用于耦合空芯光纤并包括耦合元件的耦合装置的制作方法

本发明涉及微结构化的耦合受抑制的空芯光纤，并且更具体地，涉及用于空芯光纤的耦合器。

背景技术：

1、光纤耦合器的目的是以最小的光学损耗将在一根光纤的芯中引导的辐射传输到另一根光纤的芯。已知通过并置两根光纤并通过各种技术(例如，抛光)将两根光纤的芯靠近一起来制作耦合器。因此，两根光纤的光学包层重叠，并且通过第一光纤传播的一些光传播到第二光纤中。制作耦合器最常见的方法是熔化每根光纤的抛光侧向截面。

2、微结构化空芯光纤可分为两个主要种类：hc-pcf-pbg光纤(hc-pcf-bg代表空芯(hollow-core)、光子晶体光纤(photonic-crystal-fiber)、光子带隙(photonicbandgap))和hc-pcf-ic光纤(hc-pcf-ic代表空芯(hollow-core)、光子晶体光纤(photonic-crystal-fiber)、抑制耦合(inhibited coupling))。当用于陀螺仪中时，这些类型的光纤具有许多优点，特别是：它们具有低损耗，并且理论上可以将光从光纤的芯传输到微结构化包层的谐振元件，或者反之亦然，从谐振元件传输到引导芯。同样，这种类型的光纤表现出具有非常特定的方位角分布和偏振依赖性的来自其芯的光泄漏。然而，目前还没有性能与使用传统实心光纤的耦合器的性能相当的耦合器。

3、正在研究hc-pcf-pbg光纤耦合器(见xu，z.等，design of single-polarizationcoupler based on dual-core photonic band-gap fiber implied in resonant fiberoptic gyro，optics communications，380，302-309，(2016))。然而，由于引导原则的原因，其生产极其复杂。具体而言，pcf-pbg光纤中的引导是由微结构化包层的结构的周期性所产生的光子带隙的存在而造成的。这里，引导发生在折射率n1低于包层的折射率的周期性缺陷(芯)中。hc-pcf-pbg光纤具有空的芯(空气的横截面，折射率n1＝1)。因此，引导不同于传统光纤或实芯pcf光纤的引导，在传统光纤或实芯pcf光纤中，光通过折射率为n1的芯和微结构化包层之间的全内反射而被在芯中引导并限制在芯中，微结构化包层具有低于n1的平均折射率n2eff。

4、因此，使用pcf-pbg光纤生产耦合器的前提是加工微结构化包层，以消除截面，而不会对包层的物理完整性或其光学特性产生不利影响。其目的是使芯处于感兴趣波长(～1微米)的数量级的距离，以使要耦合的两根空芯光纤的芯的两种模式的倏逝场重叠。具体而言，在不过度影响光纤的质量和pbg限制的情况下，很难修改微结构化包层的结构，以使两个芯足够靠近。

5、替代地，ic光纤是具有负曲率的芯壁的光纤，提供低衰减、保持偏振的能力、相对大尺寸的芯模式、芯模式和芯的二氧化硅壁之间非常小的空间重叠以及超过90％的耦合效率(参见debord，b.等人，hollow-core fiber technology:the rising of"gasphotonics"。fibers 2019，7，16。)。在hc-pcf-ic光纤中，由于芯模式和包层模式具有相同的有效折射率，因此在芯中传播的光理论上可以在包层中传播。然而，这些光纤中芯模式的限制和引导是基于芯模式和包层模式的耦合之间的抑制，这种抑制是通过微结构化包层的结构和芯的轮廓的结构获得的。换言之，芯模式的电场|φcore>和包层模式的电场|φcladding>之间的标量积非常小。描述这两种模式之间的耦合的术语可以通过在场|φcore>和|φcladding>之间实现小的空间交叉而被降低，或者通过在芯和包层模式的横向空间相位之间实现大的偏移而被降低。由于这种限制仅存在于某些波长范围内，因此在折射率色散曲线中以及因此在传输曲线中观察到了不连续性。

6、图1a示出了对于现有技术中已知并且在图1b中示出的典型hc-pcf-ic光纤的传播损耗作为波长的函数的曲线。这种光纤被称为具有hc-pcf-ic-sr-tl结构，因为微结构化包层gms包括多个管状特征(tl代表管状晶格)，这些管状特征典型地由二氧化硅制成，围绕空的芯c布置成单个环(sr代表单个环)。在所示的示例中，管状特征的壁厚度等于2μm。如上所述，在图1a中可以看到传播损耗曲线中的不连续性。可以看出，包括在范围zcf中的波长具有非常低的损耗，这是因为在场|φcore>和|φcladding>之间存在小的空间交叉，或者在芯和包层模式的横向空间相位之间存在大的偏移。因此，包括在该范围zcf中的波长可以在芯c内被引导长的距离。图1a的曲线示出了可以由图1b的光纤引导的波长λ0的一个示例。相反，包括在范围zcp中的波长具有高得多的损耗，因为在包层模式和芯模式之间存在实质性的耦合，并且因此它们不能被有效地引导。

7、已知具有这种类型的微结构化包层的光纤具有特定的泄漏场，该泄漏场取决于微结构化包层的结构。耦合两根hc-pcf-ic光纤需要使它们足够靠近一起，并且需要调节它们各自的方位角取向，使得光纤的泄漏场在耦合器中重叠。更精确地说，耦合机制是基于从一根光纤“到”另一根光纤的泄漏，并且反之亦然。当制作耦合器时，操作波长的选择是泄漏场的强度(并且因此耦合效率)和传播损耗之间的折衷。

