一种低损耗太赫兹偏振分束器转让专利
申请号 : CN201711081180.0
文献号 : CN107643561B
文献日 : 2019-11-19
发明人 : 祝远锋 , 刘鑫 , 钟华 , 饶春芳
申请人 : 江西师范大学
摘要 :
本发明公开了一种低损耗太赫兹偏振分束器，其第一介质层和第二介质层纵向间隔排布，第三介质层分别与第一介质层和第二介质层垂直交叉，其中第三介质层与第一介质层相交处构成第一纤芯；第三介质层与第二介质层相交处悬挂有介质圆柱；第三介质层穿过介质圆管的圆心且两端与介质圆管的内壁固定连接，第一介质层和第二介质层的两端均与介质圆管的内壁固定连接，整体呈全内反射结构。本发明有效的降低了材料吸收损耗，有效的缩短偏振分束器长度，减小了偏振分束器的器件损耗。
权利要求 :
1.一种低损耗太赫兹偏振分束器，其特征在于，第一介质层和第二介质层纵向间隔排布，第三介质层分别与第一介质层和第二介质层垂直交叉，其中第三介质层与第一介质层相交处构成第一纤芯；第三介质层与第二介质层相交处悬挂有介质圆柱，所述介质圆柱为第二纤芯；第三介质层穿过介质圆管的圆心且两端与介质圆管的内壁固定连接，第一介质层和第二介质层的两端均与介质圆管的内壁固定连接，第一介质层、第三介质层与介质圆管内壁围成第一类空气孔；第一介质层、第三介质层、第二介质层、介质圆柱与介质圆管内壁围成第二类空气孔；第二介质层、第三介质层、介质圆柱与介质圆管内壁围成第三类空气孔；第一类空气孔、第二类空气孔和第三类空气孔分别在第三介质层的两侧；第一纤芯和第二纤芯以外的第一介质层、第二介质层、第三介质层、第一类空气孔、第二类空气孔、第三类空气孔和外围的介质圆管作为光纤包层，整体呈全内反射结构。
2.根据权利要求1所述的低损耗太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述第一纤芯与第二纤芯的间距D1为：D1≥400μm。
3.根据权利要求1所述的低损耗太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述第二介质层的厚度d1或第三介质层的厚度d1为：d1≥10μm。
4.根据权利要求1所述的低损耗太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述第一介质层的厚度d2与第二介质层或第三介质层的厚度d1比为：d2/ d1≥4/3。
说明书 :
一种低损耗太赫兹偏振分束器
技术领域
[0001] 本发明涉及太赫兹耦合器件，属于光纤通信技术领域，特别涉及一种低损耗太赫兹偏振分束器。
背景技术
[0002] 太赫兹( Terahertz, THz) 通常是指频率在0. 1 10 THz范围内的电磁波, 其~波段位于电磁波谱中的微波和红外之间。THz 辐射在很多领域，如通信、传感、成像、光谱学和医学都有应用的潜力。整的THz系统一般由三个主要部分组成：THz辐射源、光波导和探测器。目前，THz辐射源和探测器越来越接近实用，但THz光纤及器件还处于理论和实验室研究阶段，原因是用以组成此波段所需光纤及光纤器件的低损耗透明材料比较匮乏。因此大部分THz系统主要采用自由空间传播方法来实现THz波的传输，然而这需要精密的校准和维护，同时外界环境也会引起THz波大的损耗（如环境湿度的变化），而且THz系统庞大。现阶段，太赫兹波的高效传输已经成为影响太赫兹技术发展的瓶颈。因此研制具有高品质的THz光纤及其器件具有重要的科学意义和实用价值。
[0003] 光纤偏振分束器是定向耦合器件的一种，其在光纤通信和传感方面有重要的应用价值。最近太赫兹波光纤偏振分束器引起了国内外科学工作者的重视，太赫兹耦合器件设计的关键主要有三点，第一是使纤芯传导模能量主要分布于空气中，减小材料吸收损耗；第二是缩短耦合器件长度，减小传输损耗；第三是减小外界环境变化对太赫兹波传输的影响。Shanshan Li等[Shanshan Li, et al., “Terahertz polarization splitter based on orthogonal microstructure dual-core photonics crystal fiber,” Apply Optics，
