CN1837867A - 宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有宽带单偏振传输特性的双芯光子晶体光纤，应用于光纤通信和光学信号处理等技术领域。为了弥补现有技术还没有任何关于宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，本发明提供了一种可用于实现此类光纤技术方案：这种光纤，它的包层由基底上按规则网络结构排列空气孔形成，两个缺陷纤芯由包层空气孔的缺失形成，其特点在于：在光纤横截面的两个正交偏振方向上所述两芯区附近的空气孔的大小是不同的，上述横截面结构沿光纤的长度方向不变。本发明的有益效果：通过适当调节大空气孔直径d’或小空气孔直径d值，可以实现单偏振单模耦合波长范围的调整。适当减小d’和增加d值，可以使此范围向长波长方向移动，同时该范围的大小基本保持不变。

Description

宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及一种单模光子晶体光纤，尤其是涉及具有宽带单偏振传输特性的双芯光子晶体光纤。应用于光纤通信和光学信号处理等技术领域。

背景技术

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber)，又被称为微结构光纤(MicrostructureOptical Fiber)或多孔光纤(Holey Fiber)，是由R.J.Russell小组的J.C.Knight等人在1996年首次制造出来的(Optics Letters，21，1547-1549，1996)。由于它设计灵活、可以具有许多普通光纤不能实现的特性(如无截止波长单模传导、可设计的色散特性和模场尺寸以及高数值孔径等)而受到广泛关注。光子晶体光纤被分为两种类型。第一类是折射率传导型光子晶体光纤，它是通过在固体的纤芯和多层的空气孔包层之间的全内反射实现的导光；第二类是光子带隙光纤，它利用光子带隙效应对特定波段的光实现了在低折射率纤芯处的传导。

光子晶体光纤的制作过程通常是把空心的玻璃毛细管和实心玻璃棒按一定结构堆积成预制棒，然后在光纤拉制塔中拉制成光纤。由于在预制棒的制作过程中毛细管和玻璃棒的数目和排列方式可以灵活设计，因此多芯光子晶体光纤的实现相对来说比较容易。基于多芯折射率引导型光子晶体光纤的方向耦合器相关的器件已经被广泛的研究，2000年B.J.Mangan等人在“Experimental study of dual-core photonic crystalfibre”，Electron.Lett.36，1358-1359，(2000)中最早拉制了双芯折射率传导光子晶体光纤并对这种光纤的耦合特性做了研究。L.Zhang等人在“Polarization splitter based onphotonic crystal fibers”，Optics express，11，1015-1020(2003)中利用高双折射双芯光子晶体光纤实现了偏振分离器功能，在中国专利(申请号03100608.6)中也公布了相关内容。此外K.Saitoh等人在“Coupling characteristics of dual-core photonic crystalfiber couplers”，Optics Express，11，3188-3195(2003)中设计了基于双芯光子晶体光纤耦合器的复用一解复用器，J.Legsgaard等人在“Photonic crystal fiber design forbroadband directional coupling”，Optics Letters，29，2473-2475(2004)中利用下掺杂双芯光子晶体光纤设计了具有极宽频率范围的方向耦合器。这些研究和应用充分体现了光子晶体光纤在设计的灵活性以及比普通光纤更强的对光的控制能力。上述报道都是基于折射率传导型光子晶体光纤的，近期又有关于双芯光子带隙光纤及耦合特性的报道。如：ZhiWang等人在“Coupling and decoupling of dual-core photonic bandgap fibers”，OpticsLeters 30，2542-2544(2005)中对双芯光子带隙型光纤的耦合特性进行了研究，并首次在双芯光纤结构中发现了无耦合特性。J.Lgsgaard等人在“Directional coupling intwin-core photonic bandgap fibers”Optics Leters，30，3281-3283(2005)中和MaksimSkorobogatiy等人在“Transverse light guides in microstructured optical fibers”Optics Leters，31，314-316(2006)中对双芯光子带隙光纤的耦合特性做了进一步的研究。然而据我们了解，还没有任何关于宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤的报道。

发明内容

为了弥补现有技术还没有任何关于宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，本发明提供了一种可用于实现宽带单偏振单模耦合的双芯光子晶体光纤技术方案：

这种宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，它的包层由基底上按规则网络结构排列空气孔形成，两个缺陷纤芯由包层空气孔的缺失形成，其特点在于：在光纤横截面的两个正交偏振方向上所述两芯区附近的空气孔的大小是不同的，上述横截面结构沿光纤的长度方向不变。

在这种结构中，光纤横截面上两个芯区附近X偏振方向上的孔小于Y偏振方向上的孔，从而X偏振方向的有效折射率大于Y方向的。当纤芯区X或Y偏振方向的有效折射率大于包层的有效折射率时，这个模式是一个传导模式。当它小于包层的有效折射率时，这个模式就成为一个泄漏模式，即基模被截止。当X偏振方向的有效折射率大于并且Y偏振方向的有效折射率小于包层的有效折射率时，光纤即实现了单偏振传导。

