宋 丹，馬 勇，鄒 輝，韋 瑋

(南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

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基于雙芯光子晶體光纖的偏振分束器的設(shè)計(jì)*

宋 丹，馬 勇，鄒 輝，韋 瑋

(南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

提出了兩種基于雙芯光子晶體光纖的偏振分束器。采用全矢量有限元算法，系統(tǒng)地研究了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分束器耦合特性的影響。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種長(zhǎng)度短、分光比高的偏振分束器，其長(zhǎng)度為4.21 mm，帶寬為27 nm，1 550 nm處的分光比高達(dá)88.2 dB。研究表明，相比于引入橢圓空氣孔，改變空氣孔尺寸所獲得偏振分束器具有更好的性能。

光子晶體光纖；偏振分束器；分光比；耦合特性

0 引言

偏振分束器作為一種無(wú)源光器件已廣泛地應(yīng)用于光通信中，其主要功能是將一束入射光分解成兩束相互垂直的線(xiàn)偏振光[1-2]。早期的偏振分束器大多數(shù)是依據(jù)雙折射原理，由傳統(tǒng)雙芯光纖制備而成。但傳統(tǒng)光纖往往雙折射較小，因此制備的分束器一般都具有較長(zhǎng)的器件長(zhǎng)度。此外，基于傳統(tǒng)光纖的偏振分束器具有波長(zhǎng)依賴(lài)特性，且工作波段單一，這大大限制了其應(yīng)用范圍[3]。

近年來(lái)，光子晶體光纖因其靈活的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)而被全世界的學(xué)者廣泛關(guān)注[4-7]。光子晶體光纖的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)光纖的研究瓶頸，為偏振分束器的設(shè)計(jì)提供了新的契機(jī)。2003年， Zhang Lin等人首先提出了基于雙芯光子晶體光纖的偏振分束器，該分束器能夠在保證在以10 dB以上的分光比為條件的前提下，在1 550 nm波段實(shí)現(xiàn)高達(dá)40 nm的帶寬[8]。此后，基于雙芯光子晶體光纖的偏振分束器得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的研究。2004年，SAITOH K等人提出了一種具有三芯結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，基于這種結(jié)構(gòu)的偏振分束器能夠分光比提高到20 dB，并保持37 nm的帶寬[9]。2005年，橢圓形的空氣孔的雙芯光子晶體光纖被報(bào)道，基于這種光纖的偏振分束器能夠?qū)崿F(xiàn)雙波段的分束器[10]。2006年，ROSE L等人提出了正方形排列格式下的雙芯光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的分束器，該分束器能夠?qū)捥岣叩?0 nm的同時(shí)保證23 dB的分光比[11]。如上所述的偏振分束器都是從結(jié)構(gòu)的角度考慮了光纖的設(shè)計(jì)，這些結(jié)構(gòu)上的變化通常包括包層空氣孔尺寸和包層空氣孔形狀的改變。目前，尚未有關(guān)于這兩種變化方式對(duì)分束器性能影響的詳細(xì)討論。

本文系統(tǒng)地研究了空氣孔尺寸和空氣孔形狀對(duì)雙芯光纖耦合特性的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種應(yīng)用于1 550 nm波段處的偏振分束器，且具備長(zhǎng)度短、消光比高等優(yōu)異特性。

1 光纖結(jié)構(gòu)和原理

本文提出的雙芯光子晶體光纖的橫截面如圖1所示。圖中的白色區(qū)域?yàn)榭諝饪?，直徑d=1 μm，空氣孔間距Λ=2 μm。所有空氣孔均以正六邊形方式排列，折射率設(shè)為1。藍(lán)色部分為光纖的基底材料，采用石英，其折射率依據(jù)Sellmeier公式所得。圖1(a)所示的光纖的中心空氣孔為橢圓形，橢圓率記為e，短軸半徑為0.5 μm；圖1(b)所示的光纖的中心空氣孔及其左右相鄰的空氣孔為大尺寸空氣孔，其直徑記為D。

圖1 雙芯光子晶體光纖的橫截面圖

根據(jù)耦合模理論，O-D-PCF的模式由4個(gè)超模組成，分別是X偏振態(tài)的奇模、偶模及Y偏振態(tài)的奇模、偶模。相同偏振態(tài)的奇偶模之間沿著光纖的傳播方向發(fā)生耦合，使偏振光能量從一個(gè)纖芯向另一個(gè)纖芯傳遞，當(dāng)入射纖芯中某一偏振態(tài)的光束能量為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的傳播距離稱(chēng)為耦合長(zhǎng)度Lc，可以表示為：

