CN103217743A - 基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器，其特征在于包括背景材料、包层、第一纤芯、第二纤芯和金属线；背景材料为硅玻璃材料，在背景材料上设有正六边形结构周期排列的空气孔形成包层，第一纤芯和第二纤芯对称位于包层中心的两个空气孔缺陷，选择包层中任意一个或两个空气孔，将金属材料填充空气孔中形成金属线。本发明利用金属线掺杂的光子晶体光纤耦合器中，两个正交偏振分量透射率和耦合长度的不同，可以实现对输出光透射率和偏振态的控制，实现偏振分离、偏振滤波的功能。是一种具有宽工作带宽、性能稳定特点的，能够实现偏振分离、偏振滤波的光纤耦合器。

Description

基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器

技术领域

本发明涉及光纤耦合器领域，特别涉及一种用于偏振分离和偏振滤波的光子晶体光纤偏振耦合器，是一种基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器。

背景技术

光纤由于具有传输损耗低、直径小、重量轻、可弯曲、耐腐蚀、及抗电磁干扰等优点而广泛应用于通信领域，由其组成的全光纤网络具有更大的通信容量、便于维护、可靠性高等优点。光子晶体光纤是一种在垂直于光束传播方向具有周期微结构的光纤，这种周期微结构通常由空气孔或高折射率的介质构成，利用全反射原理或者光子带隙将光局域在缺陷中传输。与传统光纤相比，光子晶体光纤具有支持无截止单模传输、色散可调、大模场面积、超高非线性等优点，因此光子晶体光纤被广泛用于制作高功率光纤激光器、超连续谱激光器等。此外，通过引入多个纤芯（缺陷）可以实现光纤耦合器、波分复用器、以及超大容量的信号传输等目的。但光纤中的偏振模式耦合会降低所传输信号的信噪比，减小通信容量等。在传统的光纤网络中，多采用保偏光纤对偏振模耦合进行抑制。保偏光纤可以实现两个正交偏振光的独立传输，通常不具备起偏的功能。

光子晶体光纤耦合器是由在中心区域设置两个平行的纤芯而构成。当光入射到一个纤芯后，在纤芯中沿纵向传输的同时，也在两个纤芯间发生周期性的功率转移。在单个纤芯入射的条件下，光子晶体光纤耦合器中的两个超模被同时激发，并且每个超模都以各自的传输常数传输。超模为光子晶体光纤耦合器的本征模式，由两个纤芯中的模场叠加形成。其中，偶模由两个纤芯中同相位等振幅的两个模场叠加而成，其传输常数为β_e；奇模由两个纤芯中等振幅且存在相位差为π的两个模场叠加而成，其传输常数为β_o。随着传输距离z的变化，两个超模之间的相位差ψ(z)=(β_e-β_e)z不断变化，光在纤芯间发生的周期性功率转移，可以认为是由此变化引起的。将光从入射纤芯转移到另外一个纤芯中所需的传输长度定义为耦合长度L_c，则该耦合长度由两个超模的传输常数决定L_c=π/|β_e-β_e|。传统的光子晶体光纤耦合器中，沿两个纤芯连线方向的偏振分量与沿垂直于两个纤芯连线方向的偏振分量之间存在双折射现象，但是双折射系数很小，不能在有限的距离内实现两个偏振分量的分离。当线偏振光入射时，两个正交偏振分量间相位差的不断变化导致偏振态的周期性演化。

发明内容

针对传统的光子晶体光纤耦合器对偏振态调制的不足，本发明提出一种基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器，提供一种具有宽工作带宽、性能稳定特点的，能够实现偏振分离、偏振滤波的光纤耦合器。

一种基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器，其特征在于包括背景材料1、包层2、第一纤芯4、第二纤芯5和金属线3；背景材料为硅玻璃材料，在背景材料上设有正六边形结构周期排列的空气孔形成包层2，第一纤芯4和第二纤芯5对称位于包层中心的两个空气孔缺陷，选择包层2中任意一个或两个空气孔，将金属材料填充空气孔中形成金属线3。

