宋丹，馬勇，鄒輝，韋瑋

　　（南京郵電大學 光電工程學院，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，系統地研究了光纖結構參數對分束器耦合特性的影響。通過參數優化，設計出一種長度短、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計［J］.微型機與應用，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是依據雙折射原理，由傳統雙芯光纖制備而成。但傳統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，這大大限制了其應用范圍［3］。

　　近年來，光子晶體光纖因其靈活的設計結構和獨特的光學性質而被全世界的學者廣泛關注［4-7］。光子晶體光纖的出現突破了傳統光纖的研究瓶頸，為偏振分束器的設計提供了新的契機。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外學者廣泛的研究。2004年，SAITOH K等人提出了一種具有三芯結構的光子晶體光纖，基于這種結構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實現雙波段的分束器［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構的分束器，該分束器能夠將帶寬提高到90 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構的角度考慮了光纖的設計，這些結構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，并在此基礎上提出了兩種應用于1 550 nm波段處的偏振分束器，且具備長度短、消光比高等優異特性。

1光纖結構和原理

　　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，折射率設為1。藍色部分為光纖的基底材料，采用石英，其折射率依據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偏振態的奇模、偶模及Y偏振態的奇模、偶模。相同偏振態的奇偶模之間沿著光纖的傳播方向發生耦合，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的光束能量為0時，對應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偏振態對應的奇、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端口輸入的光經過L距離后輸出的X偏振和Y偏振的光能量。顯然，實現偏振分束的前提是PAout,x和PAout,y中一個達到極大值的同時，另一個達到最小值。通過數學分析可以判斷，如果滿足式（4），光纖將能夠實現完美分束。此時，耦合比為δ=Lyc/Lxc=m/n，顯然，m和n的有多組取值。考慮到器件的微結構化，m=2和n=1是最佳取值。因此，通過優化光纖的結構參數，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。

　　分光比（ER）是衡量偏振分束器性能的重要參數，它表達的意義是某一纖芯中兩種不同偏振態的光能量比值，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計與優化

　　對于本文提出的光纖結構，特征參數主要有橢圓的橢圓率e和大空氣孔的尺寸D。針對不同的光纖結構，本文利用有限元算法研究了這兩個參數對雙芯光纖耦合特性的影響，得出了一般規律。這為設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構，即引入唯一橢圓，將中心圓孔改為橢圓空氣孔。光纖的初始結構參數為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分束（降低耦合比）。仿真結果表明，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）所示結構的雙芯光纖的耦合特性，同樣光纖的結構參數為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）所示結構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

　　上述兩種結構的雙芯光纖都能夠在1 550 nm處實現偏振分束，但兩者在性能方面還是存在一定差距的。圖1（a）所示結構的雙芯光纖的耦合長度比為1.5，所以對應的分束器的長度L=3Lx≈3.98 mm；圖1（b）所示結構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。圖中所示的結構1和結構2分別對應圖1（a）和圖1（b）所示的雙芯光纖。可以看到，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勢。

3結論

　　本文提出了兩種基于雙芯光纖的偏振分束器的設計方案，并研究了光纖結構參數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、集成光學等領域具有重要的應用。

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