CN101464538A - 一种超高双折射超低限制损耗光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

一种超高双折射超低限制损耗光子晶体光纤，横断面包括纤芯和包层。包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯的均匀分布着相同结构的空气孔的***区域，所述空气孔在光纤基底材料(1)中呈周期性排列，尺寸为波长量级，每相邻的三个空气孔(2)单元构成一个正三角形。所述的纤芯由位于光纤端面中心部位的光纤基底材料(1)和疏松排列的呈矩形分布的四个小空气孔(3)共同构成。本发明通过改变纤芯结构，在一定范围内调整小空气孔(3)的椭圆率、尺寸及其矩形分布的长宽比可以引入超高的模式双折射，同时使所述光纤具有超低的限制损耗。本发明解决了现有光子晶体光纤技术中，高双折射特性、低限制损耗特性与低结构复杂度三者无法兼顾的问题。

Description

一种超高双折射超低限制损耗光子晶体光纤

所属技术领域

本发明涉及一种光子晶体波导结构，具体涉及一种具有超高双折射且超低限制损耗的光子晶体光纤。

背景技术

光子晶体光纤又称为多孔光纤或微结构光纤。在光纤端面上，规则排列的许多尺寸在波长量级的空气孔在基底材料中延轴向伸长，在光纤的中心位置缺失一个空气孔，代之以实心的光纤基底材料，或者***折射率高于基底材料的其他材料形成导光的芯，而***空气孔在基底材料中呈均匀排列形成包层，光场基本被限定在中心位置高折射率区域，这类光纤也可以认为是通过全内反射原理导光，因此又称为全内反射型光子晶体光纤。通过调节包层空气孔大小，孔间距大小、中心实体的大小、中心实体的折射率，可以使光子晶体光纤具有灵活多样的双折射、非线性、色散特性。限制损耗是光子晶体光纤的另一个重要性能参数，它用来表征光子晶体光纤局域光的能力。限制损耗越低，表明包层对于光场的束缚越强。光子晶体光纤的限制损耗与其包层结构密切相关，***空气孔的周期性分布越密集，对称性越好，则包层对光场的束缚越强，相应的限制损耗越低。

已有大量的研究证明，光子晶体光纤能够方便的提供较高的双折射，这主要得益于以下两点：第一，受空气孔的影响，光子晶体光纤的纤芯与包层的折射率差远大于传统光纤；第二，通过灵活的结构设计，在纤芯或者包层中可以方便的引入不对称性结构。目前国际上已经提出了多种高双折射光子晶体光纤，其模式双折射一般都达到了10^-3数量级，比传统保偏光纤至少高一个数量级。一些仿真计算也已经进一步表明，在包层或者纤芯中使用椭圆空气孔，可以进一步提高双折射至10^-2数量级。这些高双折射光纤在光纤通信***以及光纤传感***中有着非常广阔的应用前景。

但是，包层不对称结构在提供较高双折射的同时也降低了光子晶体光纤局域光的能力，从而带来较大的限制损耗。这种光子晶体光纤，只有当一部分光场功率扩散到包层中传播时才能获得高双折射。相比之下，在保证包层规则对称性结构不变的前提下，在纤芯中使用椭圆空气孔的不对称结构提供了一种兼顾高双折射与低限制损耗的解决方案。一种这样的结构是在芯区密布椭圆小空气孔，小直径空气孔将纤芯等效成均匀的各向异性介质，从而可以提供较高的双折射。但是这种结构要求小椭圆孔的尺寸为纳米量级，而且在几个平方微米的纤芯处需要呈周期性的规则分布，其制作难度远远超出了目前的工艺水平所能达到的极限。

本发明从方便实际制作的角度出发，提出了一种新型的在芯区使用四个呈矩形分布疏松排列的空气孔的光子晶体光纤。包层中的圆形空气孔呈周期性对称分布，对光场提供了良好的束缚。纤芯区域利用四个呈矩形分布疏松排列的空气孔形成内包层，经过结构优化，内包层结构为所述光纤引入超高的模式双折射，同时抑制了高阶模的传输，允许包层使用更大比重的空气孔而单模特性不被破坏，从而进一步降低限制损耗。本发明提出的超高双折射超低限制损耗光子晶体光纤彻底解决了传统使用包层不对称结构的高双折光子晶体光纤在实现高双折射与低限制损耗之间的矛盾，在光纤通信***以及光纤传感领域等方面有广阔的应用前景。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是通过在纤芯处少量分布椭圆或圆形空气孔，在一定范围内通过空气孔形状的非对称性和空气孔空间分布的非对称性，实现高双折射效应，从便于实际制作的角度，优化设计有关尺寸和分布，得到具有超高双折射超低限制损耗的光子晶体光纤。