双芯光纤耦合器的工作原理通常可以利用超模式的干涉来解释。当光从双芯光纤的一个纤芯入射时，在光纤中同时激起偶、奇两个超模式，它们分别基于光纤结构中与两个纤芯连线方向垂直的对称轴呈偶对称或奇对称。通常，偶模式和奇模式的传播常数不同，因此在两个模式干涉下，光的能量在沿光纤传播方向在两个纤芯之间周期转移。能量从一个纤芯转移到另一个纤芯时在光纤中所传播的距离定义为耦合长度：

$L_c^{\mathrm{\σ}}=\frac{\mathrm{\π}}{|{\mathrm{\β}}_e^{\mathrm{\σ}}-{\mathrm{\β}}_o^{\mathrm{\σ}}|}$ (σ＝x，y)

其中L_c ^x和L_c ^y表示x和y偏振方向的耦合长度，β_e ^x和β_e ^y是x方向和y方向偏振的偶模式的传播常数，β_o ^x和β_o ^y是x方向和y方向偏振的奇模式的传播常数。耦合长度越短，表明双芯之间的耦合越强。

本发明所述的宽带单偏振单模光子晶体光纤耦合器的可以具有较短的耦合长度，耦合长度随波长、空气孔大小改变。

本发明所述的宽带单偏振单模光子晶体光纤耦合器通过两个纤芯中传播的基模之间的模场交叠，使能量在两个纤芯之间转换，实现光纤耦合器的功能。同时由于它具有宽带单偏振单模耦合的特点，它可以在特定的波段范围内滤掉一个偏振方向上的光而实现只对单一偏振方向的光进行耦合。

本发明的原理是利用高双折射形成的两个垂直偏振方向上折射率的差别，形成对特定波长范围的光单偏振耦合的特点。

本发明的有益效果：通过适当调节大空气孔直径d’或小空气孔直径d值，可以实现单偏振单模耦合波长范围的调整。数值计算结果表明，通过适当减小大空气孔直径d’和增加小空气孔直径d值，可以使单偏振单模耦合波长范围向长波长方向移动，同时该范围的大小基本保持不变。

附图说明

图1是本发明的光纤横截面的结构示意图。

图2是本发明的光纤横截面部分结构的示意图。

图3是本发明光纤结构中d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时传导模式的有效折射率随归一化波长变化。

图4是本发明光纤结构中d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时两个垂直偏振方向上归一化耦合长度随波长变化。

图5是本发明光纤结构中d/Λ＝0.5时在单偏振单模区域中归一化耦合长度随波长和d’/Λ值的变化。

图6是本发明光纤结构中d’/Λ＝0.95时在单偏振单模区域中归一化耦合长度随波长和d/Λ值的变化。

图中：1.基底材料  2.小空气孔  3.大空气孔  4.缺陷纤芯  9.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时X偏振方向偶模式对应的折射率  10.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时X偏振方向奇模式对应的折射率  11.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时Y偏振方向偶模式对应的折射率  12.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时Y偏振方向奇模式对应的折射率  13.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时包层有效折射率  14.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时的单偏振单模区域  15.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时Y偏振方向的归一化耦合长度  16.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时X偏振方向的归一化耦合长度17.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.94时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度  18.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度  19.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.96时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度  20.d’/Λ＝0.95，d/Λ＝0.48时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度  21.d’/Λ＝0.95，d/Λ＝0.48时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度  22.d’/Λ＝0.95，d/Λ＝0.48时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

这种宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，它的包层由基底上按规则网络结构排列空气孔2、3形成，两个缺陷纤芯4由包层空气孔的缺失形成，其特征在于：在光纤横截面的两个正交偏振方向上所述两芯区附近的空气孔的大小是不同的，上述横截面结构沿光纤的长度方向不变。

光纤包层空气孔按三角形栅格排列，两个缺陷纤芯位于三角形栅格的结点上。

光纤横截面上包层和缺陷纤芯中空气孔可以是圆形，两个缺陷芯区附近区域在X方向上孔的直径小于Y方向上的孔的直径。

光纤中接近缺陷纤芯区域Y偏振方向上的大空气孔横截面的特征值是其直径，并且此直径与间距的比值在范围0.9到1.0之间。

光纤包层中小空气孔横截面的特征值是其直径，并且此直径与间距的比值在范围0.45到0.55之间。

光纤包层空气孔按矩形栅格排列，两个纤芯位于矩形栅格的结点上。

光纤横截面上包层和纤芯中空气孔可以是圆形，两个芯区附近区域与X方向上孔的直径小于与Y方向上的孔。

宽带单偏振单模光子晶体光纤耦合器的制造方法是现有毛细管堆砌拉制技术。首先将石英预制棒磨成六角形状，并将中心掏空，然后在拉伸塔中拉成外径约1mm的空心毛细管。然后把这些毛细管按三角形栅格堆砌在一起形成预制棒，再将空心毛细管或实心毛细棒按设计的布局排列在一起。然后在拉伸塔中把宏观尺度的预制棒拉伸成光纤。通过调整毛细管中空气孔的大小、缺陷的位置以及拉制过程中温度和拉制速度，可以获得不同截面常数的光子晶体光纤。

