一种基于非对称双芯光子晶体光纤的宽带模式转换器

摘要

本发明公开了一种基于非对称双芯光子晶体光纤的宽带模式转换器，由基质材料和分布在其上的孔组成，每相邻的三个孔构成一个正三角形网格，且每个孔的中心分别位于正三角形网格的结点上，在正三角形网格中缺失的一个空气孔形成纤芯，分布在正三角形网格结点上的七个折射率低于基质材料的介质棒组成纤芯；围绕纤芯最内层的空气孔为三个大孔和三个小孔，大孔的直径大于小孔的直径，大孔和小孔间隔排列且依次分布在三角形网格各个结点上，紧邻纤芯的内层空气孔为小孔。本发明通过改变两纤芯包层空气孔直径及纤芯中掺杂介质棒的折射率差来调整基模和高阶模的有效折射率，实现宽带的模式转换，工作带宽可达160nm。

权利要求

1.一种基于非对称双芯光子晶体光纤的宽带模式转换器，由基质材料(1)和分布在其上的孔(2)组成，其特征在于：每相邻的三个孔(2)构成一个正三角形网格，且每个孔(2)的中心分别位于正三角形网格的结点上，在正三角形网格中缺失的一个空气孔形成第一纤芯(3)，分布在正三角形网格结点上的七个折射率低于基质材料(1)的介质棒(7)组成第二纤芯(4)；围绕第一纤芯(3)最内层的空气孔为三个大孔(5)和三个小孔(6)，大孔(5)的直径大于小孔(6)的直径，这三个大孔(5)和三个小孔(6)间隔排列且依次分布在三角形网格各个结点上，紧邻第二纤芯(4)的内层空气孔为小孔(6)；所述介质棒(7)的直径与相邻的两个结点间的间距之比小于0.5，介质棒(7)的折射率比基质材料(1)的折射率低且所低数值不超过0.01。

2.根据权利要求1所述的一种基于非对称双芯光子晶体光纤的宽带模式转换器，其特征在于：所述大孔(5)与小孔(6)的直径之比为3∶1～2∶1。

说明书

一种基于非对称双芯光子晶体光纤的宽带模式转换器

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤通信和传感等技术领域，特指一种光纤模式转换器。

背景技术

[0002] 光纤模式转换器是一种实现光纤中不同模场之间转换的器件，在光通信网和传感等领域有重要应用。目前，多种新型的光纤结构为：一是采用光子带隙原理的布拉格型光纤，其传输损耗最低的模式并非普通光纤中的LP01模，而是TE01模。二是采用高阶模传输实现色散补偿技术以及将基模转换成高阶模，从而实现大模场、低损耗的光传输。其中，最常见的是基于光纤光栅的模式转换器，但采用光纤光栅时，基模及转换得到的高阶模都是在同一根光纤中传输，因此，如果光纤光栅不能实现将基模百分之百地转换为高阶模，则在光纤中将有剩余的基模能量在光纤中传输，这些剩余能量将对传输的光信号产生干扰，从而影响器件的性能。此外，虽然这种光纤光栅模式间有大于99％的较高转换效率，但其工作带宽很窄，约为几个纳米。而基于光子晶体光纤熔融技术拉制而成的全光纤模式转换器能在带宽很宽的范围内实现高消光比的模式转换，但这种器件在制作工艺方面要求很高，且难以实现批量生产。

[0003] 申请号为200810021652.8，名称为“一种光纤模式转换器”公开了一种基于不对称双芯光子晶体光纤的模式转换器，这种模式转换器是通过使一个纤芯的基模(LP01)和另一个纤芯的高阶模(LP02)的有效折射率相等的方法实现基模与高阶模之间的高效耦合，即利用耦合实现模式的转换，这种模式转换器的偏振相关损耗小且可实现批量生产，但其缺陷是：该结构中两个模式的有效折射率曲线只能在一个频率点上相交，在其它频率点处，由于两个模式的有效折射率不相等，即两者相位不匹配，根据耦合理论可知，只能实现部分的耦合，这就直接导致了转换效率的下降，由于两个模式之间的有效折射率只能在很窄的一段频率范围内匹配，因此其工作带宽较窄，只有14nm。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种新型的基于非对称双芯光子晶体光纤的宽带模式转换器，能在很宽的带宽范围内实现工作。

[0005] 本发明采用的技术方案是：由基质材料和分布在其上的孔组成，每相邻的三个孔构成一个正三角形网格，且每个孔的中心分别位于正三角形网格的结点上，在正三角形网格中缺失的一个空气孔形成纤芯，分布在正三角形网格结点上的七个折射率低于基质材料的介质棒组成纤芯；围绕纤芯最内层的空气孔为三个大孔和三个小孔，大孔的直径大于小孔的直径，这三个大孔和三个小孔间隔排列且依次分布在三角形网格各个结点上，紧邻纤芯的内层空气孔为小孔。

