一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器论文和设计-徐宁

全文摘要

一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述分束器主体为正三角形栅格排列空气孔，所述空气孔形成分束器的纤芯，所述分束器的背景材料采用纯石英玻璃；所述正三角形栅格排列空气孔的处于正中心位置的中心空气孔中填充有一定厚度的石墨烯环，所述石墨烯环填充在中心空气孔的外围；所述中心空气孔左侧设有纤芯A，右侧设有纤芯B，纤芯A掺氟，纤芯B掺锗，掺杂浓度可以调节。本实用新型所提供的高分光比、超宽带、高双折射光子晶体光纤分束器将在光纤器件、光纤传感和光纤传输系统等方面发挥重要的作用。

主设计要求

1.一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述分束器主体为正三角形栅格排列空气孔，所述空气孔形成分束器的纤芯，所述分束器的背景材料采用纯石英玻璃；所述正三角形栅格排列空气孔的处于正中心位置的中心空气孔中填充有一定厚度的石墨烯环，所述石墨烯环填充在中心空气孔的外围；所述中心空气孔左侧设有纤芯A，右侧设有纤芯B，纤芯A掺氟，纤芯B掺锗，掺杂浓度可以调节。

设计方案

1.一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：

所述分束器主体为正三角形栅格排列空气孔，所述空气孔形成分束器的纤芯，所述分束器的背景材料采用纯石英玻璃；

所述正三角形栅格排列空气孔的处于正中心位置的中心空气孔中填充有一定厚度的石墨烯环，所述石墨烯环填充在中心空气孔的外围；

所述中心空气孔左侧设有纤芯A，右侧设有纤芯B，纤芯A掺氟，纤芯B掺锗，掺杂浓度可以调节。

2.根据权利要求1所述的一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述正三角形栅格排列的圆形空气孔的直径为d_{1<\/sub>，d_{1<\/sub>取1.65um。}}

3.根据权利要求1所述的一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述相邻空气孔间距为Λ，Λ取3um。

4.根据权利要求1所述的一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述石墨烯环的厚度为d_{2<\/sub>，d_{2<\/sub>取7.6nm。}}

5.根据权利要求1所述的一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于：所述纤芯A和纤芯B的氟和锗的掺杂浓度可以调节，以得到不同的分光比和耦合长度比。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及光子晶体光纤领域，具体为一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器。

背景技术

光子晶体光纤突出的特点随着人们的关注逐渐被挖掘出来，光子晶体的突出特点都是光通信器件的迫切需求，而偏振分束器是光通信器件中重要的一个，光子晶体光纤对偏振分束器的作用也是映入人们的眼前。目前的偏振分束器具有物理长度长、带宽窄、分光比低等特点，这很难满足现今光通讯的要求。而光子晶体光纤具有灵活的结构，新颖的特点，因此光子晶体光纤偏振分束器具有传统分束器没有的优势。

早在2003年，Zhang 等人提出了一种高双折双芯光子晶体光纤，通过改变光子晶体光纤的空气孔的尺寸，从而实现偏振分束。从此之后，光子晶体光纤的高双折射特性被用于偏振分束器的报道接踵而至。2005年，Nikolaos Florous 等人通过改变空气孔的形状，从圆形改为椭圆形，打破了光子晶体光纤的对称性，从而实现在1310nm和1550nm两个波段的分束。椭圆空气孔的引入为光子晶体光纤偏振分束器的研究打开了一个契机，后来越来越多的椭圆空气孔被引入到光子晶体光纤偏振分束器中。另一方面，除了改变空气孔的形状，研究者们还在研究各种空气孔的排布，正四边形、正五边形、正六边形、正八边形等，各种不同排布的光子晶体光纤偏振分束器接连被报道。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种宽带双芯高分光比光子晶体光纤偏振分束器，在双芯光子晶体光纤的中心空气孔中填充有一定厚度的石墨烯环，中心空气孔两侧的纤芯掺杂有金属锗和氟，来实现高分光比和高带宽等特性，并且通过改变掺杂浓度可以实现分光比和耦合长度等偏振特性的调谐。

一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述分束器主体为正三角形栅格排列空气孔，所述空气孔形成分束器的纤芯，所述分束器的背景材料采用纯石英玻璃；

所述正三角形栅格排列空气孔的处于正中心位置的中心空气孔中填充有一定厚度的石墨烯环，所述石墨烯环填充在中心空气孔的外围；

所述中心空气孔左侧设有纤芯A，右侧设有纤芯B，纤芯A掺氟，纤芯B掺锗，掺杂浓度可以调节。

进一步地，正三角形栅格排列的圆形空气孔的直径为d_{1<\/sub>，d_{1<\/sub>取1.65um。}}

进一步地，所述相邻空气孔间距为Λ，Λ取3um。

进一步地，所述石墨烯环的厚度为d_{2<\/sub>，d_{2<\/sub>取7.6nm。}}

进一步地，所述纤芯A和纤芯B的氟和锗的掺杂浓度可以调节，以得到不同的分光比和耦合长度比。

本实用新型所提供的高分光比、超宽带、高双折射光子晶体光纤分束器将在光纤器件、光纤传感和光纤传输系统等方面发挥重要的作用。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图，包括光纤的横截面图及结构参数。

图2为掺锗浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，本实用新型的分光比随波长的变化关系图。

图3为掺锗浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，本实用新型的耦合长度比随波长的变化关系图。

图4为掺锗浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，本实用新型的y偏振耦合长度随波长的变化关系图。

图5为掺锗浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，本实用新型的x偏振随波长的变化关系图。

图6为掺氟浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，本实用新型的分光比随波长的变化关系图。

图7为掺氟浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，本实用新型的耦合长度比随波长的变化关系图。

