基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器

1.本发明涉及偏振分束器技术领域，尤其涉及一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，对于网络信息的传输日益增加，对通信系统的性能要求越来越高。传统通信系统通常采用实芯光纤，而实芯光纤的材料吸收等特性使得通信系统的发展受到了限制。而空芯光纤由于其独特的结构，使得光可以限制在空芯中进行传输，近年来备受人们的关注。偏振分束器是光通信系统中必不可少的一个器件，所以空芯偏振分束器的研究尤为重要。
3.空芯光纤可以让光在空气中进行传输，具有低损耗、低色散、低非线性和高损伤阈值等特性，使得其在超短脉冲或高功率脉冲传输、中红外传输及太赫兹等方面有很大的应用前景。
4.空芯负曲率光纤，基于反谐振的导光原理，是一种有着广泛应用的空芯光纤。当石英玻璃管的厚度满足谐振条件时，光将会被泄露，而满足反谐振条件时，光可以很好的被限制在纤芯中。由于其结构简单、损耗低、宽带宽等特点，基于反谐振原理的空芯负曲率光纤近年来备受人们的关注。在已报道的空芯负曲率光纤分束器中，人们通常引入椭圆石英玻璃管来将两个纤芯分离并实现偏振分束。但是在制备过程中制备，椭圆石英玻璃管的制备难度及偏振分束性能较差。因此提供一种结构简单、制作方便且偏振分束性能好的分束器是当前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，用以解决现有技术中椭圆石英玻璃管的制备难度及偏振分束性能较差的缺陷，实现提供一种结构简单、制作方便且偏振分束性能好的分束器。
6.本发明提供一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，包括：
7.纤芯区和包层区；所述纤芯区包括第一纤芯、第二纤芯，所述第一纤芯和第二纤芯均为空芯，所述包层区位于所述纤芯区的外层；
8.将光能量从第一纤芯或第二纤芯入射，产生x偏振光和y偏振光在所述第一纤芯和第二纤芯进行周期性的转移，得到x偏振光的第一耦合长度和y偏振光的第二耦合长度；
9.根据x偏振光和y偏振光在第一纤芯或第二纤芯中能量的比值得到偏振消光比；
10.在第一耦合长度和第二耦合长度的耦合长度比满足预设条件且偏振消光比达到要求的情况下，实现x偏振光和y偏振光的分束。
11.根据本发明提供的一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，所述包层区包括多个圆柱状的石英玻璃管，所述多个石英玻璃管分布于所述第一纤芯和第二纤芯周围，且将所述第一纤芯和第二纤芯分隔。
12.根据本发明提供的一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，所述石英玻璃管呈圆柱状，且所述石英玻璃管的厚度的范围为：1.15～1.25μm。
13.根据本发明提供的一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，所述石英玻璃管包括两个第一石英玻璃管、两个第二石英玻璃管以及多个第三石英玻璃管；
14.两个所述第一石英玻璃管沿所述包层区的水平直径分布且均与包层区内壁相切，两个所述第二石英玻璃管沿所述包层区的竖直直径分布且均与包层区内壁相切；
15.多个所述第三石英玻璃管分别位于两个所述第二石英玻璃管的两侧呈对称分布。
16.根据本发明提供的一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，所述第一石英玻璃管中设有嵌套石英玻璃管，所述嵌套石英玻璃管与所述第一石英玻璃管靠近包层区的内壁相切。
17.根据本发明提供的一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，所述第一石英玻璃管的直径的范围为26.5～27.5μm。
18.根据本发明提供的一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，所述第二石英玻璃管的直径的范围为7.7～8.2μm。
19.根据本发明提供的一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，所述第三石英玻璃管的直径的范围为：10.5～11μm。
20.根据本发明提供的一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，所述嵌套石英玻璃管和第一石英玻璃管的直径比例的范围为：0.5～0.6。
21.根据本发明提供的一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，所述包层区的内径的范围为：58～62μm。
22.本发明还提供一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束方法，包括：
23.将光能量从第一纤芯或第二纤芯入射，产生x偏振光和y偏振光；
