光子晶體光纖波片的製作方法

2023-05-30 16:55:56 2

專利名稱：光子晶體光纖波片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖波片，尤其是涉及一種基於高雙折射光子晶體光纖(HB-PCF)，具有多種偏振態變換功能的全光纖寬帶、溫度穩定波片。
背景技術：
波片是指能使偏振方向延波片光軸的兩正交線偏振光經波片傳輸後產生光程差(或相位差)的光學器件。光學系統中常用的波片有四分之一波片(λ/4，對應π/2相位差)和二分之一波片(λ/2，對應π相位差)兩種。傳統用來製作波片的材料通常有石英、方解石或雲母等雙折射晶片等。為使波片準確產生需要的相位差，製作時要求波片厚度十分精確(參見文獻姚啟鈞．光學教程．北京高等教育出版社)，同時，由於光學材料的折射率與光波長和溫度有關，這種波片的工作波長範圍比較窄(λ/300條件帶寬小於30nm)，溫度穩定性差。另外，塊狀或片狀波片在光纖系統中使用時，又存在與光纖和其它光纖器件連接和匹配困難等問題。
為製作能在光纖通信和光纖傳感測量系統中方便使用的光纖波片，可以考慮採用常規應力型雙折射光纖製作光纖λ/4波片和λ/2波片。但應力型光纖的雙折射溫度穩定性差，這種光纖波片引入的位相差受溫度影響大，在實際應用中使用效果差。光子晶體光纖是近年提出的一種新型光纖，它在光纖橫截面上以一定規律排列延光纖軸向均勻的空氣孔，基於等效折射率差和光子禁帶原理約束和導引光波(參見文獻J.C.Knight，etal，All-silicasingle-mode optical fiber with photonic crystal cladding，OPTICS LETTERS，1996，21(19)1547)。若在光子晶體光纖芯子兩側引入與其它空氣孔尺寸或形狀不同的兩個(或多個)空氣孔，如圖1所示，則可以在光子晶體光纖中引入雙折射(參見文獻J.C.Knight，etal，Highly birefringent photonic crystal fibers，OPTICS LETTERS，2000，25(18)1325)。由於這種雙折射是由于波導的幾何效應產生，因此其對溫度的依賴性很小。另外，通過合理選擇和設計光子晶體光纖兩側空氣孔尺寸的大小，可以同時得到工作波長較寬(λ/300條件帶寬一般大於40nm)的光纖波片。

發明內容
本發明旨在針對現有的光學波片存在溫度穩定性差、與其它光纖器件匹配困難和不能在線使用等不足之處，提供一種工作頻帶寬，能在線應用，具有多種偏振態轉換功能的寬帶光子晶體光纖波片。
本發明設有一段長度根據λ/4或λ/2波片要求的高雙折射光子晶體光纖(HB-PCF)，以及連接高雙折射光子晶體光纖的引入光纖和引出光纖，所述的高雙折射光子晶體光纖為雙折射大於10-5的光子晶體光纖。
為使高雙折射光子晶體光纖兩端與引入光纖和引出光纖良好並可靠連接，可以將該段高雙折射光子晶體光纖兩端加工平整後放入與高雙折射光子晶體光纖外徑匹配的套管，並將套管的引入光纖和引出光纖的端面切平後與高雙折射光子晶體光纖連接。為使經過引入光纖和引出光纖的光的偏振態沒有變化，引入光纖和引出光纖需選擇基本無線雙折射的圓光纖。
本發明所用的高雙折射光子晶體光纖可以是纖芯兩側空氣孔直徑比周圍均勻空氣孔的直徑大或小或相等的光纖，或是通過其他方式如改變空氣孔形狀和排列方式製作的高雙折射光子晶體光纖。例如所用的高雙折射光子晶體光纖採用纖芯兩側圓形空氣孔直徑比周圍均勻圓形空氣孔的直徑大或小的光纖，或者採用纖芯兩側方形空氣孔直徑比周圍均勻方形空氣孔的直徑大或小的光纖。或是通過其他方式如改變空氣孔形狀和排列方式製作的高雙折射光子晶體光纖，例如採用纖芯兩側橢圓形空氣孔直徑比周圍均勻橢圓形空氣孔的直徑相等的光纖或者採用纖芯兩側長方形空氣孔直徑比周圍均勻長方形空氣孔的直徑相等的光纖。或者採用其它排列方式所得到高雙析射光子晶體光纖。
套管可選為陶瓷套管、玻璃套管或金屬套管等。
根據數值分析，採用如圖1所示中心兩側大空氣孔的高雙折射光子晶體光纖可以獲得工作波長範圍較寬的光纖波片。
光纖波片的作用是將入射光的偏振態進行變換。例如，λ/4波片可以將入射的線偏振光變為圓偏振光，或反之將圓偏振光變為線偏振光。利用本發明採用高雙折射光子晶體光纖的光纖λ/4波片，即可以實現溫度特性穩定、使用波長範圍寬、全光纖的線到圓或圓到線偏振態變化。


