螺旋結構光纖光柵偏振特性研究

秦玉珍，黃 俞（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，430000）

螺旋結構光纖光柵偏振特性研究

秦玉珍，黃 俞
（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，430000）

螺旋光纖光柵首次由Kopp等人提出，實驗和理論均已證明雙螺旋具有偏振敏感性而單螺旋不具有偏振敏感性。本文運用FDTD方法模擬了與Kopp等人不同截面形狀的短周期單螺旋和雙螺旋光纖光柵，并且提出和模擬了新的多螺旋光纖光柵——三螺旋和四螺旋光纖光柵。模擬結果表明，單螺旋和四螺旋不具有偏振敏感性，而雙螺旋和三螺旋具有偏振敏感性，單螺旋和雙螺旋的結果證實與Kopp等人的結果一致。同時，為了總結偏振敏感性變化規律，我們對雙螺旋參數進行了討論。最后，運用耦合模式理論對模擬結果進行了系統的解釋。

光纖光柵 ；螺旋；偏振敏感性；耦合模式理論

0　引言

2001年，Kopp等人提出一種新型的具有偏振敏感性的螺旋光纖光柵。這種光柵在傳感器、偏振器和濾波器等方面具有潛在應用。螺旋結構可以與之旋向相同的圓偏振光發生作用，與之旋向相反的圓偏振光則毫無影響的通過。螺旋光纖光柵是通過在高溫爐里面扭曲特制的非圓芯光纖或者離心光纖制作而成的。當扭轉非圓心光纖時得到雙螺旋，扭轉離心光纖時得到單螺旋。Kopp和錢景仁等已經通過實驗和理論證明，雙螺旋具有偏振敏感性而單螺旋不具有偏振敏感性。2012年，錢景仁等提出四螺旋與傳統光柵一樣沒有偏振選擇性。

在本文中，我們用FDTD（finite difference time domain）方法建立與Kopp等人的螺旋光柵截面形狀不同的單螺旋和雙螺旋，并且提出和模擬了新的多螺旋光纖光柵——三螺旋和四螺旋光纖光柵。同時，為了總結雙螺旋參數變化對偏振敏感性變化規律影響，我們對雙螺旋各個參數進行了討論。

1　模型建立

以左手旋轉雙螺旋為例，建立螺旋光纖光柵的模型，如圖1所示。以一定速率扭轉如圖1中所示截面形狀的芯層的光纖而得到的。我們用、p、D和N代表螺旋周期、節距和原始光纖直徑和螺旋周期數；為扭轉速率，為正，表示螺旋光纖光柵為右旋，反之則為左旋。螺旋周期、扭轉速率和螺旋節距滿足如下關系

圖1　雙螺旋模型圖，插圖為雙螺旋截面圖Fig.1 Simulation model of double-helix， the insert shows the cross section of double-helix

模擬時，左旋圓偏光和右旋圓偏光被用來作為激勵源。定義左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的傳輸透過譜為LCP和RCP，二者比值為消光比EX：EX=LCP/RCP （3）

2　模擬結果

2.1單螺旋至四螺旋的偏振敏感特性模擬結果

圖2（a）、2（b）、2（c）和2（d）分別表示單螺旋至四螺旋的模擬結果。由圖2（a）和圖2（d）可知，單螺旋和四螺旋的左旋和右旋圓偏振光的傳輸透過譜幾乎在同一波長形成一個深度基本相同的凹陷，這就導致LCP/RCP幾乎為1。因此，單螺旋和四螺旋不具有偏振敏感性。圖2（b）和圖2（c）可以看出，只有與雙螺旋和三螺旋結構旋向相同的左旋圓偏振光透過譜產生了凹陷，而右旋圓偏振光則沒有影響的通過，因此消光比也出現了相應的凹陷。這就表明雙螺旋和三螺旋具有偏振敏感性。之前，Kopp等人分析了橢圓截面形狀和矩形截面形狀的雙螺旋和偏心單螺旋光纖光柵，錢景仁等分析了應力光纖扭轉而成的單、雙螺旋光纖光柵。雖然我們單螺旋和雙螺旋光纖光柵截面形狀與Kopp、錢景仁等人的不同，但是結果卻與他們的一致。

