基于领结型多孔光纤的双芯太赫兹偏振分束器-汪静丽.pdf

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1、物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2017)024209基于领结型多孑L光纤的双芯太赫兹偏振分束器冰汪静丽1)t刘洋1)钟凯2)1)(南京邮电大学光电工程学院，南京 210023)2)(天津大学，光电信息技术科学教育部重点实验室，天津300072)(2016年8月1日收到；2016年10月18日收到修改稿)领结型多孔光纤具有高双折射的特性，本文基于此设计了一种新型的双芯太赫兹(THz)偏振分束器，采用调整结构法实现了折射率反转匹配耦合，达到偏振分离仿真结果表明：该偏振分束器在0525 THz频率范围内均可实现偏振分离，最小分离长度仅为0428 cm，且在整个频率范围内分离长度

2、不超过25 cm在23 THz，X，Y两偏振模的吸收损耗均小于035 dB；消光比高达229和192 dB此外，与填充法实现折射率反转匹配耦合的双芯THz偏振分束器进行比较，本文设计的偏振分束器实现简单，运行的频率范围更宽，分离长度更短，吸收损耗更低关键词：偏振分束器，太赫兹，调整结构，多孔光纤PACS：4281Gs，8750U，4281Qb DOh 107498aps660242091引 言偏振分束器是光学系统中一种重要器件，可将光信号分离成两个相互正交的偏振光，并沿着不同路径传输【，引近年来，科研工作者对光学波段的偏振分束器已进行了深入研究a-8，而对THz波段偏振分束器的研究仍处于起步阶

3、段9-12】THz波在电磁波谱中介于微波和红外波之间，具有其他波段电磁波不具有的独特优异性能设计性能优良的THz偏振分束器对于THz器件的研究具有重要的意义【13，1剖目前，基于双芯光纤设计THz偏振分束器是THz领域的研究热点之一，通常有两种实现方式：第一种利用双折射效应，通过调整光纤结构参数使X，Y偏振模同时在双芯间进行耦合，传输一定距离后实现偏振分离a-6】：第二种利用谐振效应，令某一偏振模满足谐振条件在双芯间来回耦合，而另一偏振模不满足该条件固定在某纤芯内传输，当满足谐振条件的偏振模完全耦合至另一纤芯时，实现偏振分离7，8I基于双芯光纤的THz偏振分束器已有相关报道，2012年，白晋军

4、等【9】提出一种低损耗、宽频段THz双芯光子带隙光纤定向耦合器用于偏振分离，可实现014 THz范围内的定向耦合且耦合长度小于15 cm2013年，姜子伟等10设计了一种低损耗THz双芯光子带隙光纤定向耦合器，这种光纤定向耦合器在155180 THz范围内耦合长度小于18 cm2014年，Li等11】提出了一种基于填充式多孔光纤的宽带双芯THz偏振分束器，在0825 THz频率范围内实现了偏振分离，分离长度为043356 cm同年，祝远峰12】提出两种THz偏振分束器，一种基于悬浮芯光纤，另一种基于十字架型纤芯光纤，前者在1 THz的分离长度为336 cm，后者在1 THz的分离长度为114

5、CE然而，上述设计的器件分离长度随频率增长较快，应光电信息技术教育重点实验室(天津大学)开放基金(批准号：2014KFKT003)、国家自然科学基金(批准号：61571237)、国家自然科学基金青年科学基金(批准号：61405096)、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室开放基金资助项目(批准号2015GZKF03006)和江苏省光通信工程技术研究中心资助项目(批准号：ZSF0201)资助的课题十通信作者Email：jlwangnjupteducn2017中国物理学会Chinese Physical Society htp：wulixbiphyocc佗万方数据物理学报Acta Phys

