專利名稱：一種光子晶體光纖定向耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信和傳感等技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光子晶體光纖定向耦合器。
背景技術(shù)：
光纖及光波導(dǎo)定向耦合器作為一種重要的光學(xué)器件在光纖通信、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路等系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。盡管有多種基于Y型結(jié)構(gòu)或者T型結(jié)構(gòu)的1X2光分束器件的提出，但由于其透射比較低需引入額外的微調(diào)結(jié)構(gòu)來提高光分束器的透射率，從而給該類光分束器的制造帶來困難。近幾年來，隨著光子晶體光纖(PCF)的提出，特別是由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的靈活性等特點(diǎn)而被廣泛的研究。光子晶體光纖是一種新型的光學(xué)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它是在二氧化硅背景材料中規(guī)則地排列空氣孔，而光纖的纖芯是通過破壞包層周期性結(jié)構(gòu)而形成的一種缺陷。人們已經(jīng)提出多種基于光子晶體光纖的耦合器件，這其中當(dāng)以研究雙芯光子晶體光纖器件的報(bào)道最多，它們已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于偏振分束器，波分復(fù)用元件，濾波器，色散補(bǔ)償器等器件中。事實(shí)上，光子晶體光纖定向耦合器的研究一直廣受關(guān)注。但由于這種光纖耦合的能量一般是兩極分化，且這種分化對(duì)波長(zhǎng)依賴性高。因此，常規(guī)的光纖定向耦合器一般具有低帶寬或高偏振相關(guān)損耗。然而，在這方面PCF所具有靈活設(shè)計(jì)特性起到了很好作用，如最近提出的一種通過在雙芯光子晶體光纖中引入非對(duì)稱結(jié)構(gòu)(增大纖芯兩側(cè)空氣孔)實(shí)現(xiàn)纖芯能量比為0.5:0.5 (3 dB)[中國(guó)激光，2009，36(3):635]。該文提出的定向耦合器工作帶寬為370nm，并且偏振相關(guān)損耗小于0.2dB。此外，我們還提出通過三芯光子晶體光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)由中間纖芯輸入，兩側(cè)纖芯端輸出，輸出端能量比為 Opt.A: Pure App1.0pt, 2009，11: 015102]。事實(shí)上，基于三芯光子晶體光纖耦合特性器件的相關(guān)研究也一直受到研究者們的關(guān)注。目前有報(bào)道將三芯光子晶體光纖用于實(shí)現(xiàn)偏振分束器件[Qo1.Lett., 2006, 31(4): 441]、濾波器Express, 2005，13(25): 10327]、耦合器 L7； Lightwave Technol.，2008, 26(6)，663]。然而，將這種三芯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量一分為三的定向耦合器卻很少有報(bào)道。究其原因主要是因?yàn)橐诒容^寬的工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)三個(gè)纖芯中的能量比為1:1:1 (4.7 dB)是比較困難的。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于光子晶體光纖的定向耦合器，可以獲得低傳輸損耗、寬帶寬以及低偏振相關(guān)損耗的光子晶體光纖定向耦合器。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種光子晶體光纖定向I禹合器，包括基質(zhì)材料、第一空氣孔、第二空氣孔、第一纖芯、第二纖芯和第三纖芯，所述基質(zhì)材料、第一空氣孔、第二空氣孔組成包層；所述第一空氣孔、第二空氣孔的中心分別位于正三角形網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上，且第二空氣孔少于第一空氣孔的數(shù)量；所述第一纖芯、第二纖芯和第三纖芯均由正三角形網(wǎng)格中缺失的第一空氣孔所組成，所述第一纖芯、第二纖芯和第三纖芯(的中心的連線為直線D ;所述第一纖芯與第二纖芯、第三纖芯的中心距離均為L(zhǎng)，且L=A，其中Λ為孔周期，即正三角形網(wǎng)格中任意兩個(gè)相鄰最近結(jié)點(diǎn)之間的距離；所述第二空氣孔位于緊鄰第二纖芯和第三纖芯的位置，且相對(duì)于直線D的垂直方向?qū)ΨQ；所述第二空氣孔的直徑d2和第一空氣孔的直徑Cl1之間的關(guān)系滿足Cl2M1 ;所述第一纖芯為輸入端，第二纖芯和第三纖芯為輸出端。