2013, 52, 3305]提出了基于耦合原理的双芯THz波分束器, 因其纤芯为多孔的，纤芯模能量可有效的分布于空气空中，降低了材料吸收损耗，并且纤芯模传输是基于全内反射原理，纤芯模传输不受外界环境的影响，但此耦合器件结构复杂不易制作。对称的十字架形双芯太赫兹偏振分束器[祝远锋，一种太赫兹偏振分束器，中国，ZL201310666221.8，2016-01-
20]，其十字架形纤芯光纤的基模模场分布特点是：x偏振模的模场分布在x方向较宽，而y偏振模的模场分布在x方向较窄。介质层厚度一定的情况下调节两纤芯间距可使两纤芯的x偏振模的模场有较多的重叠区域，而y偏振模的模场几乎不重叠，因此x偏振模可在两纤芯间自由的耦合，而y偏振模被有效的限制在输入的纤芯中。光纤长度等于x偏振模的一个耦合长度时，两偏振模被有效的分离，偏振分束器长度仅为x偏振模的一个耦合长度，为使y偏振模的模场不重叠，两纤芯间距必需足够大，x偏振模的一个耦合长度不能有效降低，偏振分束器的传输损耗还是比较高。Hongzhi Chen等[Hongzhi Chen et al., “Terahertz polarization splitters based on total and partial coupling in dual slotted core polymer fiber:comparison and analysis,” IEEE Photonics Journal，2017, 9,
7103315]提出了骨架式纤芯的非对称双芯偏振分束器，每个纤芯的基模都具有高双折射特性，通过调整结构参数，在同一频率处，两纤芯的x偏振模的有效折射率相等，而y偏振模的有效折射率有较大的差，x偏振模可在两纤芯间完全的耦合，y偏振模耦合较弱，偏振分束器的长度为x偏振模的一个耦合长度，偏振分束器的长度可降为1cm，有效的降低率偏振分束器的传输损耗，但分束器结构较复杂，制作难度较大。
2013, 52, 3305]提出了基于耦合原理的双芯THz波分束器, 因其纤芯为多孔的，纤芯模能量可有效的分布于空气空中，降低了材料吸收损耗，并且纤芯模传输是基于全内反射原理，纤芯模传输不受外界环境的影响，但此耦合器件结构复杂不易制作。对称的十字架形双芯太赫兹偏振分束器[祝远锋，一种太赫兹偏振分束器，中国，ZL201310666221.8，2016-01-
20]，其十字架形纤芯光纤的基模模场分布特点是：x偏振模的模场分布在x方向较宽，而y偏振模的模场分布在x方向较窄。介质层厚度一定的情况下调节两纤芯间距可使两纤芯的x偏振模的模场有较多的重叠区域，而y偏振模的模场几乎不重叠，因此x偏振模可在两纤芯间自由的耦合，而y偏振模被有效的限制在输入的纤芯中。光纤长度等于x偏振模的一个耦合长度时，两偏振模被有效的分离，偏振分束器长度仅为x偏振模的一个耦合长度，为使y偏振模的模场不重叠，两纤芯间距必需足够大，x偏振模的一个耦合长度不能有效降低，偏振分束器的传输损耗还是比较高。Hongzhi Chen等[Hongzhi Chen et al., “Terahertz polarization splitters based on total and partial coupling in dual slotted core polymer fiber:comparison and analysis,” IEEE Photonics Journal，2017, 9,
7103315]提出了骨架式纤芯的非对称双芯偏振分束器，每个纤芯的基模都具有高双折射特性，通过调整结构参数，在同一频率处，两纤芯的x偏振模的有效折射率相等，而y偏振模的有效折射率有较大的差，x偏振模可在两纤芯间完全的耦合，y偏振模耦合较弱，偏振分束器的长度为x偏振模的一个耦合长度，偏振分束器的长度可降为1cm，有效的降低率偏振分束器的传输损耗，但分束器结构较复杂，制作难度较大。
