与金属介质柱(3)的中心的距离相同，均为其中Λ为孔周期；所述金属介质柱(3)所激发的表面模的有效折射率与第一纤芯(4)或第二纤芯(5)的基模有效折射率之差的绝对值范围为0.001～0.01。
2.根据权利要求书1所述的光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，金属介质柱(3)由金属银组成。
3.根据权利要求书1所述的光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，所述孔周期Λ为3.8μm，空气孔(2)的直径为1.71μm，金属介质柱(3)的直径为1.558μm。
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