一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器

1.本发明涉及一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器。


背景技术：

2.太赫兹(thz)波是指频率在0.1～10thz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，位于微波和可见光之间，且在光谱学、医学成像、雷达、通信和无损检测等众多领域具有大量应用。
3.其中空芯反谐振光纤(hollow-core anti-resonant fiber,hc-arf)作为一种重要的太赫兹传输波导，由于其宽传输带宽、低传输损耗、高损伤阈值等优点引起了普遍关注。
4.随着空芯反谐振光纤在thz波段的不断发展，对基于hc-arf的光开关、调制器、偏振分束器、耦合器等thz光学器件的研究也逐渐成为一个新的研究方向。
5.其中偏振分束器作为一种特别重要的电磁波偏振控制器件，由于其在太赫兹系统中起着非常重要的作用而引起了关注。
6.但目前基于hc-arf的偏振分束器的研究较少，不利于hc-arf系统的进一步发展，且已提出的太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器中普遍存在的问题是结构复杂、工作带宽小、消光比低。
7.相关在先技术：cn114114526a、cn114966954a。


技术实现要素：

8.本发明目的在于提供一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，以解决上述现有技术存在的问题。
9.本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，包括：
10.开口相对连通的第一弧形壁和第二弧形壁；第一弧形壁内形成第一纤芯，第二弧形壁内形成第二纤芯；
11.在第一纤芯上部设有从内至外依次套设的第一光纤管、第二光纤管和第三光纤管；第一光纤管、第二光纤管和第三光纤管的上侧分别相切固定连接，且第三光纤管上侧与第一弧形壁相切固定连接；
12.在第一纤芯中部远离第二弧形壁的一侧设有从内至外依次套设的第六光纤管、第五光纤管和第四光纤管；第六光纤管、第五光纤管和第四光纤管远离第二弧形壁的一侧分别相切固定连接，且第四光纤管远离第二弧形壁的一侧与第一弧形壁相切固定连接；
13.在第一纤芯下部设有从内至外依次套设的第九光纤管、第八光纤管和第七光纤管；第九光纤管、第八光纤管和第七光纤管的下侧分别相切固定连接，且第七光纤管下侧与第一弧形壁相切固定连接；
14.在第二纤芯上部设有从内至外依次套设的第十光纤管、第十一光纤管和第十二光纤管；第十光纤管、第十一光纤管和第十二光纤管的上侧分别相切固定连接，且第十二光纤
管上侧与第二弧形壁相切固定连接；
15.在第二纤芯中部远离第一弧形壁的一侧设有从内至外依次套设的第十五光纤管、第十四光纤管和第十三光纤管；第十五光纤管、第十四光纤管和第十三光纤管远离第一弧形壁的一侧分别相切固定连接，且第十三光纤管远离第一弧形壁的一侧与第二弧形壁相切固定连接；
16.在第二纤芯下部设有从内至外依次套设的第十八光纤管、第十七光纤管和第十六光纤管；第十八光纤管、第十七光纤管和第十六光纤管的下侧分别相切固定连接，且第十六光纤管下侧与第二弧形壁相切固定连接；
17.设有第十九光纤管分别与第三光纤管、第十二光纤管外侧相切固定连接，设有第二十光纤管分别与第七光纤管、第十六光纤管外侧相切固定连接；
18.其中，
19.所述的第一光纤管、第二光纤管、第四光纤管、第五光纤管、第六光纤管、第八光纤管、第九光纤管、第十光纤管、第十一光纤管、第十二光纤管、第十四光纤管、第十五光纤管、第十六光纤管、第十七光纤管、第十八光纤管、第十九光纤管和第二十光纤管的厚度为t1；所述的第三光纤管、第七光纤管和第十三光纤管的厚度为t2，且t1≠t2，形成双厚度结构；
20.所述的第三光纤管、第四光纤管、第七光纤管、第十二光纤管、第十三光纤管和第十六光纤管的外半径均为r1；
21.所述的第二光纤管、第五光纤管、第八光纤管、第十一光纤管、第十四光纤管和第十七光纤管的外半径均为r2；
22.所述的第一光纤管、第六光纤管、第九光纤管、第十光纤管、第十五光纤管和第十八光纤管的外半径均为r3；
23.所述的第十九光纤管和第二十光纤管的外半径均为r4，且r4《r3；
24.所述的第一弧形壁和第二弧形壁的内半径均为r。
25.所述的第一光纤管、第二光纤管、第三光纤管、第七光纤管、第八光纤管、第九光纤管和第一弧形壁的圆心位于同一垂线上；所述的第十光纤管、第十一光纤管、第十二光纤管、第十六光纤管、第十七光纤管、第十八光纤管和第二弧形壁的圆心位于同一垂线上；所述第四光纤管、第五光纤管、第六光纤管、第十三光纤管、第十四光纤管、第十五光纤管、第一弧形壁和第二弧形壁的圆心位于同一水平线上。