本发明的目的是：解决目前的包层结构不对称的高双折射光子晶体光纤的高双折射特性与低限制损耗特性无法同时兼顾的困难，以及现有纤芯结构不对称的高双折射光子晶体光纤的结构过于复杂、难以加工实现的缺点，提供一种结构简单并容易制作的超高双折射、超低限制损耗光子晶体光纤。

技术方案

本发明的基本原理为：为实现超低损耗，光子晶体光纤利用其周期性结构的包层，将光场集中到光纤端面中心区域传输。包层结构的对称性越好，空气孔的占空比越大，对光场的束缚越强，光纤的限制损耗越低。为实现超高双折射，在纤芯区域使用少量空气孔形成新的内包层，从而可以在一定范围内通过调整空气孔的数量、形状以及空间分布达到调整模场分布的目的，最终使得两个偏振态的模场具有不同的有效折射率从而形成高双折射。

本发明提出的一种超高双折射超低限制损耗光子晶体光纤，光纤的横断面包括纤芯和包层。所述的包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯的均匀分布着相同结构空气孔的***区域，所述的空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，尺寸为波长量级，每相邻的三个空气孔单元构成一个正三角形。包层结构的空气孔直径与中心间距的比值不大于0.77，以实现覆盖通信波段的单模传输特性。所述的纤芯由位于光纤端面中心部位的光纤基底材料和疏松排列互不交叠的四个空气孔构成，所述的空气孔可以是圆形也可以是椭圆形。圆形空气孔的直径或者椭圆形空气孔的长轴直径不大于包层空气孔中心间距的0.45倍，圆形空气孔的直径或者椭圆形空气孔的短轴直径不小于300纳米以避免光场集中在空气孔中传播。四个空气孔以光纤轴心为中心呈矩形对称排列。对于使用圆形空气孔的情况，其矩形分布的长宽比必须不为1，且需尽可能大，以引入高双折射所必须的结构非对称性。所述的圆形空气孔在其矩形分布的长边和短边的方向上的中心间距不小于包层空气孔中心间距的0.55倍，以确保模场的两个偏振模式都被束缚在光纤端面的中心。对于使用椭圆空气孔的情况，高双折射所需的结构非对称性可以由空气孔本身的形状引入，其长短轴直径比值不为1，而且远离1的程度越大，越有利于形成高双折射。所述椭圆形空气孔的矩形分布的长宽比无限制，但椭圆空气孔的长轴方向须与其矩形分布的长边或者短边的方向平行。所述椭圆形空气孔在其短轴和长轴方向上的中心间距均不小于包层空气孔中心间距的0.55倍，以保证模场的两个偏振模式都被束缚在光纤端面的中心。针对本发明所提出的光子晶体光纤，在一定范围内选择不同的中心四个空气孔的椭圆率、尺寸及其矩形分布的长宽比，可使所述光子晶体光纤在一定范围内具有不同的双折射数值及限制损耗数值以满足不同的应用需求。

有益效果

本发明所述的光子晶体光纤的有益效果主要体现在：对称的周期性包层结构，将光场很好地束缚在纤芯区域，加之由纤芯部分空气孔构成的内包层对模场的进一步束缚，可以获得超低限制损耗。纤芯区域只使用四个相对大尺寸的空气孔，在引入高双折射的同时，兼顾了实际制作的方便，从而最终获得可行的超高双折射超低限制损耗的光子晶体光纤。具有制作简单、便于实现，同时双折射和损耗特性优异的特点，可以用来实现超低损耗的保偏光纤及其相关器件。

