CN109324370B - 一种光子晶体光纤耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体光纤耦合器，包括5个完全相同的纤芯，依次标号为C1～C5，纤芯C2和纤芯C4关于纤芯C1在竖直方向对称排列，纤芯C3和纤芯C5关于纤芯C1在水平方向对称排列；所述纤芯位于由基底材料中周期性排布的圆柱体形成的排列方式呈正四边形晶格结构的二维光子晶体结构中，其由缺少一个低折射率圆柱体所形成的缺陷构成。本发明的结构可在较短的耦合器长度内，达到光能量平均分配到4个出射纤芯的目的。针对普通空气孔光子晶体光纤存在的气孔塌陷问题，提出了采用全固态光子晶体光纤耦合器方案，有利于解决普通空气孔光子晶体光纤拉制和熔接过程中存在的空气孔塌陷问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学通信与光纤传感技术领域，尤其涉及一种光子晶体光纤耦合器。
背景技术
光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位，已成为光纤通信和光纤传感领域不可或缺的一部分。双芯、多芯光纤是光纤结构中重要组成部分，特别是以双芯光纤为难质的有源和无源器件如定向耦合器、偏振分束器、模式转换器、偏振器等功能器件成为光纤***中必不可少的元件。星型耦合器是在光通信网络和光纤传感***中运用最为广泛的耦合器，通常制作星型耦合器的方法有两种：级联法和熔融拉锥法。然而，级联法存在的问题是耦合器结构比较复杂，器件体积较大，且有较大的***损耗。而熔融拉锥法可以避免级联法中出现的问题，但是它很难保证耦合器各个输出端口的耦合效率的一致性。采用熔融拉锥法时，由于存在多根光纤捆绑问题，用这种方法很难制作出1×4光纤耦合器，因此，很少有关于1×4光纤耦合器的报道。
光子晶体光纤又叫微结构光纤或多孔光纤，以其结构设计上的灵活性及特殊性成为特种光纤研究领域的研究热点之一。光子晶体光纤可控参数多、设计灵活、通过堆拉工艺容易实现各种新型结构，为研制具有新颖特性的新型光子晶体光纤提供了广阔的设计空间。
自B.J.Mangan等人率先制作出双芯光子晶体光纤以来，有关双芯、多芯光子晶体光纤耦合特性的相关报道相继涌现。多芯光子晶体光纤本质上就是光定向耦合器，通过控制光纤的长度，可以获得不同分光比的定向耦合器。普通光子晶体光纤采用的背景材料一般由熔融石英制成，包层则由空气孔按三角形周期性结构均匀排列而构成。由于空气孔的存在，在拉制或熔接过程中，很难保证空气孔的完整性以及空气孔排列的均匀性，容易出现空气孔塌陷问题，结构的不均匀性还会造成光纤出现较大的约束损耗。
发明内容
针对现有技术所存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种全固态的1×4光子晶体光纤耦合器，用于解决现有技术中采用多光纤捆绑熔融难以制作1×4光耦合器问题；同时采用固态材料替代普通光子晶体光纤的空气孔，有利于解决普通空气孔光子晶体光纤在拉制或熔接过程中存在的空气孔塌陷问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种光子晶体光纤耦合器，包括5个完全相同的纤芯，依次标号为C1～C5，纤芯C2和纤芯C4关于纤芯C1在竖直方向对称排列，纤芯C3和纤芯C5关于纤芯C1在水平方向对称排列；所述纤芯位于由基底材料中周期性排布的圆柱体形成的排列方式呈正四边形晶格结构的二维光子晶体结构中，其由缺少一个低折射率圆柱体所形成的缺陷构成。
作为进一步优化，所述基底材料为折射率相对较高的硅酸盐玻璃、软玻璃材料或聚合物材料，基底材料折射率为n1；所述圆柱体材料为与基底材料温度系数相匹配的材料，圆柱体材料对应的折射率为n2，其中n1＞n2。
作为进一步优化，设正四边形晶格任意两个最近的相邻点之间的距离长度为Λ，纤芯C2～C5与纤芯C1之间的距离为4Λ；圆柱体直径用d表示。
作为进一步优化，当耦合器工作时，光波从纤芯C1入射进耦合器，在耦合器中传输一段距离后光能量分别从纤芯C2～C5耦合出去，因此，纤芯C1称为入射纤芯，纤芯C2～C5称为出射纤芯。
本发明的有益效果在于：
1.针对传统制作工艺难以拉制1×4光耦合器的问题，提出了一种采用正方形晶格多芯光子晶体光纤的光耦合器方案，该结构可在较短的耦合器长度内，达到光能量平均分配到4个出射纤芯的目的。
2.针对普通空气孔光子晶体光纤存在的气孔塌陷问题，提出了采用全固态光子晶体光纤耦合器方案，有利于解决普通空气孔光子晶体光纤拉制和熔接过程中存在的空气孔塌陷问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的多芯光子晶体光纤耦合器横截面结构图。
图2为光波在光子晶体光纤耦合器传输过程中的模场分布图。