所述填充金属材料的空气孔位于第一纤芯4和第二纤芯5之间空气孔。

所述填充金属材料的空气孔位于第一纤芯4和第二纤芯5之间两个空气孔。

所述填充金属材料的空气孔位于空气孔包层的第二层空气孔中，相邻的两个空气孔。

本发明提出一种基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器，当耦合器处于工作状态时，入射光从第一纤芯输入，在纤芯中同时激发偶模和奇模，产生周期性的功率转移。纤芯中的偶模和奇模因与金属线表面等离子体激元模式满足波矢匹配条件，在金属表面激发表面等离子体激元，两者之间产生耦合，部分能量被转移到金属线上而损耗掉，导致纤芯模式的传输损耗。由于两个正交偏振分量在金属线表面切线方向具有不同的磁场分量，导致两个正交偏振分量具有不同的衰减系数，输出端的透射率表现出一定的偏振依赖性。此外，在纤芯间填充金属线，将增大纤芯中两个正交偏振分量的传输常数的差值，导致两个正交偏振分量具有不同的耦合系数。利用金属线掺杂的光子晶体光纤耦合器中，两个正交偏振分量透射率和耦合长度的不同，可以实现对输出光透射率和偏振态的控制，实现偏振分离、偏振滤波的功能。是一种具有宽工作带宽、性能稳定特点的，能够实现偏振分离、偏振滤波的光纤耦合器。

附图说明

图1是实施例1中光子晶体光纤偏振耦合器结构示意图。

图2是实施例1中耦合器中两个正交偏振分量的偶模和奇模对应的模式分布图。

图3是实施例1中耦合器中两个正交偏振分量的耦合长度随入射光波长变化图。

图4是实施例1中1330nm波长入射光的正交偏振分量的归一化强度随传输距离变化图。

图5是实施例1中长度为2L_cy的耦合器出射光的正交偏振分量透射率比值的光谱图。

图6是实施例2中光子晶体光纤耦合器结构示意图。

图7是实施例2中1550nm波长入射光的正交偏振分量的归一化强度随传输距离变化图。

图8是实施例2中长度为2mm的耦合器，出射光中两个正交偏振分量的透射率和偏振度光谱图。

图9是实施例3中光子晶体光纤耦合器结构示意图。

图10是实施例3中耦合器中超模的损耗谱。

图11是实施例3中1030nm波长入射光的两个正交偏振分量的归一化强度随传输距离变化图。

图中，背景材料1，空气孔2，金属线3，第一纤芯4，第二纤芯5

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：

本发明的光子晶体光纤耦合器结构示意图如图1所示，包括背景材料1，空气孔2，金属线3，光纤的两个纤芯：第一纤芯4和第二纤芯5。两个纤芯分别由空气孔缺陷构成。当入射光由第一纤芯输入后，将在两个纤芯间进行周期性的功率转移，并在金线表面激发表面等离子体激元，导致入射光的部分功率转移到金线表面并损耗掉。

假设第一纤芯4和第二纤芯5中导模的复振幅分别为u₁、u₂，并且定义水平方向为x方向，竖直方向为y方向，所述耦合器中的两个纤芯中导模的复振幅随传输距离z的变化满足如下条件：

$\begin{array}{c}\frac{d}{\mathrm{dz}}{u}_1\left(z\right)={\mathrm{in}}_1{\mathrm{ku}}_1\left(z\right)+{\mathrm{i\κu}}_2\left(z\right)\\ \frac{d}{\mathrm{dz}}{u}_2\left(z\right)={\mathrm{in}}_2{\mathrm{ku}}_2\left(z\right)+{\mathrm{i\κu}}_1\left(z\right)\end{array}---\left(1\right)$

式中，n₁和n₂分别为第一和第二纤芯中导模的有效折射率，其虚部对应了纤芯中导模的传输损耗，由纤芯模式与金属表面等离子激元耦合而成；k=2π/λ为传输光在真空中的波矢，λ为真空中的波长；κ为两个纤芯之间的耦合系数。根据超模理论，光在两个纤芯间产生的周期性功率转移，可以通过偶模和奇模间的相位差的变化来表示，因此，可以采用偶模和奇模的复振幅变化来表示两个纤芯中导模的复振幅变化，即u_e(z)=u₁(z)+u₂(z)，u_o(z)=u₁(z)-u₂(z)。u_e(z)和u_e(z)分别对应着光子晶体光纤耦合器中偶模和奇模的复振幅。耦合器中超模的复振幅随传输距离z的变化表示为