6、SinV0166，No2(2017)024209用的带宽相对较窄为解决该问题，本文提出一种基于领结型多孔光纤15的双芯THz偏振分束器，通过调整双芯中某一纤芯结构实现折射率匹配耦合，达到偏振分离的目的研究表明：该类THz偏振分束器能够在较宽的频率范围(0525 THz)内实现偏振分离，且分离长度短，均不超过25 cm此外，我们还将本文所设计的THz偏振分束器与目前较为流行的使用填充法实现折射率匹配耦合的偏振分束器进行了比较，结果表明：我们设计的结构制作方便，操作简单，且运行的频率范围更宽，分离长度更短，吸收损耗更低2结构设计和仿真本文设计的基于领结型多孔光纤的双芯THz偏振分束器，采用谐振效应

7、实现偏振分离要实现谐振条件，可采用文献10所提出的折射率反转匹配耦合(ICMC)法，该方法的思路：首先需要光纤具有高双折射特性，即实现X，Y两个偏振模的分裂：其次，为实现分离操作，两根光纤纤芯结构应具有正交关系(一般可将另一根完全相同的光纤旋转9001，再通过调整填充液的有效折射率实现X或者Y偏振模式的匹配然而，采用填充法需要给器件填充液体，操作较为复杂；且在THz波段中寻找到损耗低且折射率满足要求的液体，非常困难基于此，本文提出一种在双芯THz偏振分束器中实现偏振分离的新方法：对某一纤芯进行隔行调整结构，从而实现折射率匹配耦合本文对所设计的THz偏振分束器特性的分析与讨论均是基于全矢量有限元

8、法ffinite elementmethod，FEMl计算而来，FEM是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法16提出的THz偏振分束器如图1所示，它由两根多孔光纤f纤芯为多孔结构，包层为空气，导光机理为全内反射)构成，光纤A为高双折射领结型多孔光纤：光纤B是依据ICMC法，由光纤A旋转90。并隔行调整结构为椭圆所成多孔光纤的基底为聚合物材料TOPAS，它在THz波段具有相对恒定的折射率，且损耗较低光纤A和B的纤芯直径均为D。=490肛m，光纤A中领结型结构的两个大空气孔半径为r2=13“m，小空气孔半径为rl=8 pm，孔间距A=70 pm，光纤B中椭圆长轴r3=15m，短轴r4=13

9、 Um；当纤芯A与B相切(L=490 pm)时，耦合现象最明显图1 基于领结型多孔光纤的双芯THz偏振分束器的截面图Fig1Cross section of dualcore THz polarizationsplitter based on porous fibers with neartie units如果光纤B仅仅是将光纤A旋转90。，那么由于rtAx=礼BynAy=nB。(其中nAx和nAy分别为光纤A中x和Y偏振模的有效折射率；nB。和礼B、，分别为光纤B中X和Y偏振模的有效折射率)，无法实现偏振模匹配因此，尝试对光纤B的结构进行改变，通过隔行调整领结型结构为椭圆，以实现A，B光纤中

10、X偏振模的匹配仿真表明：当椭圆参数设置为您=15m，r4=13 pm时，A和B光纤中两个偏振模式的有效折射率分别满足nBynB。(如图2(a)所示)和TtA。7tAy(如图2(b)所示)，且此时nB。和nA。几乎完全相等(如图2(C)所示)因此，在O5 25 THz频率范围内，X偏振模将会在两个纤芯间强烈耦合，同时由于两个纤芯中Y偏振模的有效折射率相差较大，模式不匹配故不发生耦合图3给出了工作频率为05，10，15，20，25THz时，X，Y偏振奇模和偶模的稳态模场分布，下标O，e分别表示奇模和偶模如图3所示，在0525 THz的频率范围内，A和B光纤中的X偏振模因满足模式匹配条件，在两芯之间

11、始终发生耦合，稳态模场同时分布于双芯中；而对于y偏振模而言，由于模式不匹配，始终不会发生耦合，稳态模场只存在于某一纤芯中0242092万方数据物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2017)024209童量絮，一专蓦毛g回图2光纤中X和Y偏振模的有效折射率随频率的变化(a)光纤B；(b)光纤A；(C)光纤A与BFig2Effective refractive index of x and Y polarization modes versus frequency：(a)Fiber B；(b)fiber A(C)fiber A and B图3 (网刊彩色)x，Y偏振奇模和偶模在不同

