秦玉珍，黃 俞（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，430000）

螺旋結(jié)構(gòu)光纖光柵偏振特性研究

秦玉珍，黃 俞
（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，430000）

螺旋光纖光柵首次由Kopp等人提出，實(shí)驗(yàn)和理論均已證明雙螺旋具有偏振敏感性而單螺旋不具有偏振敏感性。本文運(yùn)用FDTD方法模擬了與Kopp等人不同截面形狀的短周期單螺旋和雙螺旋光纖光柵，并且提出和模擬了新的多螺旋光纖光柵——三螺旋和四螺旋光纖光柵。模擬結(jié)果表明，單螺旋和四螺旋不具有偏振敏感性，而雙螺旋和三螺旋具有偏振敏感性，單螺旋和雙螺旋的結(jié)果證實(shí)與Kopp等人的結(jié)果一致。同時(shí)，為了總結(jié)偏振敏感性變化規(guī)律，我們對(duì)雙螺旋參數(shù)進(jìn)行了討論。最后，運(yùn)用耦合模式理論對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)的解釋。

光纖光柵 ；螺旋；偏振敏感性；耦合模式理論

0　引言

2001年，Kopp等人提出一種新型的具有偏振敏感性的螺旋光纖光柵。這種光柵在傳感器、偏振器和濾波器等方面具有潛在應(yīng)用。螺旋結(jié)構(gòu)可以與之旋向相同的圓偏振光發(fā)生作用，與之旋向相反的圓偏振光則毫無(wú)影響的通過(guò)。螺旋光纖光柵是通過(guò)在高溫爐里面扭曲特制的非圓芯光纖或者離心光纖制作而成的。當(dāng)扭轉(zhuǎn)非圓心光纖時(shí)得到雙螺旋，扭轉(zhuǎn)離心光纖時(shí)得到單螺旋。Kopp和錢(qián)景仁等已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論證明，雙螺旋具有偏振敏感性而單螺旋不具有偏振敏感性。2012年，錢(qián)景仁等提出四螺旋與傳統(tǒng)光柵一樣沒(méi)有偏振選擇性。

在本文中，我們用FDTD（finite difference time domain）方法建立與Kopp等人的螺旋光柵截面形狀不同的單螺旋和雙螺旋，并且提出和模擬了新的多螺旋光纖光柵——三螺旋和四螺旋光纖光柵。同時(shí)，為了總結(jié)雙螺旋參數(shù)變化對(duì)偏振敏感性變化規(guī)律影響，我們對(duì)雙螺旋各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了討論。

1　模型建立

以左手旋轉(zhuǎn)雙螺旋為例，建立螺旋光纖光柵的模型，如圖1所示。以一定速率扭轉(zhuǎn)如圖1中所示截面形狀的芯層的光纖而得到的。我們用、p、D和N代表螺旋周期、節(jié)距和原始光纖直徑和螺旋周期數(shù)；為扭轉(zhuǎn)速率，為正，表示螺旋光纖光柵為右旋，反之則為左旋。螺旋周期、扭轉(zhuǎn)速率和螺旋節(jié)距滿足如下關(guān)系

圖1　雙螺旋模型圖，插圖為雙螺旋截面圖Fig.1 Simulation model of double-helix， the insert shows the cross section of double-helix

模擬時(shí)，左旋圓偏光和右旋圓偏光被用來(lái)作為激勵(lì)源。定義左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的傳輸透過(guò)譜為L(zhǎng)CP和RCP，二者比值為消光比EX：EX=LCP/RCP （3）