图1所示为本发明实施例的光纤横截面示意图，宽带单偏振单模光子晶体光纤耦合器的基底材料1通常采用石英玻璃，光纤包层中的空气孔2位于三角形栅格的结点上，相邻空气孔中心的间距Λ为2.2m，空气孔2的直径d＝0.5Λ。在两个纤芯附近的8个大空气孔3的直径d’＝0.95Λ。两个纤芯4中间有一个小空气孔2。图2所示为本发明实施例的光纤横截面的部分结构示意图，通过此图可以更清楚的看到纤芯附近的空气孔排列情况。

当d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95时传导模式的有效折射率随归一化波长变化情况如图3所示。在这种光纤中传导的模式有x，y两个正交的偏振方向，同时每个偏振又具有偶、奇两种模式，它们的电场相对光纤的对称轴呈偶对称和奇对称。X偏振方向偶模式对应的折射率9及奇模式对应的折射率10大于y偏振方向偶模式对应的折射率11及奇模式对应的折射率12。当9、10大于包层有效折射率13而11、12小于13时所包含的波长范围14即为单偏振单模传导区域。在该波长范围内的光可以在该耦合器中实现单偏振单模耦合。图4为该参数下两垂直偏振方向归一化耦合长度随波长的变化曲线。Y偏振方向归一化耦合长度15与X偏振方向归一化耦合长度16如图中所示，15和16都随着波长的增加而逐渐减小，15的截止波长小于16的，15在Y偏振方向光未被截止的短波长范围中大于相同波长对应的16值。在此参数下的单偏振单模传导区域为从1470nm到1690nm的220nm波长范围。

图5为d/Λ＝0.5时不同d’/Λ值对应的单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度随波长变化曲线。其中曲线17为d’/Λ＝0.94时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度值，曲线18为d’/Λ＝0.95时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度值，曲线19为d’/Λ＝0.96时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度值。随着d’/Λ值的增加，单偏振单模传导区域向短波长方向移动。从图中可以看到，调整d’/Λ值对单偏振单模传导区域范围的大小影响很小，它在上述参数下始终大于200nm。

图6为d’/Λ＝0.95时不同d/Λ值对应的单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度随波长变化曲线。其中曲线20为d/Λ＝0.48时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度值，曲线21为d/Λ＝0.50时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度值，曲线22为d/Λ＝0.52时单偏振单模传导区域中的归一化耦合长度值。随着d/Λ值的增加，单偏振单模传导区域向长波长方向移动。改变d/Λ值对单偏振单模传导区域范围大小的影响也很小。通过图5和图6可以看出我们可以适当调整d/Λ或d’/Λ值来选择单偏振单模传导区域。

虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，不过本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变型和等效设置。

Claims (7)

1.一种宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，它的包层由基底上按规则网络结构排列空气孔(2、3)形成，两个缺陷纤芯(4)由包层空气孔的缺失形成，其特征在于：在光纤横截面的两个正交偏振方向上所述两芯区附近的空气孔的大小是不同的，上述横截面结构沿光纤的长度方向不变。

2.根据权利要求1所述的宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤包层空气孔按三角形栅格排列，两个缺陷纤芯位于三角形栅格的结点上。

3.根据权利要求1所述的宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤横截面上包层和缺陷纤芯中空气孔可以是圆形，两个缺陷芯区附近区域在X方向上孔的直径小于Y方向上的孔的直径。

4.根据权利要求3所述的宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤中接近缺陷纤芯区域Y偏振方向上的大空气孔横截面的特征值是其直径，并且此直径与间距的比值在范围0.9到1.0之间。

5.根据权利要求4所述的宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤包层中小空气孔横截面的特征值是其直径，并且此直径与间距的比值在范围0.45到0.55之间。

6.根据权利要求1所述的宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤包层空气孔按矩形栅格排列，两个纤芯位于矩形栅格的结点上。

7.根据权利要求6所述的宽带单偏振单模双芯光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤横截面上包层和纤芯中空气孔可以是圆形，两个芯区附近区域与X方向上孔的直径小于与Y方向上的孔。

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