图3为入射纤芯中的光波归一化强度与传输距离的关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提出的全固态1×4光子晶体光纤耦合器横截面结构示意图。全固态光子晶体光纤耦合器由在基底材料(深色)中周期性排布的圆柱体(浅色)形成的二维光子晶体结构，排列方式呈正四边形晶格结构，纤芯由缺少一个低折射率圆柱体所形成缺陷而构成，其中，晶格长度为Λ，即正四边形晶格任意两个最近的相邻点之间的距离，圆柱体直径用d表示。基底材料可使用折射率相对较高的硅酸盐玻璃、软玻璃材料或聚合物材料等，基底材料折射率为n1，而圆柱体部分可采用与基底材料温度系数相匹配的材料，圆柱体材料对应的折射率为n2，则n1＞n2。光子晶体耦合器由5个完全相同的纤芯构成，依次标号为C1～C5。纤芯C2和纤芯C4关于纤芯C1在竖直方向对称排列，纤芯C3和纤芯C5关于纤芯C1在水平方向对称排列，出射纤芯C2～C5与入射纤芯C1之间的距离为4Λ。当耦合器工作时，光波从纤芯C1入射进耦合器，在耦合器中传输一段距离后光能量分别从纤芯C2～C5耦合出去，因此，纤芯C1称为入射纤芯，纤芯C2～C5称为出射纤芯。
设入射纤芯C1和各出射纤芯C2～C5之间的耦合系数用ki表示，其中i＝2～5。显然，由于光纤结构对称性，对于x或y偏振模，存在k2＝k4与k3＝k5。设水平方向耦合系数表示为kv，则kv＝k3＝k5，竖直方向耦合系数用表示kh，则kh＝k2＝k4。根据耦合模理论，只有当耦合器的水平方向的耦合系数kv与竖直方向的耦合系数kh相等时，进入入射纤芯C1的能量才能够平均分配到各个纤芯中去。对于同一个偏振模而言，两个垂直方向的耦合系数kv和kh通常是不相等的，因此，为了能够对竖直方向和水平方向的耦合系数进行灵活调节，分别在入射纤芯C1与出射纤芯C2～C5之间引入了不同直径的圆柱体，分别为d1和d2，如图1所示，通过适当调节d1、d2的大小即可达到竖直和水平方向耦合系数相等的目的。同时，不同直径圆柱体d1、d2的引入也可以实现对耦合器的耦合长度进行调节。
在一个具体实施例中，如图1所示，多芯光子晶体光纤耦合器采用硅酸盐玻璃，其中，基底材料(折射率为n1)为硼硅酸盐玻璃(B1)，圆柱体材料(折射率为n2)需要选择与基底温度系数相匹配的材料，这里选择掺杂硼硅酸盐玻璃的氟化钾材料(H1)。这两种材料在工作波长1.55μm处对应折射率分别为n1＝1.76，n2＝1.59。仿真过程中，取工作波长为1.55μm，晶格常数取Λ＝2μm，d＝0.8μm。为了使水平方向耦合系数kv和竖直方向耦合系数kh相等，需要对圆柱体直径d1和d2的大小进行优化调节。通过全矢量有限元法对两个方向的耦合系数进行分析，结果表明，对于x偏振模，当圆柱体直径d1和d2分别为0.8μm、0.74μm时，各纤芯与入射纤芯之间的耦合系数基本一致。
图2为采用全矢量光束传播法仿真得到的光波在光子晶体光纤耦合器中传输过程中的模场分布图。可以看出，当光波开始传输时，光能量主要聚集在入射纤芯C1中，而随着光波传输距离的增加，光波能量逐渐从入射纤芯C1向其它纤芯C2～C5进行耦合，从而，使得入射纤芯的光强度逐渐减弱，同时出射纤芯的光强度逐渐增加。当光波在耦合器中传输到一定长度时，入射到纤芯C1的光能量几乎消失，而出射纤芯C2～C5的光强度达到了最大，且光强度大小基本一致，大约为入射能量的25％。
图3为入射纤芯C1和出射纤芯C2～C5在光子晶体光纤耦合器不同距离时对应的归一化光强度。显然，当光波在耦合器内传输的长度为L＝2.48mm时，出射纤芯C2～C5对应的光强度基本一致，且最大光强度为24.94％，意味着入射光波的能量几乎平均耦合到了出射纤芯中去，从而达到了1×4光耦合的功能。
综上所述，通过本发明所提供的全固体多芯光子晶体光纤耦合器，通过调节优化参数d1和d2大小，使得水平方向耦合系数和竖直方向耦合系数基本一致，从而达到了1×4光分束的目的；结果表明耦合器的长度仅仅2.5mm，从而使器件长度更短，利于***集成化和小型化；提出的多芯光子晶体光纤耦合器采用全固体材料，相较于普通空气孔光子晶体光纤，避免了拉制和熔接过程中存在的空气孔塌陷问题。本发明提出的多芯光子晶体光纤耦合器在光通信***和光纤传感领域有一定的实际意义。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (2)
1.一种光子晶体光纤耦合器，其特征在于，包括5个完全相同的纤芯，依次标号为C1～C5，纤芯C2和纤芯C4关于纤芯C1在竖直方向对称排列，纤芯C3和纤芯C5关于纤芯C1在水平方向对称排列；所述纤芯位于呈正四边形晶格结构的二维光子晶体结构中，所述呈正四边形晶格结构的二维光子晶体结构由基底材料中周期性排布的圆柱体排列形成，所述纤芯由缺少一个低折射率圆柱体所形成的缺陷构成，所述基底材料为折射率相对较高的硅酸盐玻璃、软玻璃材料，基底材料折射率为n1；所述圆柱体材料为与基底材料温度系数相匹配的材料，圆柱体材料对应的折射率为n2，其中n1>n2。
2.如权利要求1所述的一种光子晶体光纤耦合器，其特征在于，当耦合器工作时，光波从纤芯C1入射进耦合器，在耦合器中传输一段距离后光能量分别从纤芯C2～C5耦合出去。
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