一种高性能双芯连体管负曲率光纤偏振分束器

本发明涉及一种负曲率光纤偏振分束器，具体涉及一种高性能双芯连体管负曲率光纤偏振分束器。

背景技术：

1、双芯负曲率光纤（dc-ncf）具有材料损伤阈值高、色散低、时延小、对温度不敏感等优点，被广泛应用于光通信、超短或大功率脉冲传输、光纤陀螺仪、中红外传输和太赫兹应用等领域。为了克服传统固体光纤中材料缺陷造成的瓶颈，研究人员根据不同的引导模式提出了两种双芯光纤（dcf）。其中一种dcf是双芯光子带隙光纤（dc-pbgf），光通过由周期性包层结构形成的光子带隙被引导。然而，由于表面模式和表面散射损耗（ssl）的限制，dc-pbgf在玻璃包层和高群速色散（尤其是在带隙边缘附近）的情况下会出现较大的纤芯-模式功率重叠。另一种dcf是dc-ncf，它可以通过使用空气作为传输介质来弥补hc-pbgf的不足，从而获得更宽的带宽和更小的核模功率重叠。dc-ncf通过抑制芯导模式和连续包层模式之间的耦合来支持光电导。因此，研究人员提出了诸多创新的包层结构来降低传输损耗和增加模式耦合，如圆形、椭圆形和锥形的单层管和嵌套管。

2、除了低损耗dc-ncfs外，基于dc-ncf的偏振分束器（pbs）和耦合器也是光通信、光传感器和光激光器中必不可少的集成元件。为了解决实芯光纤在通信系统中的容量限制，诸多创新的高性能pbs被相继提出。zhao等人公开了一种dc-ncf pbs，通过引入两个椭圆管将磁芯分成两个对称的磁芯。通过调整光纤参数，可以实现1.41 - 1.72 μm的310 nm带宽，而器件长度仅为6.75 cm。wang等人公开了一种带有外圆管和内圆管的dc-ncf pbs。通过在水平方向引入四根外管，可获得两个核心。内管插入两个核心之间的两个外管，11.0 cm长的dc-ncf实现了410 nm的超宽带。kumary等人设计了一种长度为21.52 mm的dc-ncf pbs，可覆盖1.31 µm和1.55 µm两个通信波长，带宽为340 nm。不过，虽然实现了较短的带宽，但它并没有良好的单模特性。zhou等人将u型管引入光纤结构，实现了510 nm的工作带宽。尽管取得了这一成果，但器件的长度却增加到了8.1 cm，并且u型管使制造工艺变得更加复杂和具有挑战性。zou等人公开了一种长度仅为1.306 cm的创新型dc-ncf pbs，其中引入了一个椭圆形，在水平方向上形成两个核心，适用于1.53 - 1.95 µm的420 nm宽波长范围，在指定波长范围内具有极佳的偏振特性。尽管dc-ncf pbs的研究正转向超宽带，但实现超短耦合长度仍为难以解决的技术问题。由于耦合长度和工作带宽是关键参数，因此在设计pbs时应综合考虑这两个因素，以缩短器件长度并扩大工作带宽。

技术实现思路

1、为了解决上述器件长度的问题，本发明提供了一种高性能双芯连体管负曲率光纤偏振分束器。通过在x方向引入双连体管，可以降低x-pol和y-pol模式的耦合长度，抑制包层模式，并降低耦合长度对波长的依赖性，该结构能有效降低器件长度。

2、本发明采用的技术方案为：一种高性能双芯连体管负曲率光纤偏振分束器，负曲率光纤偏振分束器的负曲率光纤的包层内在x轴方向上设有两个对称分布的连体管，连体管由半圆段和椭圆段组成，其中半圆段位于靠近纤芯的一侧，连体管内设有两个对称布设的圆管，其对称轴为x轴；连体管的两侧设有对称分布的两组双层嵌套圆管，每组双层嵌套圆管的数量为两个，双层嵌套圆管内设有大圆形管和小圆形管；负曲率光纤的包层的外部设有护管。