附图说明

图1是本发明一个实施例的横截面示意图，其中有：光纤基底材料1、包层中的空气孔2；纤芯处呈矩形分布的椭圆形空气孔3；

图2是图1示例的光子晶体光纤在1.55μm波长处的x偏振的模场分布图；

图3是图1示例的光子晶体光纤在1.55μm波长处的y偏振的模场分布图；

图4是本发明另一个实施例的横截面示意图，其中有：光纤基底材料1、包层中的空气孔2；纤芯处呈矩形分布的圆形空气孔3；

图5是图4示例的光子晶体光纤在1.55μm波长处的x偏振的模场分布图；

图6是图4示例的光子晶体光纤在1.55μm波长处的y偏振的模场分布图。

具体实施方式

实施例一：

参照附图1～3，一种在纤芯区域使用四个呈矩形分布的椭圆空气孔的光子晶体光纤，端面结构如图1所示，光纤的基底材料1为石英玻璃，1.55μm处折射率为1.45，包层中空气孔2按照本技术领域公知的普通光子晶体光纤通常采用的正三角形规则在基底材料1中均匀排列，每个空气孔2的直径为d＝0.8Λ，其中Λ＝2μm为相邻空气孔的中心间距。纤芯区域呈矩形分布的小空气孔横截面为椭圆形，其长轴为a＝0.4Λ，短轴为b＝0.2Λ，椭圆孔垂直方向上中心间距为Λ₁＝0.55Λ，水平方向上中心间距为Λ₂＝0.6Λ。利用配合完全匹配层的有限元法分析可得，所述光子晶体光纤在1.55μm波长处的模场分布如图2所示，其中x偏振态的有效折射率为1.311184-4.394735×10^-14i，y偏振态的有效折射率为1.331631-2.986809×10^-14i。由此进一步计算的所述光纤的模式双折射高达0.02，x和y偏振的限制损耗分别为0.0016dB/km和0.0011dB/km。

实施例二：

参照附图4～6，另一种在纤芯区域使用四个呈矩形分布的圆形空气孔的光子晶体光纤，端面结构如图3所示，光纤的基底材料1为石英玻璃，1.55μm处折射率为1.45，包层中空气孔2按照本技术领域公知的普通光子晶体光纤通常采用的正三角形规则在基底材料1中均匀排列，每个空气孔2的直径为d＝0.8Λ，其中Λ＝2μm为相邻空气孔的中心间距。纤芯区域呈矩形分布的小空气孔横截面为圆形，其直径为0.3Λ，圆形空气孔垂直方向上中心间距为Λ₁＝0.5Λ，水平方向上中心间距为Λ₂＝0.7Λ。利用配合完全匹配层的有限元法分析可得，所述光子晶体光纤在1.55μm波长处的模场分布如图2所示，其中x偏振态的有效折射率为1.321454-5.321458×10^-15i，y偏振态的有效折射率为1.332747-2.640052×10^-14i。由此进一步计算的所述光纤的模式双折射可达0.0113，x和y偏振的限制损耗分别为0.00019dB/km和0.00093dB/km。

Claims (8)

1.一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，光纤的横断面包括纤芯和包层，包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯的均匀分布着相同结构的空气孔的***区域，所述空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，其尺寸为波长量级，每相邻的三个空气孔单元构成一个正三角形，其特征在于所述的纤芯，由光纤基底材料与以光纤轴心为中心呈矩形对称分布的疏松排列的四个小空气孔共同构成，所述小空气孔的横截面为圆形或任意椭圆率的椭圆形，其中心间距不小于包层空气孔中心间距的0.55倍。

2.如权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于所述包层中空气孔的直径与中心间距的比值不大于0.77。

3.如权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于纤芯处的圆形小空气孔的直径或者椭圆形小空气孔的短轴直径不小于300纳米。

4.如权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于纤芯处的圆形小空气孔的直径或者椭圆形小空气孔的长轴直径不大于包层空气孔中心间距的0.45倍。

5.如权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于纤芯处的圆形小空气孔矩形分布的长宽比不为1，以引入高双折射所必须的结构非对称性。

6.如权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于纤芯处的椭圆形小空气孔的长轴方向须与其矩形分布的长边或者短边的方向平行。

7.如权利要求1-6所述的一种光子晶体光纤，其特征在于纤芯处的小空气孔的椭圆率、尺寸及其矩形分布的长宽比在一定范围内随意调整组合，获得不同的双折射与限制损耗。

8.如权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于光纤基底材料为石英玻璃。

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