[0006] 介质棒的直径与相邻的两个结点间的间距之比小于0.5。

[0007] 大孔与小孔的直径之比为3∶1～2∶！。

[0008] 介质棒的折射率比基质材料的折射率低0～0.01。

[0009] 本发明的有益效果是：实现了非对称纤芯中基模和高阶模之间的转换，通过改变两纤芯包层空气孔直径及纤芯中掺杂介质棒的折射率差来有效地调整基模和高阶模的有效折射率，在两个纤芯中都不存在双折射。本发明能实现宽带的模式转换，其工作波长范围为1.45～1.61μm，即工作带宽可达160nm。

附图说明

[0010] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

[0011] 图1为本发明一实施例的光纤横截面示意图。

[0012] 图2为图1所示结构中的小纤芯的LP01模和大纤芯的LP02模的有效折射率与波长的关系示意图。

[0013] 图3为光信号在图1所示光纤中传输距离分别为0(图3a)，L/3(图3b)，2/3L(图3c)，L(图3d)时的场分布示意图。

具体实施方式

[0014] 如图1，本发明由纯石英基质材料1以及分布在基质材料1上的孔2、大孔5、小孔6和介质棒7所构成。孔2在光纤背景材料中呈周期性规则排列，每相邻的三个孔2构成一个正三角形网格，且每个孔2的中心分别位于正三角形网格的结点上，相邻的两个结点之间的间距定义为一个周期Λ。在正三角形网格中缺失的一个空气孔形成纤芯3，分布在正三角形网格结点上的七个折射率低于基质材料1的介质棒7组成纤芯4，即纤芯4中掺杂介质棒7，该介质棒7的直径与周期Λ之比小于0.5，即介质棒7的直径要求小于周期Λ的
0.5倍，该介质棒7的折射率比基质材料1的折射率低0～0.01，介质棒7尺寸过大或与基质材料1折射率差过大都会导致两纤芯3、4模式难以实现宽带耦合。将纤芯4做成这种七个直径相对较小的介质棒7而不是一个大的介质棒的方法，可以达到调整纤芯4中的高阶模的有效折射率而同时不会导致模式场发生严重畸变的目的。围绕纤芯3最内层的空气孔为三个大孔5和三个小孔6，这三个大孔5和三个小孔6间隔排列且依次分布在三角形网格各个结点上，其中，纤芯3和纤芯4之间的空气孔为小孔6，即紧邻纤芯4的内层空气孔为小孔6，将纤芯4包层孔取为小孔6，使得纤芯4不存在双折射。纤芯3包层的大孔5的直径总是大于小孔6的直径，优选的大孔5与小孔6的直径之比为3∶1～2∶！。大孔5和小孔6的这种排布使纤芯3具有三阶对称性，其两个线性偏振基模是简并的，不存在双折射现象，有利于非对称的纤芯3和纤芯4中两种模式的耦合，从而避免了模式耦合时因为出现强的偏振相关性而影响器件的性能。

[0015] 以下提供本发明的一个实施例：

[0016] 实施例

[0017] 如图1所示，双芯光纤的基质材料1为纯石英，光纤中孔2的中心位于正三角形网格的结点上，周期Λ为4.5μm，大孔5的直径为3.38μm，小孔6以及介质棒7的直径均为1.35μm，介质棒7的折射率比基质材料1的折射率低0.003。小的纤芯3中LP01模和大的纤芯4中的LP02模的有效折射率与波长的关系如图2所示。从图2中可以看出，两者可在很-5
宽的频率范围内实现匹配，在所示的频率范围内，两模式的有效折射率差均小于1.5×10 。
取光纤的长度为L＝5.9mm，在两偏振态的传输损耗均小于0.5dB的前提下，其工作波长范围为1.45～1.61μm，即其工作带宽可达160nm且偏振相关损耗小于0.28dB。在中心波长(λ＝1.55μm)位置，其偏振相关损耗小于0.04dB且传输损耗小于0.27dB。图3给出了光信号在光纤中的传输过程，依次经过图3(a)、(b)、(c)、(d)后光纤将输入的基模光(LP01模)转换成了高阶模(LP02)模。

[0018] 本实施例实现的是纤芯3的基模(LP01)和纤芯4的高阶模(LP02)之间的转换，同理也可以实现纤芯3中基模和纤芯4中其它高阶模之间的转换；根据光学互易性原理，该模式转化器同样能实现将纤芯4中输入的高阶模转换为纤芯3中的基模。