3、进一步地，所述负曲率光纤的内半径 r = 30 μm，连体管的半圆段的半径 r1 =7.75 μm，其椭圆段的长半轴 b = 20.19 μm，圆管的直径 d5 = 5.2 μm，连体管的壁厚 t =0.63 μm；所述双层嵌套圆管的直径 d2 = 17.5 μm，小圆形管的直径 d4 = 2.3 μm，大圆形管的直径 d3 = 4.9 μm；所述护管的厚度 t = 5 μm。

4、进一步地，所述大圆形管的直径 d3 =  k× d4，其中 k是变化率， k 为0.95 - 2.79。

5、进一步地，所述负曲率光纤的基底材料为二氧化硅。

6、进一步地，所述双芯光纤为双芯负曲率光纤。

7、进一步地，所述的两组双层嵌套圆管中，四个双层嵌套圆管在x方向上以y轴为对称轴对称分布，在y轴方向上以x轴为对称轴。

8、进一步地，所述的双层嵌套圆管的圆心、大圆形管的圆心、小圆形管的圆心、光纤的圆心在同一条直线上。

9、进一步地，所述的连体管内的两个圆管的圆心和连体管上的半圆段的圆心在同一条直线上。

10、本发明的有益效果：提出了一种新型双芯连管负曲率光纤（dc-ctncf）超宽带偏振分束器（pbs）。通过在x方向引入双连体管，可以减少管间耦合和振动引起的额外损耗，抑制相邻管间的串扰效应，从而提高dc-ctncf pbs的性能和稳定性。通过有限元法（fem），分析了dc-ctncf各结构参数在x极化和y极化模式下的耦合长度（cl）、耦合长度比（clr）和高阶模消光比（homer）。通过优化光纤结构参数，长度仅为5.03 mm的dc-ctncf pbs在1.44 -1.99 µm波长范围内实现了590 nm的超宽带宽，并且在相应波长范围内高阶模（hom）与基模（fm）的损耗比大于100，表明该pbs具有优异的单模特性。dc-ctncf pbs突破了现有pbs设计的长度限制，对光纤通信和光纤传感领域的研究提供了技术支持。

技术特征：

1.一种高性能双芯连体管负曲率光纤偏振分束器，其特征在于：负曲率光纤偏振分束器的负曲率光纤的包层内在x轴方向上设有两个对称分布的连体管，连体管由半圆段和椭圆段组成，其中半圆段位于靠近纤芯的一侧，连体管内设有两个对称布设的圆管，其对称轴为x轴；连体管的两侧设有对称分布的两组双层嵌套圆管，每组双层嵌套圆管的数量为两个，双层嵌套圆管内设有大圆形管和小圆形管；负曲率光纤的包层的外部设有护管；

2.根据权利要求1所述的高性能双芯连体管负曲率光纤偏振分束器，其特征在于：所述大圆形管的直径d3 = k×d4，其中k是变化率。

3.根据权利要求1或2所述的高性能双芯连体管负曲率光纤偏振分束器，其特征在于：所述负曲率光纤的基底材料为二氧化硅。

技术总结本发明涉及一种负曲率光纤偏振分束器，具体涉及一种高性能双芯连体管负曲率光纤偏振分束器，负曲率光纤偏振分束器的负曲率光纤的包层内在x轴方向上设有两个对称分布的连体管，连体管由半圆段和椭圆段组成，其中半圆段位于靠近纤芯的一侧，连体管内设有两个对称布设的圆管，其对称轴为x轴；连体管的两侧设有对称分布的两组双层嵌套圆管，每组双层嵌套圆管的数量为两个，双层嵌套圆管内设有大圆形管和小圆形管；负曲率光纤的包层的外部设有护管。通过在x方向引入双连体管，可以降低x‑pol和y‑pol模式的耦合长度，抑制包层模式，并降低耦合长度对波长的依赖性，该结构能有效降低器件长度。技术研发人员：李贤丽,刘美琪,吕靖薇,王建鑫,付海昊,刘伟,杨琳,宋欣萍,刘超受保护的技术使用者：东北石油大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20