一种波长可调的单圆偏振扭曲光子晶体光纤的设计方法技术

本发明专利技术属于光纤器件设计制作领域，涉及一种新的波长可调谐单圆偏振扭曲光子晶体光纤的设计方法。本发明专利技术以实现单圆偏振为目标，步骤为：建立螺旋可调谐单圆偏振光子晶体光纤计算模型；对光纤进行模拟计算，得到可实现单圆偏振的几何参数；绘制理想条件色散曲线，分析扭率与填充折射率对单圆偏振的影响；根据光纤在参数下的特性曲线，证实本专利所设计的结构在一定条件下可以实现单圆偏振。本发明专利技术特点是，所设计的光子晶体光纤实现了不同波段单圆偏振传输，并且可以通过改变光子晶体光纤扭率或填充物折射率调节共振波长，单左圆偏振和单右圆偏振分别在1.665μm和1.700μm附近工作，带宽为20nm，偏振消光比为1.3dB/cm。此设计不仅将单偏振光纤扩展到圆偏振，还提供了扭转光子晶体光纤应用，在圆偏振光器件应用中具有重要价值。要价值。要价值。

【技术实现步骤摘要】
一种波长可调的单圆偏振扭曲光子晶体光纤的设计方法


[0001]本专利技术属于光纤器件设计制作领域，涉及一种螺旋圆孔结构的可调谐单圆偏振扭曲光子晶体光纤的设计方法。

技术介绍

[0002]偏振光根据电场矢量末端的运动轨迹分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。线偏振光的研究在过去的几十年中已经比较集中和成熟，并得到了广泛的应用。然而，圆偏振光在一些应用中具有明显的优势。例如，它是切割和焊接等激光加工的最佳光束。加工速度和质量大大提高，一些其他光束无法解决的问题用圆偏振光解决。在水下通信系统中，通过使用圆偏振光极大地提高了信噪比并优化了能量利用。左旋圆(Left Circular，LC)或右旋圆(Right Circular，RC)偏振光是检测和识别物质结构的必要调制光源，特别是对具有生物活性和手性介电常数的物质的检测。因此，研究圆偏振光子器件具有重要意义。
[0003]单偏振光纤是一种允许某种类型的偏振光通过的光学器件。由于自由调整其传输的优点，光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCFPCF)已在许多单偏振设计中得到广泛研究。例如，Y.J.Wang提出了一种具有纳米级镀金和充满液体的气孔的单偏振PCF。在1.18μm和1.55μm的波长下实现x偏振和y偏振。Y.F.Ding设计了一种基于表面等离子体共振的金属PCF。x偏振和y偏振模式的限制损耗分别高达1920.36dB/cm和1.31μm时低至3.29dB/cm。A.Mollah提出了一种基于高双折射PCF的单偏振光纤。x偏振和y偏振模式在1.31μm处的限制损耗分别为4.34dB/cm和696.79dB/cm。Z.Zhong提出了具有各向异性椭圆孔晶格的单径向/方位角模式PCF。已分别实现了单径向模式传输的210nm带宽和单方位模式传输的100nm带宽。
[0004]然而，早期的研究仅集中于单线性偏振或单径向/方位偏振。圆偏振光在光纤通信、传感器、医疗诊断和新的物理研究中具有令人印象深刻的优势。例如，G.K.L.Wong发现了螺旋光子晶体光纤中轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)共振的激发。利用OAM不同特征值的正交特性，通信系统容量大大提高，有效缓解了频谱短缺问题。Beravat证明了螺旋光子晶体光纤的圆双折射可以用于构建基于法拉第效应的磁场和电流传感器。此外，光辐射在手性聚合物合成和螺旋连接中的研究表明，圆偏振光在生物化学材料中起着至关重要的作用。作为平行研究，螺旋扭曲光纤是最近提出的光纤设计。由于其螺旋扭曲为利用光纤中的损耗、色散和偏振态提供了额外的自由度，引发了各种相关研究。例如，V.M.Churikov表明，扭曲的光子晶体光纤可以在传输光谱中产生急剧下降，并被用作高温光纤传感器。P.St.J.Russell将这些损耗下降归因于光和轨道角动量包层模式之间的相互作用。此后，在这种扭曲的光纤中，圆双折射的拓扑塞曼效应被揭示出来，并提出了一种利用这种效应的旋转器。此外，还研究了扭曲光纤的单偏振特性。N.N.Edavalath分别在扭曲单环空芯光子晶体光纤中实现了高阶模抑制和强圆二向色性。这种光纤可用于在深真空紫外中产生纯圆偏振光，并用于高功率圆偏振光光纤激光器和放大器。V.I.Kopp分别通过扭转非圆芯光纤和PANDA光纤产生了手征光栅和双螺旋结构。它们可以作为宽带的圆偏振器，
但不具有特定波长的可调谐性。
[0005]本专利技术通过将螺旋扭曲光纤结构引入到单圆偏振光纤设计中，首次提出了一种波长可调的单圆偏振光纤的设计方法。通过选择性地将设计的折射率填充到扭曲光子晶体光纤的空气孔中，填充芯中的左圆偏振模和右圆偏振模与中心芯中的那些模在不同的波长处相交。因此，有效的RI匹配耦合在交叉点附近产生窄波长窗口，并导致螺旋波长可调谐单圆偏振扭曲光子晶体光纤(Wavelength Tunable Single
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Circular
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Polarization Twisted Photonic Crystal Fiber，SCP
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PCF)在1.665μm和1.700μm分别实现了单LC偏振和单RC偏振，可通过调节PCF或折射率(Refractive Index，RI)填充物的扭转速率进行调谐，对于LC偏振调谐灵敏度分别为0.635μm/rad/mm或150μm/RIU，对于RC偏振调谐灵敏度分别为0.785μm/rad/mm或155μm/RIU。单圆偏振(Single
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Circular
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Polarization，SCP)带宽可达20nm，偏振消光比大于1.3dB/cm。当光纤长度为15cm时，消光比为20dB，插入损耗约为1.5dB，具有较好的实际性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是，提出一种波长可调的单圆偏振扭曲光子晶体光纤的设计方法。本专利技术首先构建螺旋圆形空气孔PCF的计算模型，然后通过分析不同参数对其特性的影响，确定最优设计参数，进而对优化后的SCP
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PCF进行特性分析，最后通过误差计算证实其制作可行性。其具体步骤如下：
[0007]步骤1：以二氧化硅玻璃构造基底，建立螺旋波长可调谐单圆偏振扭曲光子晶体光纤(Wavelength Tunable Single
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Circular
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Polarization Twisted Photonic Crystal Fiber，SCP