由于所述的第一空氣孔(2)尺寸大時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性會(huì)增強(qiáng)，這樣會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來不必要的高雙折射，也即X偏振和y偏振方向的耦合長(zhǎng)度差會(huì)增大，不適宜實(shí)現(xiàn)定向耦合。同時(shí)，為保證光纖中需要傳輸?shù)膬蓚€(gè)偏振基模具有低的傳輸損耗，包孔直徑不能過??；綜合考慮，包孔(2)的直徑Cl1應(yīng)在0.35、.5倍的孔周期A之間，即0.35 A ^ ^ 0.5 Λ ο又由于所述第二空氣孔(3)的直徑d2不能過大，否則兩則纖芯能量比中間纖芯能量多，即能量不能實(shí)現(xiàn)均分；同時(shí)所述第二空氣孔(3)的直徑d2不能過小，不讓會(huì)導(dǎo)致兩則纖芯能量比中間纖芯能量少，同樣不能實(shí)現(xiàn)能量均分。此外，所述空氣孔(3)的直徑?jīng)Q定于空氣孔(2)的直徑大小。綜合考慮，空氣孔(2)的直徑(12和孔周期Λ的比值的關(guān)系為:
0.42 ^ d2/A ( 0.6。所述第二空氣孔(3)為2個(gè)，且中心分別位于緊鄰第二纖芯(5)和第三纖芯(6)的所述直線D上。本發(fā)明的有益效果是:通過改變兩側(cè)纖芯包層空氣孔直徑的大小實(shí)現(xiàn)一種非對(duì)稱三芯光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)，不但可以在較短的光纖長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)光一分為三的功能，還具有寬波長(zhǎng)范圍工作、偏振相關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)。這種耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝成熟，性能穩(wěn)定。


圖1為光子晶體光纖定向耦合器的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)的中間纖芯和兩側(cè)纖芯的能量傳輸曲線；
圖3為光波在三芯耦合器中模場(chǎng)變化圖
圖4為實(shí)施例1中的插入損耗與偏振相關(guān)損耗隨波長(zhǎng)的變化曲線；
圖5為實(shí)施例2中耦合器的橫截面結(jié)構(gòu)示意 圖6為實(shí)施例2中的中間纖芯和兩側(cè)纖芯的能量傳輸曲線；
圖7為實(shí)施例2中的插入損耗與偏振相關(guān)損耗隨波長(zhǎng)的變化曲線；
具體實(shí)施例方式如圖1所示，光纖由基質(zhì)材料I和排布在規(guī)則三角形網(wǎng)格上的第一空氣孔2組成，光纖由三個(gè)纖芯組成，即位于基質(zhì)材料I中心位置的第一纖芯4，第二纖芯5和第三纖芯6對(duì)稱地分布在第一纖芯的兩側(cè)，圖中所述中間纖芯為第一纖芯4,兩側(cè)纖芯為第二纖芯5和第三纖芯6。三個(gè)纖芯均由規(guī)則三角形網(wǎng)格中缺失一個(gè)空氣孔所組成；通過增大第二纖芯5內(nèi)包層左側(cè)和第三纖芯6內(nèi)包層右側(cè)的空氣孔直徑所形成的第二空氣孔3來實(shí)現(xiàn)一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的引入。一束光從中間纖芯輸入，從兩側(cè)纖芯輸出?？梢钥吹焦鈴闹虚g第一纖芯4輸入時(shí)，能量在第一纖芯4、第二纖芯5和第三纖芯6之間進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)移。由于兩側(cè)引入非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此中間纖芯與兩側(cè)纖芯的能量?jī)H發(fā)生部分耦合。