12、工作频率时稳态模场分布Fig3(color online)Modal distributions in steady state of even and odd modes for x and y polarizationmodes at different frequencies偏振分束器的分离长度是衡量该类器件性能的一个重要指标，定义如下：己。=A(2f扎。一仃。f)， (1)式中L。表示分离长度，礼。和n。分别是X偏振偶模和奇模的有效折射率，入是入射波长由图4(b)可见：采用调整结构法的THz偏振分束器，其分离长度先随着频率的增加而增加，在f=15 THz的时候达到峰值(L。=25 cm

13、)，之后随着频率的增加而减小，并且在整个频率范围内，分离长度变化较为缓慢，控制在一个较小的范围内fo428 25 am)为了便于比较，我们还对基于领结型多孔光纤的双芯THz偏振分束器进行了填充(如图4(a)所示，仿真计算表明对B芯进行隔行填充折射率为128的液体时，也可达到偏振分离)，填充法是目前实现折射率匹配耦合的常用方法如图4(b)所示，采用填充法的THz偏振分束器，其分离长度的变化趋势和调整结构法的THz偏振分束器相似，但在高频处ff17 THz)，本文所设计的偏振分束器的分离长度明显优于用填充法设计的偏振分束器0242093万方数据物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2

14、017)024209图4 (a)采用填充法的THz偏振分束器结构；(b)填充法和调整结构法所设计的THz偏振分束器的分离长度随频率的变化Fig4(a)The structure of THz polarization splitter with filling methods；(b)splitting length ofpolarization splitter with two methods versus frequency损耗是衡量偏振分束器性能的另一重要指标图5(a)首先给出了器件的吸收损耗系数随频率的变化，该参数定义如下： 佗(r)a。(r)IE2dAa。ff=!坠生产争T_，(2)

15、鼬。EHAl式中Q。ff是器件的损耗系数；Q。(r)是是光纤基底材料的体吸收系数；Ab。kg，。d和Ao。分别是表示光纤横截面区域和整个平面的面积；n(r)是基底材料的有效折射率；E和H分别是电场强度和磁场强度由图5(a)可见：不管填充法还是调整结构法设计的THz偏振分束器，其吸收损耗系数均随着频率的增加而单调增加；在05 THz处，对于x，y偏振模而言，两器件的吸收损耗系数都小于o1 dBcm图5(b)给出了器件的吸收损耗随频率的变化，该参数定义如下：朋loss=LcQeff， (3)其中蚴。是器件的吸收损耗，三。器件的分离长度如图5(b)所示：在整个频率范围内，两种方法所设计的THz偏振分

16、束器的吸收损耗变化趋势一致。在低频处均随着频率的增加而增加，到达峰值后逐渐减小且正如图4(b)和图5(a)所示，由于低频处两种方法所设计的THz偏振分束器，其分离长度和器件吸收损耗系数差别很小，所以器件的吸收损耗也相差不大但是，随着频率的增加，两者的器件长度均缩短，从而吸收损耗也随之减少其中，当频率大于17 THz后调整结构法设计的THz偏振分束器的吸收损耗明显小于填充法设计的偏振分束器，且在23 THz频率处，X，Y两个偏振的吸收损耗均小于035 dB图5 采用填充法和调整结构法设计的THz偏振分束器的损耗特性 (a)器件的吸收损耗系数随频率的变化；(b)器件的吸收损耗随频率的变化Fig5L

17、oss characteristics of THz polarizationsplitter with filling method and adjusting structuremethod：fal Absorption loss toemcient versus fre_quency；(b)absorption loss of the device versus fre-quency万方数据物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2017)024209图6给出了两种方法设计的THz偏振分束器的X，Y偏振模的消光比随频率的变化曲线偏振模的分离程度可用消光比来衡量，其公式为ER=