8、从文献cn108549128a中已知生产基于两根ic-hc光纤的耦合器，这两个芯被空截面分开。该空截面是通过抛光外部包层和微结构化包层而获得的。它形成主泄漏通道，当每根光纤的各自的泄漏通道之间存在重叠时，允许由一根光纤引导的辐射耦合到另一根光纤。然而，关键的是，该实施例要求芯之间的距离(或间隙距离)小于波长，以确保两根光纤的主泄漏通道之间有足够的重叠，并从而允许有效耦合。如果两个芯之间的距离太大，则通过调节两根光纤的方位角取向能够获得的泄漏场之间的最大重叠将大大减小，耦合效率也将大大减小。相反，获得尽可能最小的间隙距离需要对两根光纤的微结构化包层的大截面进行抛光，这有可能大大降低耦合器中光纤的性能。此外，间隙距离也受到包围微结构化包层的外部包层的限制。因此，在实践中，不可能将间隙距离减小到超过某个值。因此，该装置的耦合效率受到这些限制因素的限制。

9、本发明旨在通过ic-hc光纤耦合器克服现有技术中的某些上述问题，该ic-hc光纤耦合器具有布置在每根光纤的芯之间的耦合元件，该耦合元件具有被配置为产生泄漏通道的位置、材料和几何形状，该泄漏通道允许由一根光纤引导的辐射耦合到另一根光纤。

技术实现思路

1、为此，本发明的一个主题是一种用于耦合光纤的装置，包括：

2、-第一耦合受抑制的空芯光纤，包括第一微结构化包层，所述第一微结构化包层包括多个第一限制管状特征，所述多个第一限制管状特征分布成环并且至少部分地包围第一芯，以便至少将波长λop的辐射限制于所述第一芯，

3、-第二耦合受抑制的空芯光纤，包括第二微结构化包层，所述第二微结构化包层包括多个第二限制管状特征，所述多个第二限制管状特征分布成环并且至少部分地包围第二芯，以便将所述光辐射限制于所述第二芯，

4、-耦合元件，布置在所述第一芯和所述第二芯之间，所述耦合元件包括至少一个耦合管状特征，所述至少一个耦合管状特征至少部分地包括在所述第一微结构化包层和/或所述第二微结构化包层中，并具有被称为耦合厚度的壁厚度tcp和被称为耦合折射率的材料折射率ncp，

5、所述耦合元件的布置、所述耦合厚度tcp以及所述耦合折射率np被配置为以便在所述波长λop处产生泄漏通道，所述泄漏通道允许由所述第一光纤引导的辐射耦合到所述第二光纤和/或由所述第二光纤引导的辐射耦合到所述第一光纤。

6、根据本发明的一个实施例，每个耦合管状特征i∈[1,n]具有耦合厚度tcp,i和耦合折射率ncp,i，使得其中，

7、根据本发明的一个实施例，所述耦合管状特征布置为使得耦合管状特征的中心与相邻耦合管状特征之间的距离d12小于所述波长λop。

8、根据本发明的一个实施例，所述耦合元件至少包括第一耦合管状特征和第二耦合管状特征。优选地，在该实施例中，所述多个第一限制管状特征和所述多个第二限制管状特征分别部分地包围所述第一芯和所述第二芯，所述第一耦合管状特征布置在所述第一光纤内，面对所述第一芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段，所述第二耦合管状特征布置在所述第二光纤内，面对所述第二芯的未被所述多个第二限制管状特征包围的区段，所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征布置成彼此面对。

9、根据本发明的另一个实施例，所述多个第一限制管状特征和所述多个第二限制管状特征分别完全包围所述第一芯和所述第二芯，所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征分别嵌套在所述第一限制管状特征和所述第二限制管状特征之一中，并且所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征布置成彼此面对。

10、根据本发明的另一个实施例，所述第一耦合管状特征布置在所述第一光纤内，面对所述第一芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段，并且，所述多个第二限制管状特征完全包围所述第二芯，所述第二耦合管状特征嵌套在所述第二限制管状特征之一中，并布置成与所述第一耦合管状特征相对。

11、根据本发明的一个实施例，所述耦合元件包括形成所述耦合管状特征之一的至少一个附加管状特征，所述至少一个附加管状特征布置在所述第一耦合管状特征和所述第二耦合管状特征之间。

12、根据本发明的另一个实施例，所述耦合元件包括单个耦合管状特征。优选地，在该实施例中，所述耦合管状特征布置成面对所述第一芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段并面对所述第二芯的未被所述多个第一限制管状特征包围的区段，所述管状特征基本上放置在所述区段之间。替代地，所述多个第一限制管状特征完全包围所述第一芯，并且所述多个第二限制管状特征部分地包围所述第二芯，所述耦合管状特征布置在所述第二光纤内，面对所述第二芯的未被所述多个第二限制管状特征包围的区段，所述装置内的所述第一光纤和所述第二光纤的方位角取向被配置为使所述泄漏通道与所述第一微结构化包层的泄漏轮廓的重叠最大化。

13、根据本发明的一个实施例，一个或多个所述耦合厚度tcp以及一个或多个所述耦合折射率ncp被配置为使得通过激励与由所述第一光纤引导的所述辐射的空间模式不同的空间模式，将所述辐射从所述第一光纤引导到所述第二光纤。