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）
摘要：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)對分束器耦合特性的影響,。通過參數(shù)優(yōu)化,，設(shè)計出一種長度短、分光比高的偏振分束器,，其長度為4.21 mm,，帶寬為27 nm，1 550 nm處的分光比高達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,。
關(guān)鍵詞：光子晶體光纖,；偏振分束器；分光比,；耦合特性
中圖分類號：TN253文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.020
引用格式：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［J］.微型機與應(yīng)用,，2016,35（20）：72 74.
0引言
偏振分束器作為一種無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的器件長度,。此外，基于傳統(tǒng)光纖的偏振分束器具有波長依賴特性,，且工作波段單一,，這大大限制了其應(yīng)用范圍［3］,。
近年來，光子晶體光纖因其靈活的設(shè)計結(jié)構(gòu)和獨特的光學(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)計提供了新的契機。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波段實現(xiàn)高達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,，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分束器性能影響的詳細討論,。
本文系統(tǒng)地研究了空氣孔尺寸和空氣孔形狀對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)域為空氣孔,，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,。
根據(jù)耦合模理論，O-D-PCF的模式由4個超模組成,，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纖芯向另一個纖芯傳遞，當入射纖芯中某一偏振態(tài)的光束能量為0時,，對應(yīng)的傳播距離稱為耦合長度Lc,，可以表示為：
其中，nx,ye,、nx,yo分別表示X,、Y偏振態(tài)對應(yīng)的奇、偶模式的有效折射率,。一般地,，由于雙折射的存在，Lx和Ly是不等的,。當一束光從圖1所示的纖芯A中入射時,，該纖芯中不同偏振態(tài)的光能量為：
其中，L表示光纖的長度,，Lxc和Lyc表示X偏振和Y偏振的耦合長度,，Pin表示入射光功率，PAout,x和PAout,y表示從A端口輸入的光經(jīng)過L距離后輸出的X偏振和Y偏振的光能量,。顯然,，實現(xiàn)偏振分束的前提是PAout,x和PAout,y中一個達到極大值的同時，另一個達到最小值,。通過數(shù)學(xué)分析可以判斷,，如果滿足式（4），光纖將能夠?qū)崿F(xiàn)完美分束,。此時,，耦合比為δ=Lyc/Lxc=m/n，顯然,，m和n的有多組取值,。考慮到器件的微結(jié)構(gòu)化,，m=2和n=1是最佳取值,。因此,，通過優(yōu)化光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，尋求最接近2的δ為最終目標,。
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：
一般認為當分光比高于20 dB時，兩束線偏光得到較為理想的分束,。
2兩種偏振分束器的設(shè)計與優(yōu)化
對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。針對不同的光纖結(jié)構(gòu),，本文利用有限元算法研究了這兩個參數(shù)對雙芯光纖耦合特性的影響,，得出了一般規(guī)律。這為設(shè)計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
考慮到含有橢圓孔的光纖在實際拉制過程中的工藝難度,，本文選取了一種較為簡單的光纖結(jié)構(gòu)，即引入唯一橢圓,，將中心圓孔改為橢圓空氣孔,。光纖的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)為d=1 μm，Λ=2 μm,，入射波長λ=1.55 μm,，橢圓空氣孔的短軸半徑為0.5 μm，改變橢圓率e,，耦合長度Lx,yc及耦合長度比δ隨波長的變化如圖2所示,。從圖2中可以看出，當橢圓率增加時,，耦合長度先增加,，隨后趨于平坦，且保持Ly始終大于Lx,，這也是實現(xiàn)分束的前提條件,。此外，耦合長度比隨橢圓率先增后減,，當橢圓率為3時,，耦合長度比達到極大值，約為1.7,，與前文分析的最佳耦合長度比2有一定的差距,。為了實現(xiàn)偏振分束，公式（4）中的m和n的取值將不再是2和1,，而需要改為3和2,，對應(yīng)的耦合比為1.5，即當中心空氣孔為橢圓形時,，需要犧牲器件的長度來實現(xiàn)分束（降低耦合比）,。仿真結(jié)果表明，當橢圓率為2.05時,，Lx=1.327 78 mm,，Ly=1.993 42 mm，耦合比最接近1.5,，此時的雙芯光纖可以在合適的長度下實現(xiàn)1 550 nm處偏振分束,。
2.2改變中心空氣孔及其相鄰空氣孔尺寸
考慮圖1（b）所示結(jié)構(gòu)的雙芯光纖的耦合特性，同樣光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)為d=1 μm,，Λ=2 μm,，λ=1.55 μm，改變中心相鄰的3個空氣孔的直徑D,、耦合長度Lx,yc及耦合長度比δ隨波長的變化如圖3所示,。圖3表明，隨著大尺寸空氣孔直徑的增加,，耦合長度先增后減,，且Ly一直大于Lx。與引入橢圓空氣孔不同,，圖1（b）所示結(jié)構(gòu)的雙芯光纖的耦合長度比始終隨著直徑D的增加而增加,。數(shù)值仿真顯示，當D=2.16 μm時,，Lx=2.096 64 mm,，Ly=4.209 89 mm，光纖的耦合長度為2.008,，這是十分理想的耦合長度比,。
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度比為1.5,，所以對應(yīng)的分束器的長度L=3Lx≈3.98 mm；圖1（b）所示結(jié)構(gòu)的雙芯光纖的耦合長度接近2,，因此該分束器的長度L=2Lx≈4.21 mm,，兩者長度上的差別并不大。在兩者取得合適物理長度的基礎(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分別對應(yīng)圖1（a）和圖1（b）所示的雙芯光纖,?？梢钥吹?，無論是1 550 nm處的分光比（48.1 dB和88.2 dB），還是以20 dB為標準對應(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,。
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)計方案，并研究了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙芯光纖耦合特性的影響,，通過改變空氣孔尺寸和引入橢圓空氣孔獲得了兩種短長度,、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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