24.将所述x偏振光和y偏振光在所述第一纤芯和第二纤芯进行周期性的转移，得到x偏振光的第一耦合长度和y偏振光的第二耦合长度；
25.根据x偏振光和y偏振光在第一纤芯或第二纤芯中能量的比值得到偏振消光比；
26.在第一耦合长度和第二耦合长度的耦合长度比满足预设条件且偏振消光比达到要求的情况下，实现x偏振光和y偏振光的分束。
27.本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，通过将光能量从第一纤芯或第二纤芯入射，产生x偏振光和y偏振光在第一纤芯和第二纤芯进行周期性的转移，得到x偏振光的第一耦合长度和y偏振光的第二耦合长度，在第一耦合长度和第二耦合长度的耦合长度比满足预设条件的情况下，实现x偏振光和y偏振光的分束。本发明的结构简单、制作方便并且偏振分束的性能好。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器的截面图之一；
30.图2是本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器的截面图之二；
31.图3为本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器的x偏振方向与y偏振方向的耦合长度及其耦合长度比随波长变化的关系图；
32.图4为本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器的归一化功率随传输长度变化的关系图；
33.图5为本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器在长度为11.4cm时的消光比随波长变化的关系图；
34.图6是本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束方法的流程示意图。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.下面结合图1-图6描述本发明的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器。
37.参照图1，本发明提供一种基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，包括：
38.纤芯区110和包层区120；
39.所述纤芯区110包括第一纤芯a、第二纤芯b，所述第一纤芯a和第二纤芯b均为空芯光纤；
40.所述包层区120位于所述纤芯区110的外层；所述包层区120包括多个圆柱状的石英玻璃管c；
41.所述多个石英玻璃管c分布于所述第一纤芯a和第二纤芯b之间，将所述第一纤芯a和第二纤芯b分隔；
42.将光能量从第一纤芯a或第二纤芯b入射，产生x偏振光和y偏振光在所述第一纤芯a和第二纤芯b进行周期性的转移，得到x偏振光的第一耦合长度和y偏振光的第二耦合长度；
43.根据x偏振光和y偏振光在第一纤芯或第二纤芯中能量的比值得到偏振消光比；
44.在第一耦合长度和第二耦合长度的耦合长度比满足预设条件的情况下且偏振消光比达到要求，实现x偏振光和y偏振光的分束。
45.具体地，本实施例中的包层区位于纤芯区的外层且将两个纤芯分隔开。本实施例中的光纤的导光机制为反谐振反射机理，可以将光限制在空芯中传输。
46.根据耦合模式理论，当光能量从双芯光纤的一个纤芯(第一纤芯a或第二纤芯b)入射时，会激发出四个超模，分别为x偏振偶模、x偏振奇模、y偏振偶模和y偏振奇模。因为其偶模和奇模的传输常数不同，所以x偏振光和y偏振光将会在两个纤芯进行周期性的转移，且两个偏振态转移的周期不同。当入射的某个偏振态的光能量从一个纤芯完全转移到另一个纤芯时，该偏振光传输的长度即为耦合长度，如以下公式所示：
[0047][0048]
其中，λ是入射光波长分别表示偶模和奇模的传播常数以及有效折射率，i代表x偏振方向或y偏振方向。
[0049]
由于两个正交偏振态的耦合长度不同，适当选取光纤的器件长度，便可以实现正交偏振态光的分离。当光纤长度和两个偏振态的耦合长度满足：
[0050]
l＝m l
x
＝n lyꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0051]
以上公式可转化为：
[0052]
clr＝n/m＝l
x
/lyꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0053]
当x偏振光的第一耦合长度和y偏振光的第二耦合长度的比值clr满足预设条件时，实现x偏振光和y偏振光的分束。其中预设条件为：clr为偶数或者偶分数，即m和n是奇偶性相反的整数时，即可实现x偏振光与y偏振光的分离。
[0054]
进一步地，为获得最短器件长度，可选取耦合长度比clr＝l
x
/ly作为参考依据，当耦合长度的值为1/2或2/1时，可得到理想的分束长度。
[0055]
更近一步地，消光比作为衡量偏振分束器性能的重要参数之一，主要是用来描述两个偏振光束的分离程度：
[0056][0057]