18、10l 109 f丝儿 (4)lPyI式中ER表示消光比，陬和Py分别表示X，Y偏振模的输出功率由图6可知，采用填充法的THz偏振分束器，其X，Y偏振模的消光比随着频率的增加而增加(即：随频率的增加，偏振模分离越彻底)；当f=23 THz，X，y偏振模的消光比最大，分别为2515和2492 dB采用调整结构法的THz偏振分束器，X偏振模的消光比随着频率的增加而增加，最大为2294 dB ff=23 THz)；而Y偏振模的消光比先随着频率的增加而增加，在f=21 THz达到峰值2051 dB，随后变小其中，在23 THz处，X，Y偏振模的消光比均较好，分别达到2294和192 dB在整个频率范围

19、内，填充法的THz偏振分束器的消光比要比调整结构法的优越图6 f网刊彩色1基于填充法和调整结构法的THz偏振分束器中，X，Y偏振模的消光比随频率的变化Fig6(color online)THz polarization splitter withfilling method and adjusting structure method，ex-tinction ratios for X，Y polarization modes versus fre-quency3结 论本文基于领结型多孔光纤设计双芯THz偏振分束器，采用调整结构法实现折射率反转匹配耦合分别讨论了分离长度、损耗及消光比随频率的变化

20、，研究表明：其分离长度和损耗的变化趋势一致，均先随频率的增加而增加，达到峰值后减小；并且在整个频率范围内，分离长度变化较为缓慢，控制在一个较小的范围内(042825 cm)；X，y偏振模的吸收损耗较小(10_1数量级)，最小值分别为o0327和o0334 dB ff=o5 THz)；X，Y偏振模消光比大致是随频率的增加而增加，在23 THz处分别达到2294和192 dB此外，与采用填充法的THz偏振分束器进行比较，除去操作方便，制作简单外，在高频处的性能指标(分离长度和损耗)更具优势而且所设计的THz偏振分束器由两根聚合物光纤构成，目前制作聚合物多孔光纤的方法较多，常用的有：堆积法，挤压法，

21、打孔法17等，故而加工方便，较易实现参考文献【1】Galan J V，Sanchis P，Garcia J，Blasco J，Martinez A，Martf J 2009 ApplOpt48 2693【2Yong L，Han K，Lee B，Jung J 2003 OptExpress 113359【3Florous N，Saitoh K，Koshiba M 2005 OptExpress 137365【4Zhang S，Zhang W，Geng P，Li x，Ruan J 2011 ApplOpt50 6576【5Jiang H，Wang E，Zhang J，Hu L，Mao Q，Li Q

22、 2014OptExpress 22 304616】Mao D，Guan C，Yuan L 2010 AppOpt49 37487】Saitoh K，Sato Y，Koshiba M 2004 OptExpress 12 39408】wjn K，Wang R，Wang J Y，Li J H 2008 Chinese Journal of Lasers 35 1962(in Chinese)文科，王荣，汪井源，李建华2008中国激光35 196219】Bai J J，Wang C H，Hou Y，Fan F，Chang S J 2012 ActaPhysSin61 108701(in Chine

23、se)【白晋军，王昌辉，侯宇，范飞，常胜江2012物理学报61 1087011【10Jiang Z W，Bai J J，Hou Y，Bai X H，Chang S J 2013Acta PhysSin62 028702(in Chinese)姜子伟，白晋军，侯宇，王湘晖，常胜江2013物理学报62 028702111Li s S，Zhang H，Bai J，Liu W 2014 IEEE PhotonicsTechn01Lett26 139912Zhu Y F 2014 PhDDissertation(ZhenJiang：JiangsuUniversity)(in Chinese)【祝远锋20