具體表現(xiàn)為當(dāng)從中間纖芯輸入一束基模光時(shí)，能量會(huì)部分耦合到兩側(cè)纖芯中，最后又回到中間纖芯。圖2給出了中間纖芯以及兩側(cè)纖芯的能量傳輸曲線?？梢钥吹剑?dāng)光纖耦合器的長(zhǎng)度取為纖芯能量曲線的交點(diǎn)處(L。),貝U能實(shí)現(xiàn)一束光從第一纖芯4、第二纖芯5和第三纖芯6中均勻輸出。圖3 ((a) (b) (c) (d))分別代表在傳輸距離為0，1^/3，2父1^/3，1^時(shí)的模場(chǎng)光纖端面的模場(chǎng)分布圖，即中間纖芯輸入一束基模(如圖3 (a)所示)，逐漸向兩側(cè)纖芯轉(zhuǎn)移(如圖3 (b)、(c)所示)，最終能量完全均分在第一纖芯4、第二纖芯5和第三纖芯6中(如圖3 (d))。這里引入一個(gè)參數(shù)為光纖的插入損耗，即光纖耦合器單邊末端的能量輸出百分比，用分貝(dB)來計(jì)量，即插入損耗:
權(quán)利要求
1.一種光子晶體光纖定向稱合器，包括基質(zhì)材料(I)、第一空氣孔(2)、第二空氣孔(3)、第一纖芯(4)、第二纖芯(5)和第三纖芯(6),所述基質(zhì)材料(I)、第一空氣孔(2)、第二空氣孔(3)組成包層；所述第一空氣孔(2)、第二空氣孔(3)的中心分別位于正三角形網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上，且第二空氣孔(3)少于第一空氣孔(2)的數(shù)量；所述第一纖芯(4)、第二纖芯(5)和第三纖芯(6)均由正三角形網(wǎng)格中缺失的第一空氣孔(2)所組成，所述第一纖芯(4)、第二纖芯(5)和第三纖芯(6)的中心的連線為直線D ;所述第一纖芯(4)與第二纖芯(5)、第三纖芯(6)的中心距離均為L(zhǎng)，且L=A，其中Λ為孔周期；所述第二空氣孔(3)位于緊鄰第二纖芯(5)和第三纖芯(6)的位置,且相對(duì)于直線D的垂直方向?qū)ΨQ；所述第二空氣孔(3)的直徑d2和第一空氣孔(2)的直徑Cl1之間的關(guān)系滿足Cl2M1 ;所述第一纖芯(4)為輸入端，第二纖芯(5)和第三纖芯(6)為輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體光纖定向耦合器，其特征在于:所述第二空氣孔(3)為2個(gè)，且中心分別位于緊鄰第二纖芯(5)和第三纖芯(6)的所述直線D上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光子晶體光纖定向稱合器，其特征在于:所述第一空氣孔(2)的直徑Cl1和孔周期A的比值的關(guān)系為:0.35 Sd1M彡0.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光子晶體光纖定向耦合器，其特征在于:所述第二空氣孔(3)的直徑d2和孔周期A的比值的關(guān)系為:0.42 ^ d2/A ( 0.6。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光子晶體光纖定向耦合器，由基質(zhì)材料(1)和分布在其上的孔(2)和孔(3)組成纖芯和包層，所述的孔(2)和孔(3)的中心分別位于正三角形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上；所述纖芯為三個(gè)，其中第一個(gè)纖芯(4)位于基質(zhì)材料(1)中心區(qū)域，由正三角形網(wǎng)格中缺失一個(gè)孔所形成，第二個(gè)纖芯(5)和第三個(gè)纖芯(6)對(duì)稱地位于所述第一纖芯(4)兩側(cè)，纖芯(5)和纖芯(6)均由正三角形網(wǎng)格中缺失一個(gè)孔所形成，圍繞纖芯(5)和纖芯(6)最內(nèi)層的空氣孔為孔(2)和孔(3)，所述孔(3)的直徑d2和孔(2)的直徑d1之間的關(guān)系滿足d2≥d1。本發(fā)明通過改變兩側(cè)纖芯(纖芯(5)、纖芯(6))包層空氣孔(3)的直徑實(shí)現(xiàn)了寬波長(zhǎng)范圍工作、對(duì)光纖長(zhǎng)度不敏感、低傳輸損耗和偏振相關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/02GK103091771SQ201210582690
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者陳明陽(yáng), 孫兵, 王濤, 錢春霖, 張永康 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)