專利名稱：一種基于非對稱雙芯光子晶體光纖的寬帶模式轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖通信和傳感等技術領域，特指一種光纖模式轉換器。
背景技術：
光纖模式轉換器是一種實現光纖中不同模場之間轉換的器件，在光通信網和傳感等領 域有重要應用。目前，多種新型的光纖結構為 一是采用光子帶隙原理的布拉格型光纖， 其傳輸損耗最低的模式并非普通光纖中的liV模，而是TEm模。二是采用高階模傳輸實現 色散補償技術以及將基模轉換成高階模，從而實現大模場、低損耗的光傳輸。其中，最常 見的是基于光纖光柵的模式轉換器，但采用光纖光柵時，基模及轉換得到的高階模都是在 同一根光纖中傳輸，因此，如果光纖光柵不能實現將基模百分之百地轉換為高階模，則在 光纖中將有剩余的基模能量在光纖中傳輸，這些剩余能量將對傳輸的光信號產生干擾，從 而影響器件的性能。此外，雖然這種光纖光柵模式間有大于99%的較高轉換效率，但其工
作帶寬很窄，約為幾個納米。而基于光子晶體光纖熔融技術拉制而成的全光纖模式轉換器 能在帶寬很寬的范圍內實現高消光比的模式轉換，但這種器件在制作工藝方面要求很高， 且難以實現批量生產。
申請號為200810021652.8,名稱為"一種光纖模式轉換器"公開了一種基于不對稱雙 芯光子晶體光纖的模式轉換器，這種模式轉換器是通過使一個纖芯的基模(LPJ和另一個 纖芯的高階模(LP。2)的有效折射率相等的方法實現基模與高階模之間的高效耦合，即利用 耦合實現模式的轉換，這種模式轉換器的偏振相關損耗小且可實現批量生產，但其缺陷是: 該結構中兩個模式的有效折射率曲線只能在一個頻率點上相交，在其它頻率點處，由于兩 個模式的有效折射率不相等，即兩者相位不匹配，根據耦合理論可知，只能實現部分的耦 合，這就直接導致了轉換效率的下降，由于兩個模式之間的有效折射率只能在很窄的一段 頻率范圍內匹配，因此其工作帶寬較窄，只有14nm。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種新型的基于非對稱雙芯光子晶體光纖 的寬帶模式轉換器，能在很寬的帶寬范圍內實現工作。
本發明采用的技術方案是由基質材料和分布在其上的孔組成，每相鄰的三個孔構成 一個正三角形網格，且每個孔的中心分別位于正三角形網格的結點上，在正三角形網格中 缺失的一個空氣孔形成纖芯，分布在正.三角形網格結點上的七個折射率低于基質材料的介質棒組成纖芯；圍繞纖芯最內層的空氣孔為三個大孔和三個小孔，大孔的直徑大于小孔的 直徑，這三個大孔和三個小孔間隔排列且依次分布在三角形網格各個結點上，緊鄰纖芯的 內層空氣孔為小孔。
介質棒的直徑與相鄰的兩個結點間的間距之比小于0. 5。
大孔與小孔的直徑之比為3: 1~2: !。
介質棒的折射率比基質材料的折射率低0 0. 01。
本發明的有益效果是實現了非對稱纖芯中基模和高階模之間的轉換，通過改變兩纖 芯包層空氣孔直徑及纖芯中摻雜介質棒的折射率差來有效地調整基模和高階模的有效折 射率，在兩個纖芯中都不存在雙折射。本發明能實現寬帶的模式轉換，其工作波長范圍為 1.45 1.61nm，即工作帶寬可達160nm。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步說明。 圖1為本發明一實施例的光纖橫截面示意圖。
圖2為圖1所示結構中的小纖芯的LPw模和大纖芯的LP。2模的有效折射率與波長的關 系示意圖。
圖3為光信號在圖1所示光纖中傳輸距離分別為0 (圖3a), L/3 (圖3b)， 2/3 L (圖 3c)， L (圖3d)時的場分布示意圖。
具體實施例方式
如圖l,本發明由純石英基質材料l以及分布在基質材料1上的孔2、大孔5、小孔6 和介質棒7所構成。孔2在光纖背景材料中呈周期性規則排列，每相鄰的三個孔2構成一 個正三角形網格，且每個孔2的中心分別位于正三角形網格的結點上，相鄰的兩個結點之 間的間距定義為一個周期A。在正三角形網格中缺失的一個空氣孔形成纖芯3，分布在正 三角形網格結點上的七個折射率低于基質材料1的介質棒7組成纖芯4，即纖芯4中摻雜 介質棒7，該介質棒7的直徑與周期A之比小于0. 5，即介質棒7的直徑要求小于周期A 的0.5倍，該介質棒7的折射率比基質材料1的折射率低0 0.01,介質棒7尺寸過大或 與基質材料1折射率差過大都會導致兩纖芯3、 4模式難以實現寬帶耦合。