一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器制造技术

本发明专利技术提供一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器的光纤包括基底材料、六边形周期性排列的介质孔、中心内介质孔及外介质环和双芯区域，所述介质孔在基底材料上按4层正六边形结构周期性排列，在中心沿X轴方向上缺失第4、第6个介质孔形成双芯区域，在基底材料正中心处添加两个大小不一的介质孔，内部为介质孔，外部为介质环，形成中心内介质孔及外介质环，在光纤传感，光接收机和保偏传输系统等方面发挥重要的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器
本专利技术涉及光子晶体光纤偏振分束器领域，尤其涉及一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器。
技术介绍
偏振分束器作为光学系统中的重要器件在光纤通信及光纤传感方面具有重要应用，其主要功能是将一束光分解成两束相互正交的偏振光。基于传统双芯光纤的偏振分束器，由于传统光纤的双折射小，导致偏振分束器的长度过长，不利于器件的集成。另外，基于传统双芯光纤的偏振分束器的波长依赖性强和工作波段窄，限制了其应用范围。光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF)自1996年问世以来，因其具有无尽单模、高双折射、灵活非线性及可调色散等独特特性，受到研究者的广泛关注。在光子晶体光纤中，通过灵活调整基底材料，掺杂材料或空气孔的大小、位置等，可获得适用于不同光学器件的光纤。因此，近年来对光子晶体光纤的大力研究和实验，也为新型偏振分束器的设计提供了新的方向。2003年，Zhang和Yang提出了基于双芯PCF的偏振分束器，该分束器能够保证分光比在10dB以上的前提下，在1550nm波段实现40nm的工作带宽，获得了比传统偏振分束器更优异的性能，也突显出光子晶体光纤在设计偏振分束器时的优势。2006年，Rosa等设计出了正方形晶格排列的光子晶体光纤偏振分束器，长度为20mm，带宽达到90nm。2012年，Lu等设计的偏振分束器长度为72.5mm，分光比低于-20dB的带宽已经高达400nm。2013年，Cao和Cui等人设计基于碲酸盐玻璃的双芯光子晶体光纤偏振分束器，长度仅为0.441mm。同年，Han等设计了纤芯掺氟的双芯光子晶体光纤偏振分束器，其分束器长度为7.362mm，分光比低于-20dB的带宽为600nm。2017年，Bai和Wang提出的基于金线填充的双芯光子晶体光纤偏振分束器，长度为0.263mm，在波长1550nm处的分光比为-70dB，带宽为124nm。从上述研究工作可以看出，相比于改变光纤结构或空气孔结构的设计理念，纤芯区域引入金属丝或其他材料，能使偏振分束器具有更小的器件尺寸和更大的工作带宽。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供了一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其长度为4.78mm，工作带宽为696nm，波长范围为1027～1723nm，当工作波段为1550nm时，分光比高达-98.6dB，且容差性能好，其在光接收机和保偏传输系统中有着很大应用潜力。本专利技术提供一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器的光纤包括基底材料、六边形周期性排列的介质孔、中心内介质孔及外介质环和双芯区域，所述介质孔在基底材料上按4层正六边形结构周期性排列，在中心沿X轴方向上缺失第4、第6个介质孔形成双芯区域，在基底材料正中心处添加两个大小不一的介质孔，内部为介质孔，外部为介质环，形成中心内介质孔及外介质环，且除去中心内介质孔及外介质环外的水平方向相邻介质孔间距相等，垂直方向相邻介质孔间距与水平方向相邻介质孔间距的比值为√3/2，中心内介质孔及外介质环中外圈直径与六边形周期性排列的介质孔的直径相等，内圈直径小于等于外圈直径，但不为0。进一步改进在于：所述基底材料包括纯石英、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃和聚合物材料中的一种或多种组合。进一步改进在于：所述双芯区域包括纯石英、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃和聚合物材料中的一种或多种组合。进一步改进在于：所述介质孔和中心内介质孔及外介质环中的介质孔为空气孔或由其它高折射率材料填充，中心内介质孔及外介质环中的外介质环为石墨烯填充，单个介质孔的形状为圆形或椭圆形。进一步改进在于：所述基底材料、介质孔、中心内介质孔及外介质环中的介质孔和双芯区域分布在光纤端面上的几何中心是重合的。采用有限元法并结合完美匹配层边界吸收条件理论计算光子晶体光纤中模式x、y偏振态偶模和奇模的有效折射率和从而计算本专利技术的耦合长度、耦合长度比、光纤长度和分光比。