CN104297837A - 一种单芯光子晶体光纤偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

一种光子晶体光纤偏振分束器，由纤芯和包层组成且包层折射率低于纤芯，包层的背景材料为碲酸盐，中心部位的四个圆形空气孔a和四个圆形空气孔b共同组成纤芯区域，其中圆形空气孔a分排两列且每列的两个圆孔相切；包层包围纤芯，其由直径相同且呈正六边形周期性排列的圆形空气孔b构成，周期性排列的圆形空气孔b共五层，外侧包层中设有两个小圆形空气孔c和圆形空气孔d且位于与纤芯等距对称的位置上。本发明的优点是：该偏振分束器使用碲化锌碲酸盐作为背景材料，结构简单、分光效果好且较易于制作，通过在外侧包层引入小空气孔来构造缺陷，产生缺陷模，使得缺陷模与纤芯模式产生耦合，使光沿正交方向传播达到分束的目的。

Description

一种单芯光子晶体光纤偏振分束器
技术领域
 本发明属于光纤通信技术领域，特别是一种光子晶体光纤偏振分束器。
背景技术
光子晶体光纤是一种带有缺陷的二维光波导，由在轴向方向具有周期性微结构空气孔排列的石英材料构成，通过微小空气孔对光的约束，实现光的传导。
与传统光纤相比，光子晶体光纤拥有其无法比拟的特性：无截止单模特性、高非线性、高双折射特性、色散可调特性等。
光纤偏振分束器（Fiber Polarization Splitter）是集成光学中一种重要的器件，它能将一束光分为两个处于正交偏振态的光束，并沿不同的方向传输，在激光器的制作，光纤滤波器的实现等方面拥有巨大的应用前景。近年来，光子晶体光纤的出现为设计和制作新结构的偏振分束器提供了新的思路。
通常的偏振分束器分为两类：1）通过构造结构的不对称性，引入高双折射，利用正交方向耦合长度的不同来达到分束的目的，所需光纤长度较短但消光比较低；2）利用三芯PCF的共振效应，使得偏振发生在一个方向，来使光束分离。目前，碲酸盐玻璃由于其较高的非线性折射率以及较宽的传输光谱等特点，也逐渐被采用到偏振分束器的设计中。
2011年，南开大学张伟刚课题组设计了一种基于矩形晶格的双芯PCF偏振分束器，通过在两个纤芯附近引入大小不同的空气孔，使得1.3μm和1.55μm波长的模式分别在两个纤芯中传播，通过对参数的优化，获得较低的串扰。2012年，燕山大学李曙光课题组设计了基于ZnTe碲酸盐玻璃的三芯PCF偏振分束器，并对基于碲酸盐玻璃的双芯PCF偏振分束器的特性进行了分析。上述两种结构的偏振分束器存在的问题是：结构复杂，背景材料使用石英，制作难度较大。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种单芯光子晶体光纤偏振分束器，该偏振分束器使用碲化锌碲酸盐作为背景材料，结构相对简单、分光效果好且较易于制作，通过在外侧包层引入小空气孔来构造缺陷，产生缺陷模，使得缺陷模与纤芯模式产生耦合，来达到分束的目的。
本发明的技术方案：
一种光子晶体光纤偏振分束器，由纤芯和包层组成且包层折射率低于纤芯，包层的背景材料为碲酸盐，中心部位的四个圆形空气孔a和四个圆形空气孔b共同组成纤芯区域，其中圆形空气孔a的直径大于圆形空气孔b的直径，圆形空气孔a分排两列且每列的两个圆孔相切；包层包围纤芯，其由直径相同且呈正六边形周期性排列的圆形空气孔b构成，周期性排列的圆形空气孔b共五层，外侧包层中设有两个小圆形空气孔c和圆形空气孔d且位于与纤芯等距对称的位置上。
所述圆形空气孔a的直径为1.2μm，两列圆形空气孔a的孔间距为3.4μm；圆形空气孔b的直径为1μm，正六边形周期性排列的圆形空气孔b的孔间距为2μm；圆形空气孔c的直径为0.282μm，圆形空气孔d的直径为0.189μm，空气孔的孔间距为2μm，光纤长度为15mm。
一种所述单芯光子晶体光纤偏振分束器的应用，用于滤波器或者激光器中。
本发明通过缺陷孔的设置，使得缺陷模与纤芯基模发生耦合，来达到分束的目的。这与双芯结构的光子晶体光纤偏振分束器所不同，没有利用耦合长度的不同，来使得光从一个纤芯耦合到另一纤芯中。采用单芯结构以及碲酸盐作为背景材料，限制损耗为10-2量级，在实际操作中是可以被接受的。由于缺陷孔设置的较远并且1300nm和1550nm的光分别在正交方向上进行传播，因而获得了优秀的串扰特性，1.3μm和1.55μm处的串扰值分别低至-45.1dB和-40.2dB，小于-20dB的带宽分别为44.2nm和67.1nm。
本发明的优点和有益效果是：
该偏振分束器使用碲化锌碲酸盐作为背景材料，结构相对简单、分光效果好且较易于制作，通过在外侧包层引入小空气孔来构造缺陷，产生缺陷模，使得缺陷模与纤芯模式产生耦合， 1300nm和1550nm的光能够被有效地分开，分别沿正交方向传播达到分束的目的。
 