(2)

(3)

(4)

其中，m和n表示極性相反的整數(shù)。

分光比(ER)是衡量偏振分束器性能的重要參數(shù)，它表達(dá)的意義是某一纖芯中兩種不同偏振態(tài)的光能量比值，其定義為：

(5)

一般認(rèn)為當(dāng)分光比高于20 dB時(shí)，兩束線(xiàn)偏光得到較為理想的分束。

2 兩種偏振分束器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

對(duì)于本文提出的光纖結(jié)構(gòu)，特征參數(shù)主要有橢圓的橢圓率e和大空氣孔的尺寸D。針對(duì)不同的光纖結(jié)構(gòu)，本文利用有限元算法研究了這兩個(gè)參數(shù)對(duì)雙芯光纖耦合特性的影響，得出了一般規(guī)律。這為設(shè)計(jì)基于雙芯光子晶體光纖的偏振分束器提供了參考。

2.1 引入橢圓空氣孔

圖2 雙芯光纖的耦合長(zhǎng)度及耦合長(zhǎng)度比隨橢圓率的變化關(guān)系

2.2 改變中心空氣孔及其相鄰空氣孔尺寸

圖3 雙芯光纖的耦合長(zhǎng)度及耦合長(zhǎng)度比隨大空氣孔直徑的變化關(guān)系

2.3 兩種偏振分束器性能的比較

上述兩種結(jié)構(gòu)的雙芯光纖都能夠在1 550 nm處實(shí)現(xiàn)偏振分束，但兩者在性能方面還是存在一定差距的。圖1(a)所示結(jié)構(gòu)的雙芯光纖的耦合長(zhǎng)度比為1.5，所以對(duì)應(yīng)的分束器的長(zhǎng)度L=3Lx≈3.98 mm；圖1(b)所示結(jié)構(gòu)的雙芯光纖的耦合長(zhǎng)度接近2，因此該分束器的長(zhǎng)度L=2Lx≈4.21 mm，兩者長(zhǎng)度上的差別并不大。在兩者取得合適物理長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，比較這兩種分束器的分光比和帶寬。圖4所示是分光比(ER)隨波長(zhǎng)變化的示意圖。圖中所示的結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2分別對(duì)應(yīng)圖1(a)和圖1(b)所示的雙芯光纖。可以看到，無(wú)論是1 550 nm處的分光比(48.1 dB和88.2 dB)，還是以20 dB為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的帶寬(17 nm和27 nm)，擁有大尺寸圓孔的雙芯光纖都更具有優(yōu)勢(shì)。

圖4 分光比隨波長(zhǎng)的變化示意圖

3 結(jié)論

本文提出了兩種基于雙芯光纖的偏振分束器的設(shè)計(jì)方案，并研究了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙芯光纖耦合特性的影響，通過(guò)改變空氣孔尺寸和引入橢圓空氣孔獲得了兩種短長(zhǎng)度、高消光比的偏振分束器。特別地，改變中心及其相鄰空氣孔尺寸所獲得的偏振分束器長(zhǎng)度為4.21 mm，消光比高于20 dB的帶寬為27 nm，尤其在1 550 nm處的分光比高達(dá)88.2 dB。本文的研究成果在光通信系統(tǒng)、集成光學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

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Design of polarization splitter based on dual-core photonic crystal fiber

Song Dan, Ma Yong, Zou Hui, Wei Wei

(School of Optoelectronic Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

Two polarization splitters based on dual-core photonic crystal fiber are proposed. The impact of several fiber parameters on the coupling characteristics of the polarization splitter is investigated by full-vectorial finite element method (FV-FEM) in detail. Through optimizing fiber configuration, a 4.21-mm-long polarization splitter with a bandwidth of 27 nm is achieved, and its extinction ratio (ER) is as high as 88.2 dB at the wavelength of 1.55 μm. Compared with introducing elliptical air holes, both ER and bandwidth of the splitter based on photonic crystal fiber with big air holes are effectively improved.

photonic crystal fiber; polarization splitter; extinction ratio; coupling characteristics

國(guó)家自然基金青年基金(61405096)

TN253

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.020

宋丹，馬勇，鄒輝，等. 基于雙芯光子晶體光纖的偏振分束器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(20)：72-74.

2016-05-29)

宋丹(1991-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：凝聚態(tài)物理。E-mail：lanyi89757@126.com。

馬勇(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：特種光纖設(shè)計(jì)。

鄒輝(1982-)，男，博士研究生，主要研究方向：光纖激光器，光子晶體光纖設(shè)計(jì)。