將纖芯4做成 這種七個直徑相對較小的介質棒7而不是一個大的介質棒的方法，可以達到調整纖芯4中 的高階模的有效折射率而同時不會導致模式場發生嚴重畸變的目的。圍繞纖芯3最內層的 空氣孔為三個大孔5和三個小孔6,這三個大孔5和三個小孔6間隔排列且依次分布在三 角形網格各個結點上，其中，纖芯3和纖芯4之間的空氣孔為小孔6，即緊鄰纖芯4的內層空氣孔為小孔6，將纖芯4包層孔取為小孔6，使得纖芯4不存在雙折射。纖芯3包層 的大孔5的直徑總是大于小孔6的直徑，優選的大孔5與小孔6的直徑之比為3: 1 2: !。 大孔5和小孔6的這種排布使纖芯3具有三階對稱性，其兩個線性偏振基模是簡并的，不 存在雙折射現象，有利于非對稱的纖芯3和纖芯4中兩種模式的耦合，從而避免了模式耦
合時因為出現強的偏振相關性而影響器件的性能。 以下提供本發明的一個實施例
實施例
如圖1所示，雙芯光纖的基質材料1為純石英，光纖中孔2的中心位于正三角形網格 的結點上，周期A為4.5 um，大孔5的直徑為3.38 u m，小孔6以及介質棒7的直徑 均為1.35 ym,介質棒7的折射率比基質材料1的折射率低0.003。小的纖芯3中LP^模 和大的纖芯4中的LP。2模的有效折射率與波長的關系如圖2所示。從圖2中可以看出，兩 者可在很寬的頻率范圍內實現匹配，在所示的頻率范圍內，兩模式的有效折射率差均小于 1.5X10—5。取光纖的長度為1^=5.9 mm，在兩偏振態的傳輸損耗均小于0. 5 dB的前提下， 其工作波長范圍為1.45 1.61 um，即其工作帶寬可達160nm且偏振相關損耗小于0. 28 dB。在中心波長(入=1.55 um)位置，其偏振相關損耗小于0. 04 dB且傳輸損耗小于0. 27 dB。圖3給出了光信號在光纖中的傳輸過程，依次經過圖3 (a)、 (b)、 (c)、 (d)后光纖 將輸入的基模光(LPw模)轉換成了高階模(LP。2)模。
本實施例實現的是纖芯3的基模(LPai)和纖芯4的高階模(LP。2)之間的轉換，同理 也可以實現纖芯3中基模和纖芯4中其它高階模之間的轉換；根據光學互易性原理，該模 式轉化器同樣能實現將纖芯4中輸入的高階模轉換為纖芯3中的基模。
權利要求
1、一種基于非對稱雙芯光子晶體光纖的寬帶模式轉換器，由基質材料(1)和分布在其上的孔(2)組成，其特征在于每相鄰的三個孔(2)構成一個正三角形網格，且每個孔(2)的中心分別位于正三角形網格的結點上，在正三角形網格中缺失的一個空氣孔形成纖芯(3)，分布在正三角形網格結點上的七個折射率低于基質材料(1)的介質棒(7)組成纖芯(4)；圍繞纖芯(3)最內層的空氣孔為三個大孔(5)和三個小孔(6)，大孔(5)的直徑大于小孔(6)的直徑，這三個大孔(5)和三個小孔(6)間隔排列且依次分布在三角形網格各個結點上，緊鄰纖芯(4)的內層空氣孔為小孔(6)。
2、 根據權利要求1所述的一種基于非對稱雙芯光子晶體光纖的寬帶模式轉換器， 其特征在于所述介質棒(7)的直徑與相鄰的兩個結點間的間距之比小于0.5。
3、 根據權利要求1所述的一種基于非對稱雙芯光子晶體光纖的寬帶模式轉換器， 其特征在于所述大孔(5)與小孔(6)的直徑之比為3: 1~2:!。
4、 根據權利要求1所述的一種基于非對稱雙芯光子晶體光纖的寬帶模式轉換器， 其特征在于所述介質棒(7)的折射率比基質材料(1)的折射率低0 0.01。
全文摘要
本發明公開了一種基于非對稱雙芯光子晶體光纖的寬帶模式轉換器，由基質材料和分布在其上的孔組成，每相鄰的三個孔構成一個正三角形網格，且每個孔的中心分別位于正三角形網格的結點上，在正三角形網格中缺失的一個空氣孔形成纖芯，分布在正三角形網格結點上的七個折射率低于基質材料的介質棒組成纖芯；圍繞纖芯最內層的空氣孔為三個大孔和三個小孔，大孔的直徑大于小孔的直徑，大孔和小孔間隔排列且依次分布在三角形網格各個結點上，緊鄰纖芯的內層空氣孔為小孔。本發明通過改變兩纖芯包層空氣孔直徑及纖芯中摻雜介質棒的折射率差來調整基模和高階模的有效折射率，實現寬帶的模式轉換，工作帶寬可達160nm。
文檔編號G02B6/02GK101592761SQ20091003253
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月1日 優先權日2009年7月1日
發明者駿 周, 兵 孫, 張永康, 陳明陽 申請人:江蘇大學