[发明专利]一种光子晶体光纤定向耦合器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信和传感等技术领域，具体涉及一种光子晶体光纤定向耦合器。

背景技术

光纤及光波导定向耦合器作为一种重要的光学器件在光纤通信、有线电视网路、用户回路系统、区域网路等系统中应用十分广泛。尽管有多种基于Y型结构或者T型结构的1×2光分束器件的提出，但由于其透射比较低需引入额外的微调结构来提高光分束器的透射率，从而给该类光分束器的制造带来困难。近几年来，随着光子晶体光纤（PCF）的提出，特别是由于其结构设计上的灵活性等特点而被广泛的研究。光子晶体光纤是一种新型的光学波导结构，它是在二氧化硅背景材料中规则地排列空气孔，而光纤的纤芯是通过破坏包层周期性结构而形成的一种缺陷。人们已经提出多种基于光子晶体光纤的耦合器件，这其中当以研究双芯光子晶体光纤器件的报道最多，它们已经被广泛应用于偏振分束器，波分复用元件，滤波器，色散补偿器等器件中。事实上，光子晶体光纤定向耦合器的研究一直广受关注。但由于这种光纤耦合的能量一般是两极分化，且这种分化对波长依赖性高。因此，常规的光纤定向耦合器一般具有低带宽或高偏振相关损耗。然而，在这方面PCF所具有灵活设计特性起到了很好作用，如最近提出的一种通过在双芯光子晶体光纤中引入非对称结构（增大纤芯两侧空气孔）实现纤芯能量比为0.5:0.5（3 dB）[中国激光, 2009, 36(3): 635]。该文提出的定向耦合器工作带宽为370nm，并且偏振相关损耗小于0.2dB。此外，我们还提出通过三芯光子晶体光纤结构实现由中间纤芯输入，两侧纤芯端输出，输出端能量比为1:1[J. Opt. A: Pure Appl. Opt, 2009, 11: 015102]。事实上，基于三芯光子晶体光纤耦合特性器件的相关研究也一直受到研究者们的关注。目前有报道将三芯光子晶体光纤用于实现偏振分束器件[Opt. Lett., 2006, 31(4): 441]、滤波器[Opt. Express, 2005, 13(25): 10327]、耦合器[J. Lightwave Technol., 2008, 26(6), 663]。然而，将这种三芯结构实现能量一分为三的定向耦合器却很少有报道。究其原因主要是因为要在比较宽的工作波长范围内实现三个纤芯中的能量比为1:1:1（4.7 dB）是比较困难的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于光子晶体光纤的定向耦合器，可以获得低传输损耗、宽带宽以及低偏振相关损耗的光子晶体光纤定向耦合器。

本发明的技术方案是：一种光子晶体光纤定向耦合器，包括基质材料、第一空气孔、第二空气孔、第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，所述基质材料、第一空气孔、第二空气孔组成包层；所述第一空气孔、第二空气孔的中心分别位于正三角形网格结点上，且第二空气孔少于第一空气孔的数量；所述第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯均由正三角形网格中缺失的第一空气孔所组成，所述第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯（的中心的连线为直线D；所述第一纤芯与第二纤芯、第三纤芯的中心距离均为L，且L=Λ，其中Λ为孔周期，即正三角形网格中任意两个相邻最近结点之间的距离；所述第二空气孔位于紧邻第二纤芯和第三纤芯的位置，且相对于直线D的垂直方向对称；所述第二空气孔的直径d₂和第一空气孔的直径d₁之间的关系满足d₂>d₁；所述第一纤芯为输入端，第二纤芯和第三纤芯为输出端。

由于所述的第一空气孔（2）尺寸大时，整个结构的不对称性会增强，这样会给结构带来不必要的高双折射，也即x偏振和y偏振方向的耦合长度差会增大，不适宜实现定向耦合。同时，为保证光纤中需要传输的两个偏振基模具有低的传输损耗，包孔直径不能过小；综合考虑，包孔（2）的直径d₁应在0.35~0.5倍的孔周期Λ之间，即0.35Λ≤d_b≤0.5Λ。