发明内容
[0004] 针对以上的不足，本发明提供一种能实现低损耗、长度较短和免受外部干扰的THz偏振分束器，以有效地降低率偏振分束器的传输损耗。
[0005] 本发明采用以下技术方案实现上述目的。一种低损耗太赫兹偏振分束器，第一介质层和第二介质层纵向间隔排布，第三介质层分别与第一介质层和第二介质层垂直交叉，其中第三介质层与第一介质层相交处构成第一纤芯；第三介质层与第二介质层相交处悬挂有介质圆柱，所述介质圆柱为第二纤芯；第三介质层穿过介质圆管的圆心且两端与介质圆管的内壁固定连接，第一介质层和第二介质层的两端均与介质圆管的内壁固定连接，第一介质层、第三介质层与介质圆管内壁围成第一类空气孔；第一介质层、第三介质层、第二介质层、介质圆柱与介质圆管内壁围成第二类空气孔；第二介质层、第三介质层、介质圆柱与介质圆管内壁围成第三类空气孔；第一类空气孔、第二类空气孔和第三类空气孔分别在第三介质层的两侧；第一纤芯和第二纤芯以外的第一介质层、第二介质层、第三介质层、第一类空气孔、第二类空气孔、第三类空气孔和外围的介质圆管作为光纤包层，整体呈全内反射结构。
[0006] 优选地，所述第一纤芯与第二纤芯的间距D1为：D1≥400μm。
[0007] 优选地，所述第二介质层的厚度d1或第三介质层的厚度d1为：d1≥10μm。
[0008] 优选地，所述第一介质层的厚度d2与第二介质层或第三介质层的厚度d1比为：d2/ d1≥4/3。
[0009] 本发明的技术效果是：两纤芯大小远小于运转波长，纤芯模能量可更多的分布于临近纤芯的空气孔中，有效的降低了材料吸收损耗。第一纤芯具有高双折射特性，y偏振模的有效折射率大于x偏振模的有效折射率，第二纤芯的y偏振和x偏振模的有效折射率相等，适当的调节光纤结构参数可使第一纤芯和第二纤芯的x偏振模的有效折射率相等，而y偏振模的有效折射率不等，结合第一纤芯具有高双折射特性，x偏振模可在第一纤芯和第二纤芯间自由的耦合，而y偏振模被有效的限制在输入的纤芯中。光纤长度等于x偏振模的一个耦合长度时，两偏振模被有效的分离，偏振分束器长度仅为x偏振模的一个耦合长度，这种方法有效的缩短偏振分束器长度，减小了偏振分束器的器件损耗。随着第一纤芯与第二纤芯的间距D1的减小，偏振分束器长度会减小，偏振分束器器件损耗降低，但随着D1的减小，y偏振模会产生部分偶合，偏振分束器消光比降低，因此这里要求D1≥400μm。第二介质层的厚度和第三介质层的厚度均为d1，第一介质层3的厚度为d2，介质层厚度太小会增加制作难度，从而使得器件性能不稳定，因此要求第二介质层的厚度d1或第三介质层的厚度d1满足：d1≥10μm。为使第一纤芯具有高双折射特性，减少y偏振模的耦合，这里要求第一介质层的厚度d2与第二介质层或第三介质层的厚度d1比满足：d2/d1≥4/3。
附图说明
[0010] 图1为本发明太赫兹偏振分束器的结构示意图；
[0011] 图2为本发明的x偏振耦超模电场场强分布图；
[0012] 图3为本发明的x偏振奇超模电场场强分布图；
[0013] 图4为本发明的y偏振耦超模电场场强分布图；
[0014] 图5为本发明的x偏振奇超模电场场强分布图；
[0015] 图6为本发明的偏振分束器长度随D1的变化曲线图；
[0016] 图7为本发明的偏振分束器器件损耗随D1的变化曲线图；
[0017] 图8为本发明的第一纤芯A中归一化功率在D1=450μm时随传输距离的变化曲线图；
[0018] 图9为本发明的第二纤芯B中归一化功率在D1=450μm时随传输距离的变化曲线图；
[0019] 图10为本发明的消光比随频率的变化曲线图。
[0020] 图中：1.第一介质层，2.第二介质层，3.第三介质层，4.介质圆柱，5.介质圆管，6.第一类空气孔，7.第二类空气孔，8.第三类空气孔，A.第一纤芯，B.第二纤芯。
具体实施方式