圖1為本發明實施例的高雙折射光子晶體光纖橫截面結構示意圖。在圖1中，光子晶體光纖1的中心兩側的空氣孔11比周圍的空氣孔12大。
圖2為本發明實施例的結構示意圖。
圖3為本發明實施例設計的λ/4波片相位差與90°的偏離值與工作波長的關係。在圖3中，橫坐標為波長(Wavelength)/μm，縱坐標為相位與90°的相差(Phase diff.deviation from90)，高雙折射光子晶體光纖的參數為均勻小空氣孔的直徑d＝2.0μm，中心兩側大空氣孔的直徑為ds，空氣孔圓心之間距離Λ＝4.4μm，大、小空氣孔直徑比值ds/d＝1.6～2.75。從上至下3條曲線依次為ds/d＝1.6，ds/d＝2.6，ds/d＝2.75。
具體實施例方式
以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
參見圖1和2，本發明設有一段高雙折射光子晶體光纖1和套管2，套管2的長度比高雙折射光子晶體光纖1長1～2cm，套管2的內徑與高雙折射光子晶體光纖1的外徑匹配，高雙折射光子晶體光纖1固定於套管2的中央，高雙折射光子晶體光纖1與套管2之間上膠固化。高雙折射光子晶體光纖1的兩個端面平整。套管2採用玻璃或陶瓷材料，引入光纖3和引出光纖4外徑與套管2內徑匹配，分別插入套管2兩端，如圖2所示。為使高雙折射光子晶體光纖1兩端與引入光纖3和引出光纖4良好並可靠連接，可以將高雙折射光子晶體光纖1兩端加工平整後放入與其外徑匹配的套管2，並將引入光纖和引出光纖的端面切平後與高雙折射光子晶體光纖1連接。引入光纖3和引出光纖4端面平整，與高雙折射光產品體光纖1良好連接。
為使經過引入光纖和引出光纖的光的偏振態沒有變化，引入光纖和引出光纖需選擇基本無雙折射的圓光纖。根據數值分析，採用如圖1所示中心兩側大空氣孔的高雙折射光子晶體光纖1可以獲得工作波長範圍寬的光纖波片。
光纖設計實例及計算結果如圖3所示，其中，當圓形大空氣孔直徑與其它均勻小空氣孔直徑比為2.75時，滿足λ/300相差要求的高雙折射光子晶體光纖1波長範圍為42nm。
對於用上述方法製成的四分之一光子晶體光纖波片，從該光子晶體光纖波片的任意一端沿光纖主軸夾角45°方向注入的線偏振光，則從另一端出射圓偏振光。從該光子晶體光纖波片的任意一端入射圓偏振光，則從另一端出射線偏振光。
本發明所用的高雙折射光子晶體光纖可以是纖芯兩側空氣孔直徑比周圍均勻空氣孔的直徑大或小或相等的光纖，或是通過其他方式如改變空氣孔形狀和排列方式製作的高雙折射光子晶體光纖。例如所用的高雙折射光子晶體光纖可以是纖芯兩側圓形空氣孔直徑比周圍均勻圓形空氣孔的直徑大(見圖1～3以及相應的實施例)或小的光纖，或者採用纖芯兩側方形空氣孔直徑比周圍均勻方形空氣孔的直徑大或小的光纖。或是通過其他方式如改變空氣孔形狀和排列方式製作的高雙折射光子晶體光纖，例如採用纖芯兩側橢圓形空氣孔直徑比周圍均勻橢圓形空氣孔的直徑相等的光纖或者採用纖芯兩側長方形空氣孔直徑比周圍均勻長方形空氣孔的直徑相等的光纖。或者採用其它排列方式所得到高雙析射光子晶體光纖。
權利要求
1.光子晶體光纖波片，其特徵在於設有一段長度根據λ/4或λ/2波片要求的高雙折射光子晶體光纖，以及連接高雙折射光子晶體光纖的引入光纖和引出光纖，所述的高雙折射光子晶體光纖為雙折射大於10-5的光子晶體光纖。
2.如權利要求1所述的光子晶體光纖波片，其特徵在於所述的高雙折射光子晶體光纖的纖芯兩側空氣孔直徑比周圍均勻空氣孔的直徑大或小。
3.如權利要求1或2所述的光子晶體光纖波片，其特徵在於所述的高雙折射光子晶體光纖的兩端為平整端面。
4.如權利要求1所述的光子晶體光纖波片，其特徵在於引入光纖和引出光纖為圓光纖。
5.如權利要求1所述的光子晶體光纖波片，其特徵在於所述的高雙折射光子晶體光纖放入與高雙折射光子晶體光纖外徑匹配的套管。
6.如權利要求1所述的光子晶體光纖波片，其特徵在於所述的套管的引入光纖和引出光纖的端面切平後與高雙折射光子晶體光纖連接。
7.如權利要求5或6所述的光子晶體光纖波片，其特徵在於套管為陶瓷套管、玻璃套管或金屬套管。
8.如權利要求1所述的光子晶體光纖波片，其特徵在於所述的高雙折射光子晶體光纖為纖芯兩側圓形空氣孔直徑比周圍均勻圓形空氣孔的直徑大或小的光纖，或者為纖芯兩側方形空氣孔直徑比周圍均勻方形空氣孔的直徑大或小的光纖。
9.如權利要求1所述的光子晶體光纖波片，其特徵在於所述高雙折射光子晶體光纖為纖芯兩側橢圓形空氣孔直徑比周圍均勻橢圓形空氣孔的直徑相等的光纖，或者為纖芯兩側長方形空氣孔直徑比周圍均勻長方形空氣孔的直徑相等的光纖。
全文摘要
光子晶體光纖波片，涉及一種光纖波片，尤其是涉及一種基於高雙折射光子晶體光纖，具有多種偏振態變換功能的全光纖寬帶、溫度穩定波片。提供一種工作頻帶寬，能在線應用，具有多種偏振態轉換功能的寬帶光子晶體光纖波片。設有一段長度根據λ/4或λ/2波片要求的高雙折射光子晶體光纖，以及連接高雙折射光子晶體光纖的引入光纖和引出光纖，高雙折射光子晶體光纖為雙折射大於10
文檔編號G02B6/38GK1975476SQ20061013534
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月18日 優先權日2006年12月18日
發明者董小鵬, 謝作生, 王小真 申請人:廈門大學