附图说明
图1为该光子晶体光纤的截面结构示意图。
图中： 1.纤芯   2.包层   3.圆形空气孔a   4.圆形空气孔b   
5.圆形空气孔c    6.圆形空气孔d
图2为该光子晶体光纤偏振分束器的缺陷模与纤芯基模有效折射率的匹配情况。
图3为该光子晶体光纤偏振分束器的限制损耗随波长的变化关系图。
图4为该光子晶体光纤偏振分束器的串扰随波长的变化关系图。
 
具体实施方式
实施例：
一种光子晶体光纤偏振分束器，如图1所示，由纤芯1和包层2组成且包层2折射率低于纤芯1，包层2的背景材料为碲酸盐，中心部位的四个圆形空气孔a3和四个圆形空气孔b4共同组成纤芯区域，其中圆形空气孔a3的直径大于圆形空气孔b4的直径，圆形空气孔a3分排两列且每列的两个圆孔相切；包层2包围纤芯1，其由直径相同且呈正六边形周期性排列的圆形空气孔b4构成，周期性排列的圆形空气孔b4共五层，外侧包层中设有两个小圆形空气孔c5和圆形空气孔d6且位于与纤芯1等距对称的位置上。
该实施例中，圆形空气孔a的直径为1.2μm，两列圆形空气孔a的孔间距为3.4μm；圆形空气孔b的直径为1μm，正六边形周期性排列的圆形空气孔b的孔间距为2μm；圆形空气孔c的直径为0.282μm，圆形空气孔d的直径为0.189μm，空气孔的孔间距为2μm，光纤长度为15mm。
图2为该光子晶体光纤偏振分束器的缺陷模与纤芯基模有效折射率的匹配情况，其中（a）为波长1.3μm的匹配情况、（b）为波长1.55μm的匹配情况。图中表明：通过空气孔参数的设置，使得折射率在所需要的波段处匹配，即发生耦合，使光束分离。
图3为该光子晶体光纤偏振分束器计算得到的限制损耗随波长的变化关系图，其中（a）为波长1.3μm的变化关系、（b）为波长1.55μm的变化关系。图中表明：该光子晶体光纤的限制损耗较低，在波长1.3μm处，损耗为0.063dB，在1.55μm处，损耗为0.048dB。
图4为该光子晶体光纤偏振分束器的串扰随波长的变化关系图，其中（a）为波长1.3μm的变化关系、（b）为波长1.55μm的变化关系。图中表明：该光子晶体光纤偏振分束器两种情况下都具有很低的串扰值和大的带宽。

Claims (3)

1.一种光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：由纤芯和包层组成且包层折射率低于纤芯，包层的背景材料为碲酸盐，中心部位的四个圆形空气孔a和四个圆形空气孔b共同组成纤芯区域，其中圆形空气孔a的直径大于圆形空气孔b的直径，圆形空气孔a分排两列且每列的两个圆孔相切；包层包围纤芯，其由直径相同且呈正六边形周期性排列的圆形空气孔b构成，周期性排列的圆形空气孔b共五层，外侧包层中设有两个小圆形空气孔c和圆形空气孔d且位于与纤芯等距对称的位置上。
2.根据权利要求1所述光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述圆形空气孔a的直径为1.2μm，两列圆形空气孔a的孔间距为3.4μm；圆形空气孔b的直径为1μm，正六边形周期性排列的圆形空气孔b的孔间距为2μm；圆形空气孔c的直径为0.282μm，圆形空气孔d的直径为0.189μm，空气孔的孔间距为2μm，光纤长度为15mm。
3.一种如权利要求1所述单芯光子晶体光纤偏振分束器的应用，其特征在于：用于滤波器或者激光器中。
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