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PCF)计算模型，该模型的特征为SCP
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PCF为传统六边形构成，包层由5层空气孔构成，每层有不同数量的圆形空气孔，五层圆形空气孔的大小相等，均匀排列，即并且d1＝d2＝d3＝d4＝d5＝d，Λ1＝Λ2＝Λ3＝Λ4＝Λ5＝Λ，其中d为圆形空气孔的孔直径，Λ为圆形空气孔的孔间距，d1，d2，d3，d4，d5分别为各层圆形空气孔的孔直径，Λ1，Λ2，Λ3，Λ4，Λ5分别为各层圆形空气孔的孔间距，各层之间的间距相等，中心区域为纤芯，光纤材料为二氧化硅，色散由Sellmier方程给出，纤芯上方第二层空气孔为填充空气孔；
[0008]步骤2：使用基于有限单元法的COMSOL软件对光纤进行模拟计算，分析中心芯光子晶体光纤(Central Core
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Photonic Crystal Fiber，CC
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PCF)、填充芯光子晶体光纤(Filling Core
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Photonic Crystal Fiber，FC
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PCF)和SCP
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PCF在不同几何参数(包括螺距、扭转率、占空比、空气孔孔间距以及空气孔大小)条件下的双折射值变化情况，进而得到双折射取得最大值时对应的理想参数值：L＝2π/α，α＝8.9rad/mm，d/Λ＝0.636，Λ＝5.5μm，d＝3.5μm，获得具有最优参数配置的CC
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PCF、FC
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PCF和SC本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种波长可调的单圆偏振扭曲光子晶体光纤的设计方法，其具体步骤如下：步骤1：以二氧化硅玻璃构造基底，建立螺旋波长可调谐单圆偏振扭曲光子晶体光纤(Wavelength Tunable Single
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Circular
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Polarization Twisted Photonic Crystal Fiber，SCP
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PCF)计算模型，该模型的特征为SCP
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PCF为传统六边形构成，包层由5层空气孔构成，每层有不同数量的圆形空气孔，五层圆形空气孔的大小相等，均匀排列，即并且d1＝d2＝d3＝d4＝d5＝d，Λ1＝Λ2＝Λ3＝Λ4＝Λ5＝Λ，其中d为圆形空气孔的孔直径，Λ为圆形空气孔的孔间距，d1，d2，d3，d4，d5分别为各层圆形空气孔的孔直径，Λ1，Λ2，Λ3，Λ4，Λ5分别为各层圆形空气孔的孔间距，各层之间的间距相等，中心区域为纤芯，光纤材料为二氧化硅，色散由Sellmier方程给出，纤芯上方第二层空气孔为填充空气孔；步骤2：使用基于有限单元法的COMSOL软件对光纤进行模拟计算，分析中心芯光子晶体光纤(Central Core
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Photonic Crystal Fiber，CC
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PCF)、填充芯光子晶体光纤(Filling Core
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Photonic Crystal Fiber，FC
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PCF)和SCP
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PCF在不同几何参数(包括螺距、扭转率、占空比、空气孔孔间距以及空气孔大小)条件下的双折射值变化情况，进而得到双折射取得最大值时对应的理想参数值：L＝2π/α，α＝8.9rad/mm，d/Λ＝0.636，Λ＝5.5μm，d＝3.5μm，获得具有最优参数配置的CC
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PCF、FC
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PCF和SCP
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PCF计算模型；步骤3：依据步骤2中所得具有最优参数配置的CC
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PCF、FC
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PCF和SCP
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PCF计算模型，绘制色散特性曲线，获得左旋圆偏振光的耦合的折射率位置，证实该光纤结构可以发生单圆偏振，同时，通过分析填充折射率及扭转率的变化对光纤色散的影响，证实左旋圆偏振光的耦合的折射率位置可以通过调节填充折射率或螺旋的扭转率来改变；步骤4：分析步骤2中所得SCP
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PCF计算模型的单圆偏振的发生条件，由于选取左旋圆偏振光进行耦合，所以计算左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的损耗之差，绘制色散特性曲线，证实单个左圆偏振和单个右圆偏振操作分别在1.665μm和1.700μm左右实现，波长λ为1.70μm时，光子晶体光纤中纤芯左旋圆偏振折射率n
LC(CC)
为1.4320146，所对应的填充孔所填充的液体的有效折射率n
filling
为1.42807，此时偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：张珊珊，刘雪迪，尹吉喆，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：