2　模擬結(jié)果

2.1單螺旋至四螺旋的偏振敏感特性模擬結(jié)果

圖2（a）、2（b）、2（c）和2（d）分別表示單螺旋至四螺旋的模擬結(jié)果。由圖2（a）和圖2（d）可知，單螺旋和四螺旋的左旋和右旋圓偏振光的傳輸透過(guò)譜幾乎在同一波長(zhǎng)形成一個(gè)深度基本相同的凹陷，這就導(dǎo)致LCP/RCP幾乎為1。因此，單螺旋和四螺旋不具有偏振敏感性。圖2（b）和圖2（c）可以看出，只有與雙螺旋和三螺旋結(jié)構(gòu)旋向相同的左旋圓偏振光透過(guò)譜產(chǎn)生了凹陷，而右旋圓偏振光則沒(méi)有影響的通過(guò)，因此消光比也出現(xiàn)了相應(yīng)的凹陷。這就表明雙螺旋和三螺旋具有偏振敏感性。之前，Kopp等人分析了橢圓截面形狀和矩形截面形狀的雙螺旋和偏心單螺旋光纖光柵，錢(qián)景仁等分析了應(yīng)力光纖扭轉(zhuǎn)而成的單、雙螺旋光纖光柵。雖然我們單螺旋和雙螺旋光纖光柵截面形狀與Kopp、錢(qián)景仁等人的不同，但是結(jié)果卻與他們的一致。

圖2　單到四螺旋傳輸透過(guò)譜和消光比圖Fig.2 Transmission spectrum and LCP/RCP of single- 、double-、triple- and quadruple-helix

圖3　不同參數(shù)的影響。（a）不同周期的左、右旋透過(guò)譜比值；（b）不同周期數(shù)左、右旋透過(guò)譜比值；（c）不同直徑的左、右旋透過(guò)譜比值Fig.3 Influence of different parameters. （a） LCP/ RCP of different periods； （b） LCP/RCP of different period numbers； （c） LCP/RCP of different diameters

2.2雙螺旋光纖光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)偏振特性的影響

為了考察雙螺旋參數(shù)變化對(duì)偏振敏感性變化規(guī)律的影響，我們探討了雙螺旋結(jié)構(gòu)的、N和D對(duì)消光比的影響。具體分為如下三種情況：（1）的影響：保持N=2×130，D=1.3μm不變，改變大小分別為0.66μm、0.625μm和0.62μm，模擬結(jié)果如圖3（a）所示；（2） N的影響：保持=0.625μm，D=1.3μm不變，分別改變N為2×100、2×130和2×160，如圖3（b）所示；（3） D的影響：保持 =0.625μm，N=2×130不變，分別改變D為1.36μm、1.3μm、1.24μm， 如圖3（c）所示。

表1　參數(shù)變化對(duì)結(jié)果影響Table1 Influence of the parameters

表中↑表示變大，↓表示變小，——表示不變

3　總結(jié)

本文運(yùn)用FDTD方法建立了單螺旋、雙螺旋、三螺旋和四螺旋光纖光柵模型，并進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬。結(jié)果表明，單螺旋和四螺旋不具有偏振敏感性，而雙螺旋和三螺旋具有偏振敏感性。同時(shí)，我們對(duì)雙螺旋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了討論，討論結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變只會(huì)改變有偏振敏感性而引起的凹陷波長(zhǎng)位置和凹陷深度

大小。

［1］ Victor I. Kopp. Chiral Fiber Gratings［J］. Science， 2004， 305 （74）

［2］ Victor M. Churikov， Victor I. Kopp and A. Z. Genack. Dualtwist fiber long period gratings［J］. SPIE， 2009， 7212，72120H-1～72120H-8

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［6］ Victor I. Kopp and Azriel Z. Genack. Double-helix chiral fibers［J］. Optical Letters， 2003， 28（20）

Study of polarization property of multiple helixes

Qin Yuzhen，Huang Yu
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of Patent Office， SIPO，430000）

Chiral fiber grating with unique polarization sensitivity was first proposed by Victor I. Kopp et al.It has been demonstrated experimentally and theoretically that double-helix is polarization sensitive while single-helix is not. In this study， we simulate short period single-helix and double-helix using the FDTD method and propose chiral fiber gratings with multi-helical symmetry—triple-helix and quadruplehelix.The results indicate that double-helix and triple-helix are polarization sensitive while the singlehelix and quadruple-helix are not.Meanwhile，the parameters of double-helix are discussed to summarize the pattern of polarization sensitivity.At last coupled mode theory is used to explain the results systematically.

fiber grating；multi-helix；polarization sensitive；coupled mode theory

注：本文第二作者（黃俞）對(duì)文章貢獻(xiàn)等同第一作者。