圖2　單到四螺旋傳輸透過譜和消光比圖Fig.2 Transmission spectrum and LCP/RCP of single- 、double-、triple- and quadruple-helix

圖3　不同參數的影響。（a）不同周期的左、右旋透過譜比值；（b）不同周期數左、右旋透過譜比值；（c）不同直徑的左、右旋透過譜比值Fig.3 Influence of different parameters. （a） LCP/ RCP of different periods； （b） LCP/RCP of different period numbers； （c） LCP/RCP of different diameters

2.2雙螺旋光纖光柵結構參數對偏振特性的影響

為了考察雙螺旋參數變化對偏振敏感性變化規律的影響，我們探討了雙螺旋結構的、N和D對消光比的影響。具體分為如下三種情況：（1）的影響：保持N=2×130，D=1.3μm不變，改變大小分別為0.66μm、0.625μm和0.62μm，模擬結果如圖3（a）所示；（2） N的影響：保持=0.625μm，D=1.3μm不變，分別改變N為2×100、2×130和2×160，如圖3（b）所示；（3） D的影響：保持 =0.625μm，N=2×130不變，分別改變D為1.36μm、1.3μm、1.24μm， 如圖3（c）所示。

表1　參數變化對結果影響Table1 Influence of the parameters

表中↑表示變大，↓表示變小，——表示不變

3　總結

本文運用FDTD方法建立了單螺旋、雙螺旋、三螺旋和四螺旋光纖光柵模型，并進行了系統的模擬。結果表明，單螺旋和四螺旋不具有偏振敏感性，而雙螺旋和三螺旋具有偏振敏感性。同時，我們對雙螺旋的結構參數進行了討論，討論結果表明，結構參數的改變只會改變有偏振敏感性而引起的凹陷波長位置和凹陷深度

大小。

［1］ Victor I. Kopp. Chiral Fiber Gratings［J］. Science， 2004， 305 （74）

［2］ Victor M. Churikov， Victor I. Kopp and A. Z. Genack. Dualtwist fiber long period gratings［J］. SPIE， 2009， 7212，72120H-1～72120H-8

［3］ Dan Neugroschl， Victor I. Kopp， Jonathan Singer. “Vanishing-core” tapered coupler for interconnect applications ［J］. SPIE， 2009， 7221，72210G-1～72210G-8

［4］ Gennady Shvets， Simeon Trendafilov， Victor I Kopp. Polarization properties of chiral fiber Gratings ［J］. J. Opt. A： Pure Appl. Opt. 2009， 11

［5］ Jing-Ren Qian， Jue Su， Lin-Lin Xue. Coupled-mode analysis for chiral fiber long-period gratings using local mode approach［J］. IEEE ，2012，48（1）

［6］ Victor I. Kopp and Azriel Z. Genack. Double-helix chiral fibers［J］. Optical Letters， 2003， 28（20）

Study of polarization property of multiple helixes

Qin Yuzhen，Huang Yu
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of Patent Office， SIPO，430000）

Chiral fiber grating with unique polarization sensitivity was first proposed by Victor I. Kopp et al.It has been demonstrated experimentally and theoretically that double-helix is polarization sensitive while single-helix is not. In this study， we simulate short period single-helix and double-helix using the FDTD method and propose chiral fiber gratings with multi-helical symmetry—triple-helix and quadruplehelix.The results indicate that double-helix and triple-helix are polarization sensitive while the singlehelix and quadruple-helix are not.Meanwhile，the parameters of double-helix are discussed to summarize the pattern of polarization sensitivity.At last coupled mode theory is used to explain the results systematically.

fiber grating；multi-helix；polarization sensitive；coupled mode theory

注：本文第二作者（黃俞）對文章貢獻等同第一作者。