一种可调谐的两用光子晶体光纤耦合器

摘要

一种可调谐的两用光子晶体光纤耦合器，包括双芯光子晶体光纤和调温装置，其中调温装置包围着双芯光子晶体光纤，双芯光子晶体光纤包括背景材料、空气孔、纤芯和高折射率柱，空气孔沿光纤长度方向保持一致，并均匀分布在背景材料中，光纤中心是高折射率柱，其折射率高于背景材料，高折射率柱的两边是光纤的两个纤芯。本发明的光子晶体光纤耦合器具备定向耦合器和波分复用/解复用功能，可以通过改变温度在双波长定向耦合器功能和双波长波分复用/解复用器功能之间切换，切换时不需要改变耦合器的结构，调节方便。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信、光纤传感及光学集成等领域，具体涉及一种可调谐 的两用光子晶体光纤耦合器。

背景技术

光纤耦合器是一种在光纤通信和光纤传感系统中广泛应用的光无源器件， 通常是由两根或多根光纤波导构成的耦合系统，其作用主要是将光信号进行分 路和合路。常用的光纤耦合器主要通过磨抛、熔合或熔融拉锥等技术手段，使 两根或多根光纤的纤芯相互靠近而形成耦合区，实现光信号在不同光纤之间的 耦合。传统光纤耦合器一般存在体积较大、需要光纤的二次拉制等不足。

光子晶体光纤又称微结构光纤，按导光机制可以将其分为改进的全内反射 导光和光子带隙导光两种，有些光子晶体光纤同时存在两种导光机制。由于光 子晶体光纤结构设计的灵活性和所表现出的独特光学性质，其在光纤通信、光 纤功能器件、非线性光学及光纤传感等方面展现出了诱人的应用前景。双芯或 多芯光子晶体光纤可以由按特定结构堆积好的预制棒一次拉制成形，能够很容 易地实现具有两个或多个邻近纤芯的光纤结构。

2000年，巴斯大学的B.J.Mangan等人最早对改进的全内反射型双芯 光子晶体光纤的制作及其耦合特性进行了研究【Electronics Letters，2000， 36(16)：1358—1359】，向人们展示了光子晶体光纤多芯耦合的新颖特性，引 起了人们极大的兴趣，随后各种不同特性的光子晶体光纤耦合器不断涌现。采 用高双折射矩形格子双芯光子晶体光纤可以实现偏振无关耦合器【Joumal of  Optics a-Pure and Applied Optics，2004，6(8)：805—808】，采用对双芯光子 晶体光纤纤芯向下掺杂的方式可以实现工作频带极宽的光纤耦合器【Optics  Letters，2004，29(21)：2473—2475】，专利CN103076653A、CN101694536A、 CN103091771A公开了不同种类的光子晶体光纤耦合器。上述研究所涉及的耦 合器在制作完成后其功能就已经固定，功能单一，使其应用只能限定在特定场 合。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，公开了一种可调谐的两 用光子晶体光纤耦合器，该耦合器在制作完成后具备两种功能，可以根据使用 要求的变化动态切换，而无需因使用场合变化而更换另外的器件。

本发明的技术解决方案是：

一种可调谐的两用光子晶体光纤耦合器，包括双芯光子晶体光纤和调温装 置，调温装置包覆在双芯光子晶体光纤的外部，用于调整双芯光子晶体光纤的 温度，双芯光子晶体光纤包括背景材料、空气孔、纤芯和高折射率柱；

双芯光子晶体光纤为圆柱状正规光波导，内部为背景材料，空气孔、纤芯 和高折射率柱均位于背景材料中，空气孔均匀分布在背景材料中，且沿光纤长 度方向保持均匀，相邻两个空气孔之间的距离相同，双芯光子晶体光纤轴线位 置为高折射率柱，高折射率柱的两侧对称分布有两个纤芯，高折射率柱的中心 与两个纤芯的对称中心点重合。

相邻三个空气孔呈等边三角形分布。

相邻四个空气孔呈正方形分布。

所述高折射率柱的截面为圆形或椭圆形。

高折射率柱采用折射率随温度变化的液体、液晶或固体材料，高折射率柱 的折射率大于背景材料的折射率。

本发明与现有技术相比有益效果为：本发明公开的一种可调谐的两用光子 晶体光纤耦合器具备定向耦合器和波分复用/解复用功能，可以通过调节温度实 现双波长定向耦合器和双波长波分复用/解复用器之间的状态切换。

附图说明

图1为本发明一种可调谐的两用光子晶体光纤耦合器横截面示意图；

图2为本发明耦合长度Lc随高折射率柱折射率和波长的变化关系示意图；

图3为本发明双波长定向耦合器与波分复用/解复用器切换原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种可调谐的两用光子晶体光纤耦合器，包括 双芯光子晶体光纤1和调温装置2，调温装置2包覆在双芯光子晶体光纤1的 外部，用于调整双芯光子晶体光纤1的温度，双芯光子晶体光纤1包括背景材 料3、空气孔4、纤芯5和高折射率柱6；高折射率柱6的截面为圆形或椭圆形； 高折射率柱6采用折射率随温度变化的液体、液晶或固体材料，高折射率柱6 的折射率大于背景材料3的折射率；

双芯光子晶体光纤1为圆柱状正规光波导，内部为背景材料3，空气孔4、 纤芯5和高折射率柱6均位于背景材料3中，空气孔4均匀分布在背景材料3 中，相邻三个空气孔4呈等边三角形分布，或者相邻四个空气孔4呈正方形分 布，且沿光纤长度方向保持均匀，相邻两个空气孔4之间的距离相同，双芯光 子晶体光纤1轴线位置为高折射率柱6，高折射率柱6的两侧对称分布有两个 纤芯5，高折射率柱6的中心与两个纤芯5的对称中心点重合。

