螺旋结构光纤光栅偏振特性研究

秦玉珍，黄 俞（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，430000）

螺旋结构光纤光栅偏振特性研究

秦玉珍，黄 俞
（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，430000）

螺旋光纤光栅首次由Kopp等人提出，实验和理论均已证明双螺旋具有偏振敏感性而单螺旋不具有偏振敏感性。本文运用FDTD方法模拟了与Kopp等人不同截面形状的短周期单螺旋和双螺旋光纤光栅，并且提出和模拟了新的多螺旋光纤光栅——三螺旋和四螺旋光纤光栅。模拟结果表明，单螺旋和四螺旋不具有偏振敏感性，而双螺旋和三螺旋具有偏振敏感性，单螺旋和双螺旋的结果证实与Kopp等人的结果一致。同时，为了总结偏振敏感性变化规律，我们对双螺旋参数进行了讨论。最后，运用耦合模式理论对模拟结果进行了系统的解释。

光纤光栅 ；螺旋；偏振敏感性；耦合模式理论

0　引言

2001年，Kopp等人提出一种新型的具有偏振敏感性的螺旋光纤光栅。这种光栅在传感器、偏振器和滤波器等方面具有潜在应用。螺旋结构可以与之旋向相同的圆偏振光发生作用，与之旋向相反的圆偏振光则毫无影响的通过。螺旋光纤光栅是通过在高温炉里面扭曲特制的非圆芯光纤或者离心光纤制作而成的。当扭转非圆心光纤时得到双螺旋，扭转离心光纤时得到单螺旋。Kopp和钱景仁等已经通过实验和理论证明，双螺旋具有偏振敏感性而单螺旋不具有偏振敏感性。2012年，钱景仁等提出四螺旋与传统光栅一样没有偏振选择性。

在本文中，我们用FDTD（finite difference time domain）方法建立与Kopp等人的螺旋光栅截面形状不同的单螺旋和双螺旋，并且提出和模拟了新的多螺旋光纤光栅——三螺旋和四螺旋光纤光栅。同时，为了总结双螺旋参数变化对偏振敏感性变化规律影响，我们对双螺旋各个参数进行了讨论。

1　模型建立

以左手旋转双螺旋为例，建立螺旋光纤光栅的模型，如图1所示。以一定速率扭转如图1中所示截面形状的芯层的光纤而得到的。我们用、p、D和N代表螺旋周期、节距和原始光纤直径和螺旋周期数；为扭转速率，为正，表示螺旋光纤光栅为右旋，反之则为左旋。螺旋周期、扭转速率和螺旋节距满足如下关系

图1　双螺旋模型图，插图为双螺旋截面图Fig.1 Simulation model of double-helix， the insert shows the cross section of double-helix

模拟时，左旋圆偏光和右旋圆偏光被用来作为激励源。定义左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的传输透过谱为LCP和RCP，二者比值为消光比EX：EX=LCP/RCP （3）

2　模拟结果

2.1单螺旋至四螺旋的偏振敏感特性模拟结果

图2（a）、2（b）、2（c）和2（d）分别表示单螺旋至四螺旋的模拟结果。由图2（a）和图2（d）可知，单螺旋和四螺旋的左旋和右旋圆偏振光的传输透过谱几乎在同一波长形成一个深度基本相同的凹陷，这就导致LCP/RCP几乎为1。因此，单螺旋和四螺旋不具有偏振敏感性。图2（b）和图2（c）可以看出，只有与双螺旋和三螺旋结构旋向相同的左旋圆偏振光透过谱产生了凹陷，而右旋圆偏振光则没有影响的通过，因此消光比也出现了相应的凹陷。这就表明双螺旋和三螺旋具有偏振敏感性。之前，Kopp等人分析了椭圆截面形状和矩形截面形状的双螺旋和偏心单螺旋光纤光栅，钱景仁等分析了应力光纤扭转而成的单、双螺旋光纤光栅。虽然我们单螺旋和双螺旋光纤光栅截面形状与Kopp、钱景仁等人的不同，但是结果却与他们的一致。

图2　单到四螺旋传输透过谱和消光比图Fig.2 Transmission spectrum and LCP/RCP of single- 、double-、triple- and quadruple-helix

图3　不同参数的影响。（a）不同周期的左、右旋透过谱比值；（b）不同周期数左、右旋透过谱比值；（c）不同直径的左、右旋透过谱比值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双螺旋光纤光栅结构参数对偏振特性的影响

为了考察双螺旋参数变化对偏振敏感性变化规律的影响，我们探讨了双螺旋结构的、N和D对消光比的影响。具体分为如下三种情况：（1）的影响：保持N=2×130，D=1.3µm不变，改变大小分别为0.66µm、0.625µm和0.62µm，模拟结果如图3（a）所示；（2） N的影响：保持=0.625µm，D=1.3µm不变，分别改变N为2×100、2×130和2×160，如图3（b）所示；（3） D的影响：保持 =0.625µm，N=2×130不变，分别改变D为1.36µm、1.3µm、1.24µm， 如图3（c）所示。

表1　参数变化对结果影响Table1 Influence of the parameters

表中↑表示变大，↓表示变小，——表示不变

3　总结

本文运用FDTD方法建立了单螺旋、双螺旋、三螺旋和四螺旋光纤光栅模型，并进行了系统的模拟。结果表明，单螺旋和四螺旋不具有偏振敏感性，而双螺旋和三螺旋具有偏振敏感性。同时，我们对双螺旋的结构参数进行了讨论，讨论结果表明，结构参数的改变只会改变有偏振敏感性而引起的凹陷波长位置和凹陷深度

大小。

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［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（黄俞）对文章贡献等同第一作者。