其中，是x、y偏振光在一个纤芯的输出功率。通常，当er》20db时，可以认为两束正交偏振态的光已完全分开。
[0058]
本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器，通过将光能量从第一纤芯或第二纤芯入射，产生x偏振光和y偏振光在第一纤芯和第二纤芯进行周期性的转移，得到x偏振光的第一耦合长度和y偏振光的第二耦合长度，在第一耦合长度和第二耦合长度的耦合长度比满足预设条件的情况下，实现x偏振光和y偏振光的分束。本发明的结构简单、制作方便并且偏振分束的性能好。
[0059]
参照图2，基于以上实施例，所述石英玻璃管包括两个第一石英玻璃管210、两个第二石英玻璃管220以及多个第三石英玻璃管230，所述第一石英玻璃管210中设有嵌套石英玻璃管240，所述嵌套石英玻璃管240与所述第一石英玻璃管210靠近包层区的内壁相切；
[0060]
两个所述第一石英玻璃管210沿所述包层区的水平直径分布且均与包层区内壁相切，两个所述第二石英玻璃管220沿所述包层区的竖直直径分布且均与包层区内壁相切；
[0061]
多个所述第三石英玻璃管230分别位于两个所述第二石英玻璃管220的两侧呈对称分布。
[0062]
参照图2，可以理解为，以包层区顶部的第二石英玻璃管220为起点，将包层区看做
一个圆周，并且以30
°
为一个刻度点，两个第一石英管210分别位于90
°
和270
°
的刻度点的位置，两个第二石英管220分别位于0
°
和180
°
的刻度点的位置，四个第三石英玻璃管分别位于30
°
、150
°
、210
°
和330
°
的刻度点的位置。
[0063]
可选地，所述双空芯光纤偏振分束器的带宽为240nm。
[0064]
可选地，所述第一石英玻璃管的直径d1的范围为26.5～27.5μm。
[0065]
可选地，所述第二石英玻璃管的直径d2的范围为7.7～8.2μm。
[0066]
可选地，所述第三石英玻璃管的直径d3的范围为：10.5～11μm。
[0067]
可选地，所述石英玻璃管的厚度t的范围为：1.15～1.25μm。
[0068]
可选地，所述嵌套石英玻璃管和第一石英玻璃管的直径比例k的范围为：0.5～0.6。
[0069]
可选地，所述包层区的内径的范围为：58～62μm。
[0070]
本实施例中，在以上所示的数值范围内，对各个石英玻璃管的直径和厚度取值，以及对嵌套石英玻璃管和第一石英玻璃管的直径比例的范围、包层区的内径的范围进行取值，能够有效的将x偏振光和y偏振光分离开，当分束器长度为11.4cm时，可以在1480～1720nm范围内实现偏振分束，双空芯光纤偏振分束器的带宽为240nm。
[0071]
参照图3本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器的x偏振方向与y偏振方向的耦合长度及其耦合长度比随波长变化的关系图。
[0072]
根据图3，可以看出，x偏振光和y偏振光均随着波长的增加，先增加后减小，x偏振的耦合长度要小于y偏振的耦合长度，耦合长度比在0.5～0.6附近有个增加的趋势。
[0073]
参照图4，图4为本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器的归一化功率随传输长度变化的关系图。
[0074]
根据图4，可以得到，当长度为11.4cm时，x偏振功率和y偏振功率的差值最大。
[0075]
参照图5，图5为本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束器在长度为11.4cm时的消光比随波长变化的关系图。
[0076]
根据图5，可以得到，在分束器长度为11.4cm时，在1520nm波长处，消光比值达到最大，为67db。在1480～1720nm的范围内，偏振消光比均大于20db，可以实现偏振光的分离，实现两个偏振态光的分束。故本实施例的双空芯光纤偏振分束器的带宽为240nm。
[0077]
本发明的基于反谐振机理的空芯负曲率双芯光纤偏振分束器具有超宽的分束器带宽，分束带宽波长范围为1480～1720nm。本发明的基于反谐振机理的空芯负曲率双芯光纤偏振分束器采用空芯光纤，结构简单，易于制备，在大容量的空芯光纤通信系统中将会有着广泛应用。
[0078]
参照图6，本发明提供的基于反谐振机理的双空芯光纤偏振分束方法，包括以下步骤：
[0079]
步骤610、将光能量从第一纤芯或第二纤芯入射，产生x偏振光和y偏振光；
[0080]
步骤620、将所述x偏振光和y偏振光在所述第一纤芯和第二纤芯进行周期性的转移，得到x偏振光的第一耦合长度和y偏振光的第二耦合长度；
[0081]
步骤630、根据x偏振光和y偏振光在第一纤芯或第二纤芯中能量的比值得到偏振消光比；
[0082]
步骤640、在第一耦合长度和第二耦合长度的耦合长度比满足预设条件且偏振消
光比达到要求的情况下，实现x偏振光和y偏振光的分束。
[0083]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。