26.外半径r1＝1200μm，外半径r2＝840μm，外半径r3＝588μm，外半径r4＝425.8μm。
27.所述厚度t1＝90μm，厚度t2＝63μm。
28.所述内半径r＝3000μm。
29.所述第一弧形壁和第二弧形壁的厚度为500μm。
30.由环烯烃共聚物制成。
31.额定工作频率为1thz。
32.本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，其优点在于，引入双厚度结构，并利用双厚度结构产生了高双折射，从而使得使得耦合长度比很轻易达到2.0，也就很好地实现了x偏振和y偏振的分离，最终提供了一种结构简单、大带宽、高消光比的偏振分束器。
附图说明
33.图1是本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器横截面的结构示意图。
34.图2是本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器对应四个超模的模场分布图。
35.图3是本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器偏振耦合长度与厚度t2的变化关系曲线图。
36.图4是本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器耦合长度比与厚度t2的变化关系曲线图。
37.图5是本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器总传输损耗、吸收损耗、限制损耗与厚度t2的变化关系曲线图。
38.图6是本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器消光比与频率的变化关系曲线图。
39.附图标记：
40.11-第一弧形壁、12-第二弧形壁；
41.a-第一纤芯、b-第二纤芯；
42.21-第一光纤管、22-第二光纤管、23-第三光纤管、24-第四光纤管、25-第五光纤管、26-第六光纤管、27-第七光纤管、28-第八光纤管、29-第九光纤管、31-第十光纤管、32-第十一光纤管、33-第十二光纤管、34-第十三光纤管、35-第十四光纤管、36-第十五光纤管、37-第十六光纤管、38-第十七光纤管、39-第十八光纤管、41-第十九光纤管、42-第二十光纤管。
具体实施方式
43.如图1所示，本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器包括：
44.开口相对连通的第一弧形壁11和第二弧形壁12。第一弧形壁11内形成第一纤芯a，第二弧形壁12内形成第二纤芯b。
45.在第一纤芯a上部设有从内至外依次套设的第一光纤管21、第二光纤管22和第三光纤管23。第一光纤管21、第二光纤管22和第三光纤管23的上侧分别相切固定连接，且第三光纤管23上侧与第一弧形壁11相切固定连接。
46.在第一纤芯a中部远离第二弧形壁12的一侧设有从内至外依次套设的第六光纤管26、第五光纤管25和第四光纤管24。第六光纤管26、第五光纤管25和第四光纤管24远离第二弧形壁12的一侧分别相切固定连接，且第四光纤管24远离第二弧形壁12的一侧与第一弧形壁11相切固定连接。
47.在第一纤芯a下部设有从内至外依次套设的第九光纤管29、第八光纤管28和第七光纤管27。第九光纤管29、第八光纤管28和第七光纤管27的下侧分别相切固定连接，且第七光纤管27下侧与第一弧形壁11相切固定连接。
48.在第二纤芯b上部设有从内至外依次套设的第十光纤管31、第十一光纤管32和第十二光纤管33。第十光纤管31、第十一光纤管32和第十二光纤管33的上侧分别相切固定连接，且第十二光纤管33上侧与第二弧形壁12相切固定连接。
49.在第二纤芯b中部远离第一弧形壁11的一侧设有从内至外依次套设的第十五光纤管36、第十四光纤管35和第十三光纤管34。第十五光纤管36、第十四光纤管35和第十三光纤管34远离第一弧形壁11的一侧分别相切固定连接，且第十三光纤管34远离第一弧形壁11的一侧与第二弧形壁12相切固定连接。
50.在第二纤芯b下部设有从内至外依次套设的第十八光纤管39、第十七光纤管38和第十六光纤管37。第十八光纤管39、第十七光纤管38和第十六光纤管37的下侧分别相切固定连接，且第十六光纤管37下侧与第二弧形壁12相切固定连接。
51.设有第十九光纤管41分别与第三光纤管23、第十二光纤管33外侧相切固定连接，设有第二十光纤管42分别与第七光纤管27、第十六光纤管37外侧相切固定连接。
52.其中，
53.所述的第一光纤管21、第二光纤管22、第四光纤管24、第五光纤管25、第六光纤管26、第八光纤管28、第九光纤管29、第十光纤管31、第十一光纤管32、第十二光纤管33、第十四光纤管35、第十五光纤管36、第十六光纤管37、第十七光纤管38、第十八光纤管39、第十九光纤管41和第二十光纤管42的厚度为t1。所述的第三光纤管23、第七光纤管27和第十三光纤管34的厚度为t2，且t1≠t2，形成双厚度结构。
