一种光子晶体光纤偏振分束器的制作方法

本实用新型涉及光学通信系统技术领域，具体的说，是一种光子晶体光纤偏振分束器。

背景技术：

偏振分束器被广泛应用于光传感、光通讯以及光电检测等系统中，它能够将偏振光的两个正交偏振态分离开来。然而，传统偏振分束器存在制作工艺比较复杂、耦合长度较长以及消光比较低的缺点。自从1996年Knight等人首次制造出光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)以来，因其较之普通光纤拥有优异的特性，如高双折射、无截止单模传输和高非线性等，引起了科研人员的广泛关注。另外，其灵活的结构设计也为设计双芯的高性能偏振分束器提供了新的途径。目前，提出的光子晶体光纤的偏振分束器从工作原理上可分为两大类：一是利用二重对称结构产生的高双折射，使两个偏振模式产生不同的耦合长度。对于此种方式，需要调整光纤截面不同的结构参数，使两个正交偏振模式的耦合长度的比值满足m：n(m，n均是正整数且奇偶性不同，如1/2，2/3等)，即能达到实现两个偏振光分离的目的，另外一种则是利用双芯或多芯光纤的谐振现象，通过调节结构参数使入射纤芯的一个偏振模式与其他纤芯传输模的有效折射率相匹配而使之发生谐振，同时保证另外一个偏振模式相位不匹配而不能产生谐振，从而达到偏振模式分离的目的。采用匹配耦合理论可以实现一种宽带的、高消光比偏振分束器。

基于上述方法能够实现宽带宽或高消光比等一些特性的偏振分束器件，性能明显优于传统偏振分束器，但这类分束器对空气孔的几何结构通常具有较苛刻的要求。其后，又提出了全椭圆结构的双芯光子晶体光纤偏振分束器，然而，该分束器存在实际工程中椭圆空气孔难以制作的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种光子晶体光纤偏振分束器，用于解决现有技术中光子晶体偏振分束器对空气孔结构的几何结构要求苛刻，制作工作复杂、耦合长度较长以及消光比较低的问题。

本实用新型通过下述技术方案解决上述问题：

一种光子晶体光纤偏振分束器，包括纤芯和包层，所述包层上设有多个圆形的空气孔，包层上与所述纤芯接触部位的中心位置未设置空气孔，所述接触部位设有由空气孔直径增大形成的第一类空气孔和由空气孔直径减小形成的第二类空气孔，所述第一类空气孔有两个，所述第二类空气孔有四个，所述第二类空气孔分别对称设置于两个第一类空气孔的连线两侧且沿所述接触部位的中心位置对称分布。

原理：

包层由背景材料制成，背景材料包括二氧化硅玻璃、软玻璃材料或聚合物材料。空气孔采用圆形，避免了采用其他形状的空气孔导致的制作工艺复杂的问题。在包层与纤芯的接触处增大了两个空气孔的直径，形成了两个第一类空气孔，增加了光纤双折射，使x方向和y方向两个偏振态耦合长度差异更大，从而达到了偏振分束的目的。在包层与纤芯的接触处减小了四个空气孔的直径，形成了第二类空气孔，即空气孔的直径为d，第一类空气孔的直径为d1，第二类空气孔的直径为d2，那么，有，d1＞d＞d2。第二类空气孔相比原来的空气孔直径减小，使得背景材料面积增加，即拓宽了能量耦合通道，使传输模对应的耦合长度减小，从而使器件长度变短。

进一步地，所述空气孔采用正三角形晶格排列。

圆形的空气孔采用正三角形晶格排列，进一步减小了实际制作的难度，使在目前的加工工艺能够被制作加工。值得说明的是，由于第一类空气孔，第二类空气孔是通过增大或减小空气孔的直径形成的，因此，其圆心位置并没有改变，因此整个包层上的空气孔的圆心(包括第一类空气孔和第二类空气孔的圆心)以及包层上与所述纤芯接触部位的中心位置，其中任意两个相邻的点之间的距离均相等，即空气孔(包括第一空气孔、第二空气)以及中心位置共同构成了正三角形晶格排列。

进一步地，所述纤芯包括第一纤芯和第二纤芯，所述第一纤芯和第二纤芯沿所述包层的中心对称设置。

双芯设计，利用二重对称结构产生的高双折射，使两个偏振模式产生不同的耦合长度。当两个正交偏振模式的耦合长度比满足m：n即能达到实现两个偏振光分离的目的，其中m，n均为正整数且奇偶性不同。

进一步地，所述包层的中心位置设置有一个由所述空气孔直径减小形成的第三类空气孔。

所述包层上位于第一纤芯、第二纤芯之间的位置设置有一个第三类空气孔，所述第三类空气孔的直径为d3，第三类空气孔的直径d3与空气孔的直径d的关系为：d3＜d。通过在两纤芯之间引入一个直径可调节的第三类空气孔，可通过调节第三类空气孔的大小调节两纤芯之间的背景材料的面积，可以进一步减小或调节耦合长度，并使得参数配置更加灵活。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本实用新型采用在实际工程中容易制作的正三角形排列的圆形空气孔，同时，通过设计两个纤芯和耦合通道的结构，实现耦合长度短、结构简单、高消光比和不受制作工艺限制的光子晶体光纤偏振分束器。