在耦合器作为双波长定向耦合器工作时，两个波长的光信号同时从耦合器 的一端注入双芯光子晶体光纤1的其中一个纤芯5，从耦合器另一端的两个纤 芯5同时输出，两个波长光信号的分光比相同；在耦合器作为双波长波分复用/ 解复用器工作时，两个波长的光信号同时从耦合器的一端的其中一个纤芯5注 入，从耦合器另一端的两个纤芯5分别输出，每个纤芯5输出一种波长的光信 号。通过调温装置2调节耦合器的温度，使得高折射率柱6的折射率随温度变 化，实现耦合器在定向耦合器和波分复用/解复用功能间的切换，而不需要改变 耦合器的结构。

作为一种具体的可调谐的两用光子晶体光纤耦合器的实例，空气孔4和折 射率柱6的直径均为2.0μm，三个相邻空气孔4呈等边三角形分布，相邻空气 孔间距为4.0μm，双芯光子晶体光纤1的长度为2.0mm。通过调温装置2使得 高折射率柱6的折射率为1.60时，两个波长分别为1.25μm和1.55μm的光波 从输入端口同时输入耦合器时，由于它们对应的耦合长度相同，两个波长的光 在输出端的分光比都是相同的，其分光比为50:50，处于此状态的耦合器可以实 现这两个波长等分光比定向耦合功能。通过调温装置2使得高折射率柱6的折 射率为1.56时，两个波长1.25μm和1.55μm所对应的耦合长度不再相等，耦 合长度值分别变为1.0mm和0.4mm，处于此状态的耦合器可以实现双波长波 分复用/解复用功能。

本发明的工作原理是：在可调谐的两用光子晶体光纤耦合器中，两个纤芯 都可以传播光能量，光能量在其中一个纤芯传播时，总会有小部分的能量扩散 到另一个纤芯中，表现为两个纤芯的能量发生耦合，随着传播距离的增加，光 能量会在两个纤芯之间周期性地交换。两个纤芯的能量耦合行为可以用两个纤 芯相互作用模场形成的奇偶超模的叠加来描述，具有不同传播常数的奇偶超模 叠加的结果使得光能量沿传播长度周期性的转移，耦合长度L_c定义为：

$L_c=\lambda /2|n_e^i-n_o^i|,(i=x,y)$

式中λ为真空中的波长，和分别为i偏振态偶超模和奇超模的等效折 射率。纤芯中的能量每传播一个耦合长度L_c，光能量就会从一个纤芯转移到 另一个纤芯，再传播一个耦合长度L_c，光纤能量就会重新返回原来的纤芯。

在可调谐的两用光子晶体光纤耦合器中，两个纤芯是由背景材料构成，其 折射率与背景材料一致，两个纤芯中间包含有高折射率柱，其它方向是空气孔， 因此，每个纤芯都同时被空气孔和高折射率柱包围，纤芯导光同时基于改进的 全内反射效应和光子带隙效应两种导光机制。两种导光机制的共同作用会使两 个纤芯间的能量耦合呈现出不同于一般耦合器的特点，其会受到两纤芯间高折 射率柱的严重影响。高折射率柱的构成材料是其折射率对温度敏感的液体、液 晶或固体材料，因此，通过改变温度就可以改变高折射率柱的折射率，进而影 响两纤芯间的能量耦合。

如图2所示，由于两种导光机制的存在，光能量在双芯光子晶体光纤1两 个纤芯5间的耦合长度L_c随着光波长的增大先增大后减小，存在耦合长度的极 大值，耦合长度随波长变化曲线表现为单峰结构。与此同时，高折射率柱6折 射率分别为n₁、n₂和n₃（n₁>n₂>n₃）时，耦合长度单峰曲线向长波长方向移动， 即耦合长度单峰曲线会随着高折射率柱6折射率的增大而向长波长方向移动， 耦合长度极大值的位置也随之向长波长方向移动，且其极大值越来越小。

如图3所示，当高折射率柱6的折射率为n₁时，波长λ₁和λ₂对应的耦合 长度都为L_c0。，称此时耦合器的工作状态为S₁。把两个波长分别为λ₁和λ₂的 光波从输入端口同时输入耦合器时，由于它们对应的耦合长度相同，两个波长 的光在输出端的分光比都是相同的，若耦合器的工作长度L满足 L=(k+1/2)L_C0(其中，k为正整数)时，两个波长的光在输出端的分光比都为50： 50，处于此状态的耦合器可以实现这两个波长等分光比定向耦合功能。当高折 射率柱6的折射率为n₂时，由于耦合长度单峰曲线的移动，耦合器由工作状态 S₁转变为状态S₂，对应于工作状态S₁的两个波长λ₁和λ₂所对应的耦合长度 不再相等，耦合长度值分别变为L_c1和L_c2。如果两个波长的光波初始由同一个 输入端口输入耦合器，当耦合器的工作长度L满足L=mL_C1=nL_C2(其中，m和n 为奇偶性相反的两个正整数)时，两个波长的光波将会在两个不同的端口输出， 呈现出波长分离的效果，实现光信号解复用功能；假如两个波长的光波初始由 两个不同的端口输入耦合器，两个波长的光波会由同一个输出端口输出，完成 了光信号复用的功能。本质上，处于状态S₂的耦合器是一个双波长的波分复用 ／解复用器。因此，通过调温装置2调节耦合器的温度，使高折射率柱6的折 射率在n₁和n₂间切换，就可以实现耦合器在定向耦合器和波分复用/解复用功 能间的切换，而不需要改变耦合器的结构。