24、14博士学位论文(镇江：江苏大学)1【13】Hou Y 2013 PhDDissertation(Tianjin：Nankai University)(in Chinese)【侯宇2013博士学位论文(天津：南开大学)1【14】Wang C H 2013 PhDDissertation(Tianjin：NankaiUniversity)(in Chinese)【王昌辉2013博士学位论文(天津：南开大学)1【15】Wang J L，Yao J，Chen H，Zhong K，Li Z 2011 JOpt13 994【16】Wang J L 2011 PhDDissertation(Tianjin

25、：TianjinUniversity)(in Chinese)【汪静丽2011博士学位论文(天津：天津大学)1【17】Ma J R 2007 MSThesis(Hebei：Yanshan University)(in Chinese)马景瑞2007硕士学位论文(河北：燕山大学)1万方数据物理学报Acta PhysSinV0166，No2(2017)024209Dualcore terahertz polarization splitter based onoorous fibel with near tie unitsorous12 ers wit near-tle unltS木Wang Ji

26、ng-Lil)十Liu Yan91)Zhong Kai2)1)(Department of OptoElectronic Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China)2)(Key Laboratory of Optoelectronic Information Science and Technology(Ministry of Education)，Tianjin University,Tianjin 300072，China)(Received 1 August 20

27、16；revised manuscript received 18 October 2016)AbstractTerahertz(THz)radiation，which is defined as the electromagnetic wave with a frequency ranging from 01 THzto 10 THzhas attracted widespread attention in recent years because of its unique possibilities in many fieldsHighperformance THz polarizati

28、on splitter，a key device in THz manipulation，is of great significance for studying the THzdevicesIn the present paper，a novel dualcore THz polarization splitter is proposed，which is based on porous fiberwith neartie unitsThe introduction of neartie units into the fiber core can enhance asymmetry to

29、realize high modebirefringenceAnd the results show that the porous THz fiber exhibits high birefringence at a level of 102 over a widefrequency rangeAn index converse matching coupling(ICMC)method，which exhibits several advantages(such as shortsplitting length，high extinction ratio，low loss，and broa

30、d operation bandwidth)，is used to allow for the coupling of onepolarization mode within a broad operation band，while the coupling of the other polarization component is effectivelyinhibitedThe splitting length is equal to one coupling length of X_or y-polarization component for which inter-corecoupl

31、ing occurs，and short splitting length means low transmission lossUnlike the reported filling method，an adjustingstructure method is proposed in the paper to satisfy the condition of index converse matching couplingThe full vectorfinite element method(FEM)，which is based on the variational principle

32、and the subdivision interpolation，is used toanalyze the guiding properties of the proposed THz polarization splitterThe FEM is a widely used numerical methodin phyrsical modeling and simulationSimulation results show that the THz polarization splitter operates within a widefrequency range of 05 25 T

33、HzThe splitting length does not exceed 25 cm in the whole frequency range and theminimum is only 0428 cmAt 23 THz，the material absorption losses of X-and y_polarization are both less than 035dB，and the extinction ratios for X_and Ypolarization are 29 and 192 dB，respectivelyMoreover，by comparing with

34、 aTHz polarization splitter with filling method，the proposed THz polarization with adjusting structure method is easierto realize，the operating frequency range is wider，the splitting length is shorter，and the material absorption loss islowerFinally,we note that the fabrication of such THz porous fib

35、er designs could be realized by several methods，suchas a capillary stacking technique，a polymer casting technique，a hole drilling technique)etcKeywords：polarization splitter，terahertz，adjusting structure，porous fiberPACS：4281Gs，8750U一，4281Qb DOI：107498aps66024209Project supported by the Key laborato

36、ry of Opto-electronic Information Technology，Ministry of Education(Tianjin University)，China(Grant No2014KFKT003)，the National Natural Science Foundation of China(Grant No61571237)，the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(Grant No61405096)，the Open Fund ofState Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks，Shanghai Jiao Tong University,China(Grant No2015GzKF03006)，and the Research Center of Optical Communications Engineering&Technology，JiangsuProvince，China(Grant No。ZSF0201)十Corresponding authorEmail：jlwangnjupteducn0242096万方数据