附图说明

图1为本实用新型的横截面示意图；

图2为光束传输过程中的模场分布图；

图3为耦合长度比CLR＝3/2时，入射纤芯中x偏振态、y偏振态的归一化能量与传输距离的关系示意图；

图4为耦合长度比CLR＝4/3时，入射纤芯中x偏振态、y偏振态的归一化能量与传输距离的关系示意图；

其中，1-包层；2-空气孔；3-第二类空气孔；4-第一纤芯；5-第一类空气孔；6-第三类空气孔；7-第二纤芯。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1所示，一种光子晶体光纤偏振分束器，包括纤芯和包层1，包层1由背景材料制成，背景材料包括二氧化硅玻璃、软玻璃材料或聚合物材料。包层1上设有多个圆形的空气孔2，圆形的空气孔2以正三角形晶格排列，圆形的空气孔2直径为d。纤芯分为第一纤芯4和第二纤芯7，包层1上与第一纤芯4、第二纤芯7的中心对应的位置均缺失一个空气孔2即此处未设置空气孔2，第一纤芯4与包层1的接触位置、第二纤芯7与包层1的接触位置均设有两个第一类空气孔5和四个第二类空气孔3，第一类空气孔5是由空气孔2的直径增大形成的，第二类空气孔3是由空气孔2的直径减小形成的，第一类空气孔5的直径为d1，第二类空气孔3的直径为d2，因此有，d1＞d＞d2。在此，充分利用耦合特性的偏振依赖性，为了强化x偏振态和y偏振态的耦合长度的差异性，取d1＞d是为了引入更强的双折射。优选地，包层1上位于第一纤芯4与第二纤芯7中心连线的方向上设置有一个第三类空气孔6，优选的，第三类空气孔6可设置于包层1的中心位置。第三类空气孔6用于调节耦合长度，第三类空气孔6的直径为d3，其中d3小于d。为了减小传输模(即x偏振模和y偏振模)的耦合长度，通过减小第三类空气孔6的直径d3，可以增加第一纤芯4和第二纤芯7之间的耦合通道面积。因此，对于需要不同耦合长度的分束器，在满足d3＜d的情况下，可通过采用不同直径的第三类空气孔6来实现。

取工作波长为1.55μm，晶格常数取Λ＝2μm，d/Λ＝0.45，d2/Λ＝0.3，则耦合长度比CLR可通过调整第一类空气孔5的直径d1和第三类空气孔6的直径d3的大小进行调节，其中Λ为晶格常数，即正三角形晶格任意两个最近的相邻点之间的距离。为了使x偏振模和y偏振模完全分离，其对应的耦合长度需要满足条件CLR＝Lx/Ly＝m/n，其中，Lx为x偏振模的长度，Ly为y偏振模的长度，Lx、Ly由空气孔2的直径d和第二类空气孔3的直径d2决定，m，n均为整数，m为奇数，n为偶数或n为奇数，m为偶数。选取以下两组参数，均能够满足耦合长度比的要求且达到较高的消光比：

(1)当选择合适的d、d1、d2和d3，使耦合长度比CLR1＝3/2时，且满足d1/Λ＝0.97，d3/Λ＝0.32，此时通过仿真结果得知：分束器总长度L1为0.93mm，消光比约为-67dB；

(2)当选择合适的d、d1、d2和d3，使耦合长度比CLR2＝4/3时，且满足d1/Λ＝0.92,d3/Λ＝0.31，此时通过仿真结果得知：分束器总长度L2为1.95mm，消光比约为-59dB。

由此可见，提出的偏振分束器空气孔均为圆形孔减小了实际制作的难度，以目前的工艺能够被制作加工；且通过引入耦合通道处可调节的第三类空气孔，使得参数配置更加灵活；还减小了耦合长度，从而使器件长度更短，利于系统小型化；具有比较高的消光比，在光通信系统和光纤传感领域有一定的实际意义。

实施例2：

图2为采用全矢量光束传播法仿真得到的能量传输过程中的模场分布图，从图2可以看出，随着传输距离的增加，能量逐渐从开始的第二纤芯7向第一纤芯4耦合，即从入射纤芯到另外一个纤芯耦合。针对实施例1中两组不同的CLR情况，分别计算了在工作波长为1.55μm时，光从第二纤芯7入射后，x和y两偏振方向在第二纤芯7的能量变化。

结合图3所示，当CLR1＝3/2，传输距离为L1＝0.93mm时，y偏振仍然保留在第二纤芯7，而x偏振方向能量完全耦合到第一纤芯4中，从而达到实现偏振分束的目的。

结合图4所示，档CLR2＝4/3，x偏振方向能量保留在第二纤芯7中，而y偏振耦合到第一纤芯4中，在L2＝1.95mm处，x方向和y方向的偏振模分离开来。

从上述可以看出，本实用新型不仅增加了光纤双折射，使x偏振态和y偏振态耦合长度差异更大，从而达到偏振分束的目的，具有比较高的消光比，在光通信系统和光纤传感领域有一定的实际意义。

尽管这里参照本实用新型的解释性实施例对本实用新型进行了描述，上述实施例仅为本实用新型较佳的实施方式，本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。