$\frac{d}{\mathrm{dz}}{u}_{e,o}\left(z\right)=i{\mathrm{\β}}_{e,o}{u}_{e,o}\left(z\right)---\left(2\right)$

式中，β_e(z)和β_o(z)分别为偶模和奇模所对应的传输常数，满足β_e(z)=n_ek和β_o(z)=n_ok，其中n_e和n_o分别为偶模和奇模的有效折射率。当入射光由第一纤芯4输入时，第一纤芯4和第二纤芯5中导模复振幅在z=0处分别为u₁(0)=1，u₂(0)=0，则偶模和奇模的复振幅在z=0处分别为u_e(0)=1，u_o(0)=1。在长度为L的耦合器中传输后，输出端的偶模和奇模的复振幅分别为u_e(L)=exp(iβ_eL)，u_o(L)=exp(iβ_oL)。第一纤芯4和第二纤芯5中光场的振幅为u₁(L)=[u_e(L)+u_o(L)]/2=[exp(iβ_eL)+exp(iβ_oL)]/2，u₂(L)=[u_e(L)-u_o(L)]/2=[exp(iβ_eL)-exp(iβ_oL)]/2。此时，输出端第一纤芯4和第二纤芯中5输出光的损耗分别为

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{1,2}}=10{\log }_{10}\frac{I_{\mathrm{1,2}}\left(L\right)}{I_0}\left(\mathrm{dB}\right)---\left(3\right)$

式中，I₁(L)和I₂(L)分别为第一纤芯4和第二纤芯5输出光的强度，表示为I₁(L)=|u₁(L)|²，I₂(L)=|u₂(L)|²，I₀为输入光的强度。

需要指出的是，当光子晶体光纤耦合器第一纤芯4和第二纤芯5中间没有填充金属线3时，x偏振分量和y偏振分量的传输常数差别很小，即L_cx≈L_cy，耦合器中的双折射现象不明显，不能在较短的距离内实现x偏振分量和y偏振分量的分离；当光子晶体光纤耦合器的包层空气孔中填充金属线3后，纤芯中的双折射将明显增大，x偏振分量和y偏振分量具有不同的耦合长度和损耗系数，在较短的距离内能够实现偏振分量的分离。图2（a）（b）（c）（d）分别代表x偏振的偶模和奇模以及y偏振的偶模和奇模的光场分布。

实施例1：

如图1所示，取光子晶体光纤中间位置处，间距为D=2Λ的两个空气孔，填充背景材料1构成第一纤芯4和第二纤芯5，在第一纤芯4和第二纤芯5之间空气孔填充金属线3，金属材料为金，直径d=1μm。空气孔2直径d=1μm，间距Λ=2.3μm。背景材料为二氧化硅。

图3为光子晶体光纤偏振耦合器中x偏振分量和y偏振分量的耦合长度。从图3中可以看出，入射光波长位于1150nm～1600nm范围内时，耦合器中y偏振分量的耦合长度约为x偏振分量的1.5倍。当45°线偏振光由第一纤芯4输入后，随传输距离的增加逐渐从第一纤芯4转移到第二纤芯5中，当传输距离z=2L_cy时，y偏振分量由第二纤芯5耦合回第一纤芯4，而x偏振分量再次由第一纤芯4耦合到第二纤芯5。此时，第一纤芯4中的光只包含y偏振分量，第二纤芯5中的光只包含x偏振分量。图4为波长等于1330nm的光在耦合器中传输过程中，两个纤芯的归一化强度随传输距离的变化图。从图中可以看出，当选取耦合器的长度为L=L₀=2L_cy时，在耦合器的输出端，第一纤芯4的输出光为仅y偏振光，第二纤芯5的输出光为仅x偏振光。图5为波长在1150nm～1600nm范围内入射光，经长度为2L_cy的耦合器传输后，两个纤芯透射光的偏振分量的比值。从图中看出，两个纤芯输出光是具有高偏振度的线偏振光。在一个宽度为100nm的范围内，第一纤芯4中输出的为x偏振光，第二纤芯5输出的为y偏振光，输出线偏振光中两个正交偏振分量的强度比值均大于20dB。此种结构提供了一种具有宽工作带宽、实现线偏振光分离的耦合器。