54.所述的第三光纤管23、第四光纤管24、第七光纤管27、第十二光纤管33、第十三光纤管34和第十六光纤管37的外半径均为r1。
55.所述的第二光纤管22、第五光纤管25、第八光纤管28、第十一光纤管32、第十四光纤管35和第十七光纤管38的外半径均为r2。
56.所述的第一光纤管21、第六光纤管26、第九光纤管29、第十光纤管31、第十五光纤管36和第十八光纤管39的外半径均为r3。
57.所述的第十九光纤管41和第二十光纤管42的外半径均为r4，且r4《r3。
58.所述的第一弧形壁11和第二弧形壁12的内半径均为r。
59.所述的第一光纤管21、第二光纤管22、第三光纤管23、第七光纤管27、第八光纤管28、第九光纤管29和第一弧形壁11的圆心位于同一垂线上。所述的第十光纤管31、第十一光纤管32、第十二光纤管33、第十六光纤管37、第十七光纤管38、第十八光纤管39和第二弧形壁12的圆心位于同一垂线上。所述第四光纤管24、第五光纤管25、第六光纤管26、第十三光纤管34、第十四光纤管35、第十五光纤管36、第一弧形壁11和第二弧形壁12的圆心位于同一水平线上。
60.关于各参数设置，优选为：
61.外半径r1＝1200μm，外半径r2＝840μm，外半径r3＝588μm，外半径r4＝425.8μm。所述厚度t1＝90μm，厚度t2＝63μm。所述内半径r＝3000μm。所述第一弧形壁11和第二弧形壁12的厚度为500μm。本太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器整体由环烯烃共聚物(cyclic olefin copolymer,coc)制成，额定工作频率为1thz。coc在1thz时的折射率近似为1.5258。
62.本发明中所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器工作原理如下：
63.当一束太赫兹波从第一纤芯a或第二纤芯b入射，x偏振光和y偏振光由于各自的耦合长度不同便会在第一纤芯a和第二纤芯b中来回周期性转移，并最终在传播一定距离后，x偏振和y偏振会成功在两个纤芯中分离。
64.当光束射入第一纤芯a或第二纤芯b其中一个时，会产生四个超模，如图2所示，分
别是x偏振偶模(a)、x偏振奇模(b)、y偏振偶模(c)和y偏振奇模(d)。由于奇模和偶模传输常数的不同，光能量会周期性的在第一纤芯a和第二纤芯b中转移。当入射的某个偏振光从一个纤芯完全转移到另一个纤芯时，此偏振光传输的长度就是该偏振光的耦合长度。对于一个高性能的偏振分束器而言，clr应该接近2.0或者0.5，因为这时的x偏振光和y偏振光会分离的更彻底，分束效果会更好。
65.偏振分束器的传输损耗需要考虑有效材料吸收损耗(effective material loss,eml)和限制损耗(confinement loss,cl)，二者之和为总传输损耗。一般来说，当消光比(extinction ratio,er)大于20db时，则认为两束偏振光已完全分离开，其消光比大于20db所覆盖的频率范围被定义为工作带宽。
66.在所述优选参数下，最终得到一种优质的分束器，其当入射光频率为1thz时,器件长度为26cm，传输损耗为0.12db/cm，且具有0.1thz的超大带宽和342db的高消光比，如图3至图6所示。
67.对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，其特征在于，包括：开口相对连通的第一弧形壁(11)和第二弧形壁(12)；第一弧形壁(11)内形成第一纤芯(a)，第二弧形壁(12)内形成第二纤芯(b)；在第一纤芯(a)上部设有从内至外依次套设的第一光纤管(21)、第二光纤管(22)和第三光纤管(23)；第一光纤管(21)、第二光纤管(22)和第三光纤管(23)的上侧分别相切固定连接，且第三光纤管(23)上侧与第一弧形壁(11)相切固定连接；在第一纤芯(a)中部远离第二弧形壁(12)的一侧设有从内至外依次套设的第六光纤管(26)、第五光纤管(25)和第四光纤管(24)；第六光纤管(26)、第五光纤管(25)和第四光纤管(24)远离第二弧形壁(12)的一侧分别相切固定连接，且第四光纤管(24)远离第二弧形壁(12)的一侧与第一弧形壁(11)相切固定连接；在第一纤芯(a)下部设有从内至外依次套设的第九光纤管(29)、第八光纤管(28)和第七光纤管(27)；第九光纤管(29)、第八光纤管(28)和第七光纤管(27)的下侧分别相切固定连接，且第七光纤管(27)下侧与第一弧形壁(11)相切固定连接；在第二纤芯(b)上部设有从内至外依次套设的第十光纤管(31)、第十一光纤管(32)和第十二光纤管(33)；第十光纤管(31)、第十一光纤管(32)和第十二光纤管(33)的上侧分别相切固定连接，且第十二光纤管(33)上侧与第二弧形壁(12)相