[0021] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1给出了本发明的THz偏振分束器的横截面示意图，在介质圆管5内第三介质层3排布于横向，两厚度不同的第一介质层1和第二介质层2以一定间隔排布在纵向，与外侧的介质圆管5组成稳定结构。第一介质层1与第三介质层3的正交部分为第一纤芯，记为纤芯A；第二介质层2与第三介质层3的正交部分处悬挂一介质圆柱4为第二纤芯，记为纤芯B，第一纤芯A具有高双折射特性，y偏振模有效折射率高于x偏振模有效折射率，第二纤芯B不具有高双折射特性，两偏振模折射率相等。调节光纤结构参数可使两纤芯的x偏振模的有效折射率相等，满足相位匹配条件，y偏振模则不满足。输入光在第一纤芯A输入，传输x偏振模的一个耦合长度距离后，x偏振模将被耦合到第二纤芯B，而y偏振模被束缚在第一纤芯A中，从而实现两偏振模的分离，偏振分束器长度为x偏振模的一个耦合长度。
[0022] 实施例1：
[0023] 本发明低损耗太赫兹偏振分束器结构（如图1所示），空气折射率nair=1.0，光纤的基质材料选为环烯烃共聚物Topas，其折射率n=1.5258，第一介质层2和第三介质层3的厚度d1=30μm，第二介质层1的厚度d2=50μm，介质圆管5的内直径为D=5000μm，介质圆管5的厚度为500μm，第一纤芯A与第二纤芯B的间距为D1。在D1=600μm时，图2、图3、图4和图5分别给出了x偏振奇超模、x偏振耦超模、y偏振奇超模和y偏振耦超模的电场场强分布图，从图中可看出x偏振奇超模和耦超模可以相互耦合，而两个y偏振超模几乎不发生耦合，因此当传输距离为x偏振模的耦合长度时两偏振模可被有效的分开。
[0024] 此例子中给出的第二介质层或第三介质层厚度d1=30μm，第一介质层厚度d2=50μm，d2/d1=5/3，当然d1的值可以更小，从而降低材料吸收损耗，但介质层厚度太小会增加制作难度，从而使得器件性能不稳定，因此要求第二介质层2的厚度d1或第三介质层3的厚度d1满足：d1≥10μm。为使第一纤芯A具有高双折射特性，减少y偏振模的耦合，这里要求第一介质层1的厚度d2与第二介质层2或第三介质层3的厚度d1比满足：d2/d1≥4/3。
[0025] 图6为偏振分束器的长度随D1的变化曲线，从图中可看出偏振分束器长度随着D1的减小而减小，这有利于降低器件传输损耗，但即使在第一纤芯A和第二纤芯B的y偏振模有效折射率不等的情况下，第一纤芯A和第二纤芯B的芯间距D1足够小时y偏振模仍能发生部分耦合，这不利于降低消光比，因此要求第一纤芯A与第二纤芯B的间距D1满足：D1≥400μm。
[0026] 图7为偏振分束器的损耗随D1的变化曲线，可以看出x偏振模和y偏振模的损耗均随着D1的减小而降低，这主要是偏振分束器长度随着D1的减小而缩短的原因。
[0027] 当D1=450μm，在1THz处，图8给出了第一纤芯A 中x偏振模和y偏振模的归一化光功率分别随传输距离的变化曲线；图9给出了第二纤芯B 中x偏振模和y偏振模的光功率分别随传输距离的变化曲线。从图中可看出，第一纤芯A中x偏振模的归一化功率在传输距离为1.27cm 时降低为零，此时能量传输到第二纤芯B，第一纤芯A中y偏振模的能量随着传输距离的增加而降低，但是降低的能量并没有传输到第二纤芯B中，而是吸收损耗和限制损耗的共同作用引起的效果，在第二纤芯B中，y偏振模的能量几乎为零。当传输距离为1.27cm 时，x-偏振模和y-偏振模分别从第一纤芯A 和第二纤芯B 输出，实现了两偏振模的有效分离，相应的器件总损耗分别为0.53dB 和0.67 dB。
[0028] 图10给出了x偏振模和y偏振模的消光比，在频率为1THz时，D1=450μm的偏振分束器的x偏振模和y偏振模的消光比分别为-48.3dB和-83.7dB，在0.96–1.044THz 范围内，D1=450μm 的分束器的x偏振模和y偏振模的消光比均可低于-15dB ，其带宽为0.084THz。