x、y偏振态耦合长度Lc(单位为mm)为：耦合长度比δ为：光纤长度z(单位为mm)为：光纤双芯输出功率为：光纤双芯分光比ER(单位为dB)为：其中和分别表示x、y偏振态偶模和奇模的有效折射率，λ为波长(单位为mm)，m和n为奇偶性相反的整数，Pin为入射光射入纤芯的功率。本专利技术的有益效果是：结构简单，具有器件尺寸小、分光比高和工作带宽大优点，并且通过容差性能分析，在实际制作过程中由外界因素改变的光纤结构参数对偏振分束器的性能影响较小。特别当基质材料和纤芯材料为纯石英，介质孔为圆形空气孔，介质环为石墨烯环时，研究表明：当介质孔直径为1μm，介质环厚度为45.5nm，相邻孔间距为2.2μm时，双芯光子晶体光纤偏振分束器在波长1550nm处获得耦合长度比2:1的最佳取值；同时，分束器尺寸为4.78mm，分光比达-98.6dB；在波长1000nm到2000nm的范围内，工作带宽为696nm，波长范围为1027～1723nm。上述表明，本专利技术所提供的双芯光子晶体光纤偏振分束器将在光纤传感，光接收机和保偏传输系统等方面发挥重要的作用。附图说明图1是本专利技术的双芯光子晶体光纤的横截面图及结构示意图。图2是图1中心内介质孔及外介质环的放大图及结构示意图。图3是本专利技术耦合长度Lc随波长的变化的t＝0及t＝45.5nm两种情况下，耦合长度随波长的变化曲线图。图4是本专利技术耦合长度Lc随波长的变化的t变化(t＝43.5nm、44.5nm、45.5nm、46.5nm)时耦合长度随波长的变化曲线图。图5是本专利技术耦合长度比δ随波长的变化的t＝0及t＝45.5nm两种情况下，耦合长度比随波长的变化曲线图。图6是本专利技术耦合长度比δ随波长的变化的t变化(t＝43.5nm、44.5nm、45.5nm、46.5nm)时耦合长度比随波长的变化曲线图。图7是本专利技术模式双折射和有效折射率差值随波长的变化关系中t＝0时，模式双折射随波长的变化曲线图。图8是本专利技术模式双折射和有效折射率差值随波长的变化关系中t＝45.5nm时，模式双折射随波长的变化曲线图。图9是本专利技术模式双折射和有效折射率差值随波长的变化关系中t＝0及t＝45.5nm两种情况下，有效折射率差值随波长的变化曲线图。图10是当t＝45.5nm时，本专利技术的归一化功率随传输距离变化关系图。图11是当t＝45.5nm时，本专利技术的双芯分光比ER随波长的变化关系图。图12是当t＝45.5nm时，本专利技术的容差性分析图中耦合长度Lc出现±1％偏离时，双芯分光比随波长的变化曲线图。图13是当t＝45.5nm时，本专利技术的容差性分析图中介质环厚度t出现±1％偏离时，双芯分光比随波长的变化曲线图。其中：1-基底材料，2-介质孔，3-中心内介质孔及外介质环，4-双芯区域。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面将结合实施例对本专利技术作进一步的详述，本实施例仅用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器的光纤包括基底材料（1）、六边形周期性排列的介质孔（2）、中心内介质孔及外介质环（3）和双芯区域（4），其特征在于：所述介质孔（2）在基底材料（1）上按4层正六边形结构周期性排列，在中心沿X轴方向上缺失第4、第6个介质孔（2）形成双芯区域（4），在基底材料（1）正中心处添加两个大小不一的介质孔（2），内部为介质孔，外部为介质环，形成中心内介质孔及外介质环（3），且除去中心内介质孔及外介质环（3）外的水平方向相邻介质孔间距相等，垂直方向相邻介质孔（2）间距与水平方向相邻介质孔（2）间距的比值为√3/2，中心内介质孔及外介质环（3）中外圈直径与六边形周期性排列的介质孔（2）的直径相等，内圈直径小于等于外圈直径，但不为0。/n

【技术特征摘要】
1.一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器的光纤包括基底材料（1）、六边形周期性排列的介质孔（2）、中心内介质孔及外介质环（3）和双芯区域（4），其特征在于：所述介质孔（2）在基底材料（1）上按4层正六边形结构周期性排列，在中心沿X轴方向上缺失第4、第6个介质孔（2）形成双芯区域（4），在基底材料（1）正中心处添加两个大小不一的介质孔（2），内部为介质孔，外部为介质环，形成中心内介质孔及外介质环（3），且除去中心内介质孔及外介质环（3）外的水平方向相邻介质孔间距相等，垂直方向相邻介质孔（2）间距与水平方向相邻介质孔（2）间距的比值为√3/2，中心内介质孔及外介质环（3）中外圈直径与六边形周期性排列的介质孔（2）的直径相等，内圈直径小于等于外圈直径，但不为0。


2.如权利要求1所述的一种超宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述基底材料（1）包括纯石...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳圳，李永涛，邹辉，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32