切固定连接；在第二纤芯(b)中部远离第一弧形壁(11)的一侧设有从内至外依次套设的第十五光纤管(36)、第十四光纤管(35)和第十三光纤管(34)；第十五光纤管(36)、第十四光纤管(35)和第十三光纤管(34)远离第一弧形壁(11)的一侧分别相切固定连接，且第十三光纤管(34)远离第一弧形壁(11)的一侧与第二弧形壁(12)相切固定连接；在第二纤芯(b)下部设有从内至外依次套设的第十八光纤管(39)、第十七光纤管(38)和第十六光纤管(37)；第十八光纤管(39)、第十七光纤管(38)和第十六光纤管(37)的下侧分别相切固定连接，且第十六光纤管(37)下侧与第二弧形壁(12)相切固定连接；设有第十九光纤管(41)分别与第三光纤管(23)、第十二光纤管(33)外侧相切固定连接，设有第二十光纤管(42)分别与第七光纤管(27)、第十六光纤管(37)外侧相切固定连接；其中，所述的第一光纤管(21)、第二光纤管(22)、第四光纤管(24)、第五光纤管(25)、第六光纤管(26)、第八光纤管(28)、第九光纤管(29)、第十光纤管(31)、第十一光纤管(32)、第十二光纤管(33)、第十四光纤管(35)、第十五光纤管(36)、第十六光纤管(37)、第十七光纤管(38)、第十八光纤管(39)、第十九光纤管(41)和第二十光纤管(42)的厚度为t1；所述的第三光纤管(23)、第七光纤管(27)和第十三光纤管(34)的厚度为t2，且t1≠t2，形成双厚度结构；所述的第三光纤管(23)、第四光纤管(24)、第七光纤管(27)、第十二光纤管(33)、第十三光纤管(34)和第十六光纤管(37)的外半径均为r1；所述的第二光纤管(22)、第五光纤管(25)、第八光纤管(28)、第十一光纤管(32)、第十四光纤管(35)和第十七光纤管(38)的外半径均为r2；所述的第一光纤管(21)、第六光纤管(26)、第九光纤管(29)、第十光纤管(31)、第十五光纤管(36)和第十八光纤管(39)的外半径均为r3；所述的第十九光纤管(41)和第二十光纤管(42)的外半径均为r4，且r4<r3；
所述的第一弧形壁(11)和第二弧形壁(12)的内半径均为r。2.根据权利要求1所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，其特征在于，所述的第一光纤管(21)、第二光纤管(22)、第三光纤管(23)、第七光纤管(27)、第八光纤管(28)、第九光纤管(29)和第一弧形壁(11)的圆心位于同一垂线上；所述的第十光纤管(31)、第十一光纤管(32)、第十二光纤管(33)、第十六光纤管(37)、第十七光纤管(38)、第十八光纤管(39)和第二弧形壁(12)的圆心位于同一垂线上；所述第四光纤管(24)、第五光纤管(25)、第六光纤管(26)、第十三光纤管(34)、第十四光纤管(35)、第十五光纤管(36)、第一弧形壁(11)和第二弧形壁(12)的圆心位于同一水平线上。3.根据权利要求1所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，其特征在于，外半径r1＝1200μm，外半径r2＝840μm，外半径r3＝588μm，外半径r4＝425.8μm。4.根据权利要求1所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，其特征在于，所述厚度t1＝90μm，厚度t2＝63μm。5.根据权利要求1所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，其特征在于，所述内半径r＝3000μm。6.根据权利要求1所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，其特征在于，所述第一弧形壁(11)和第二弧形壁(12)的厚度为500μm。7.根据权利要求1所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，其特征在于，由环烯烃共聚物制成。8.根据权利要求1所述一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，其特征在于，额定工作频率为1thz。

技术总结
本发明公开了一种太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器，针对现有技术中工作带宽小、消光比低等问题提出本方案。主要利用偏振分束器中心的两个纤芯区进行光传输并分束。其优点在于，引入双厚度结构，并利用双厚度结构产生了高双折射，从而使得使得耦合长度比很轻易达到2.0，也就很好地实现了X偏振和Y偏振的分离，最终提供了一种结构简单、大带宽、高消光比的偏振分束器。振分束器。振分束器。


技术研发人员：胡晓龙 刘明云
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/12