实施例2：

如图6所示，取光子晶体光纤中间位置处，间距为

的两个空气孔，填充背景材料1构成第一纤芯4和第二纤芯5，在第一纤芯4和第二纤芯5之间两个空气孔中填充金属线3，金属材料为金，直径d=1μm。空气孔2直径d=1μm，间距Λ=2.3μm，折射率n=1。背景材料为二氧化硅。

图4为波长等于1550nm的光在耦合器中传输过程中，两个纤芯的归一化强度随传输距离的变化关系。当45°线偏振光由第一纤芯4输入后，x偏振分量在两个纤芯中发生周期性功率转移的同时，功率迅速衰减，在传输距离为2mm后，透射光的x偏振分量损耗为7dB；y偏振分量在产生周期性功率转移的过程中，衰减速度较慢，在传输距离为2mm后，透射光的y偏振分量损耗为22dB，出射光的偏振度为0.94。

图8为波长在1200nm～1600nm范围内的入射光，经过长度为2mm的耦合器传输后，两个偏振分量的透射率及出射光的偏振度光谱。从图中可以看出，入射光在经过2mm的耦合器传输后，x偏振分量的损耗远大于y偏振分量，输出光在1200nm～1600nm的波长范围内，偏振度均大于0.85。

实施例3：

如图9所示，取光子晶体光纤中间位置处，间距为D=2Λ的两个空气孔，填充背景材料1构成第一纤芯4和第二纤芯5。在空气孔包层的第二层空气孔中，取相邻的两个空气孔填充金属线3，金属材料为金，直径d=1μm。空气孔2直径d=1μm，间距Λ=2.3μm。背景材料为二氧化硅。

45°线偏振光由第一纤芯4输入后，在纤芯中形成两种超模，即偶模和奇模，以不同的传输常数传输。纤芯中超模的倏逝场耦合到空气孔包层中的两个金线3上，在金线3上同时激发表面等离子体激元。两个表面等离子体激元模式叠加，形成四个具有不同传输常数的混合模式。这四种模式与耦合器纤芯中的x偏振分量和y偏振分量在不同波长处满足相位匹配条件，导致耦合器纤芯中的x偏振分量和y偏振分量吸收峰的劈裂和分离，如图10所示。x偏振分量的两个吸收峰位于B点和C点，对应波长为1066nm和1072nm，y偏振分量的偶模和奇模在波长等于1030nm和1094nm处各有两个吸收峰。x偏振分量和y偏振分量吸收峰的分离，能够提高耦合器对入射光的偏振选择吸收，增大输出光的偏振度。

图11是入射波长等于1030nm时，两个纤芯中的x偏振分量和y偏振分量的透射率随传输距离的变化情况。从图中可以看出，耦合器对y偏振分量有很强的吸收，在传输距离为1.5cm后，迅速地衰减到17dB。耦合器对x偏振分量吸收较弱，在传输同样的距离后，衰减为3dB。此外，当填充的两个金线3具有的不同的直径，引起的损耗峰值的劈裂和平移量也将不同，通过调节两个金线的直径比，可以实现对吸收峰的位置的平移，获得一个宽的工作带宽。

Claims (4)

1.一种基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器，其特征在于包括背景材料（1）、包层（2）、第一纤芯（4）、第二纤芯（5）和金属线（3）；背景材料为硅玻璃材料，在背景材料上设有正六边形结构周期排列的空气孔形成包层（2），第一纤芯（4）和第二纤芯（5）对称位于包层中心的两个空气孔缺陷，选择包层（2）中任意一个或两个空气孔，将金属材料填充空气孔中形成金属线（3）。

2.根据权利要求1所述基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器，其特征在于：所述填充金属材料的空气孔位于第一纤芯（4）和第二纤芯（5）之间空气孔。

3.根据权利要求1所述基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器，其特征在于：所述填充金属材料的空气孔位于第一纤芯（4）和第二纤芯（5）之间两个空气孔。

4.根据权利要求1所述基于双芯光子晶体光纤掺杂金属线的偏振耦合器，其特征在于：所述填充金属材料的空气孔位于空气孔包层的第二层空气孔中，相邻的两个空气孔。

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