图8为掺氟浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，本实用新型的y偏振耦合长度随波长的变化关系图。

图9为掺氟浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，本实用新型的x偏振随波长的变化关系图。

图10为入射纤芯中X和Y偏振态光的能量分布示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。

一种宽带双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述分束器主体为正三角形栅格排列空气孔，所述空气孔形成分束器的纤芯，所述分束器的背景材料采用纯石英玻璃。

所述正三角形栅格排列空气孔的处于正中心位置的中心空气孔中填充有一定厚度的石墨烯环，所述石墨烯环填充在中心空气孔的外围。

所述中心空气孔左侧设有纤芯A，右侧设有纤芯B，纤芯A掺氟，纤芯B掺锗，掺杂浓度可以调节。

所述正三角形栅格排列的圆形空气孔的直径为d_{1<\/sub>，d_{1<\/sub>取1.65um。}}

所述相邻空气孔间距为Λ，Λ取3um。

所述石墨烯环的厚度为d_{2<\/sub>，d_{2<\/sub>取7.6nm。}}

所述纤芯A和纤芯B的氟和锗的掺杂浓度可以调节，以得到不同的分光比和耦合长度比。

如图2所示，可以看出本实用新型的分光比特性。高分光比带宽光子晶体光纤在光通信和光传感器以及偏振分束器中有重要的应用。本实用新型设计的分光比随波长的变化如图2所示，由图可知，当Λ=3um、d_{1<\/sub>=1.65um、d_{2<\/sub>=37.6nm，掺锗浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，在波长0.9um-2um之间的分光比带宽分别为：285nm、390nm、420nm、402nm，分光比最低值可以达到-76.1dB，对应的波长为1.3um。}}

如图3所示，可以看出本实用新型耦合长度比特性。耦合长度比接近于2是有关光纤偏振分束器的性能中至关重要的因素。本实用新型设计的耦合长度比随波长的变化如图3所示，由图可知，当Λ=3um、d_{1<\/sub>=1.65um、d_{2<\/sub>=37.6nm，掺锗浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，耦合长度比在1.25um-2um之间时接近2，并且掺锗浓度为0.004时最近接于2，其次是0.006、0.002、0，表明掺锗浓度为0.004时性能最好。}}

如图4所示，可以看出本实用新型y偏振耦合长度特性。偏振耦合长度在光纤传感器件和偏振分束器中具有重要的作用。由图可知，当Λ=3um、d_{1<\/sub>=1.65um、d_{2<\/sub>=37.6nm，掺锗浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，y偏振耦合长度在锗浓度为0.004时最小，在1.25um-2um之间掺杂浓度为0、0.002、0.006的三种模型的y偏振耦合长度基本一样，都在0.4mm附近。}}

如图5所示，可以看出本实用新型x偏振耦合长度特性。偏振耦合长度在光纤传感器件和偏振分束器中具有重要的作用。由图可知，当当Λ=3um、d_{1<\/sub>=1.65um、d_{2<\/sub>=37.6nm，掺锗浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，x偏振耦合长度在1.25um-2um之间基本一样，在0.9-1.25um之间存在差异。}}

如图6所示，可以看出本实用新型的分光比特性。高分光比带宽光子晶体光纤在光通信和光传感器以及偏振分束器中有重要的应用。本实用新型设计的分光比随波长的变化如图6所示，由图可知，当Λ=3um、d_{1<\/sub>=1.65um、d_{2<\/sub>=37.6nm，掺氟浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，在波长0.9um-2um之间的分光比带宽分别为：410nm、452nm、420nm、422nm，分光比最低点分别为-33.8dB、-84.6dB、-41.2dB、-45.4dB，浓度分别为0、0.002、0.004对应的最低点波长为1.6um，浓度为0.006对应的最低点波长为1.35um，表明浓度的增加会使得分光比的波谷最低点发生移动，发生了蓝移现象。}}

如图7所示，可以看出本实用新型耦合长度比特性。耦合长度比接近于2是有关光纤偏振分束器的性能中至关重要的因素。本实用新型设计的耦合长度比随波长的变化如图7所示，由图可知，当Λ=3um、d_{1<\/sub>=1.65um、d_{2<\/sub>=37.6nm，掺氟浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，耦合长度比在1.25um-2um之间时最接近2，并且掺锗浓度为0.002时最近接于2，其次是0.004、0、0.006。}}

如图8所示，可以看出本实用新型y偏振耦合长度特性。偏振耦合长度在光纤传感器件和偏振分束器中具有重要的作用。由图8可知，当Λ=3um、d_{1<\/sub>=1.65um、d_{2<\/sub>=37.6nm，掺氟浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，随着波长的增加，y偏振耦合长度逐渐降低，到达0.39mm的时候基本不再变化，在1.25um-2um之间掺杂浓度为0、0.002、0.004、0.006的四种模型的y偏振耦合长度基本一样。}}

如图9所示，可以看出本实用新型x偏振耦合长度特性。偏振耦合长度在光纤传感器件和偏振分束器中具有重要的作用。由图可知，当Λ=3um、d_{1<\/sub>=1.65um、d_{2<\/sub>=37.6nm，掺氟浓度分别为0、0.002、0.004、0.006时，不同掺氟浓度下x偏振耦合长度在1.25um-2um之间基本一样，在0.9-1.25um之间存在差异，随着波长的增加，x偏振耦合长度逐渐降低，到达0.19mm的时候基本不再变化。}}

在上述光纤参数下，计算可得，Lx=0.1934mm，Ly=0.3816mm,即分束器的长度为0.38mm，显然，当一束光从某一端口入射时，沿光纤传播0.38mm后，从相同端口出射的光将是线振正光，入射纤芯中X和Y偏振态光的能量分布图10所示。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

设计图

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