CN101713843A - 具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,它包括芯区和包层区,光纤包层区的背景材料具有一定的折射率n0,高掺杂材料折射率为n2的基本单元分布在包层的规则网格结点上,每个基本单元的高掺杂区周围包裹着至少一层低折射率n1的环带形区域,且,,光纤的芯区的中心位于光纤端面的中心,并沿光纤长度方向延伸;光纤芯区的形状是非圆对称的,并具备轴对称特点,对称轴过芯区中心。所述芯区的结构由光纤正中心的基本单元和以正中心的基本单元为中心对称分布的两个或四个基本单元组成。本发明的全固光子带隙光纤既具备低的限制损耗、弯曲损耗,又具备偏振保持的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有低传输损耗的具有偏振保持能力的全固光子带隙光纤,属于光波导领域。
技术背景
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)又被称为微结构光纤(Microstructure Optical Fiber,MOF)或多孔光纤(Holey Fiber,HF),是一种近十余年来引起全世界相关领域科技工作者广泛关注和研究的新型光纤[J.C.Knight,et al.Opt.Lett.,21(1996)p.1547.;Errata,Opt.Lett.22(1997)p.484;Philip Russell,Science,17 Jan 2003,Vol 299],其横截面上有较复杂的折射率分布,通常这类光纤的包层区含有一种或几种按一定形式排列的贯穿整根光纤的气孔,这些气孔的尺度与光纤传输所使用波长大致在同一数量级,光波被限制在其芯区传播。根据导光机制的不同,光子晶体光纤可以分为两大类[J.C.Knight,et al.Science,2002,296(5566),p276]:全内反射导光型(Total InternalReflection,TIR)和光子带隙导光型(Photonic Band Gap,PBG)。
近年来的研究[F.Luan et al.Opt.Lett.29(2004)p2369;A.Argyros,et al.,Opt.Exp.,Vol.13,No.7,pp.2503(2005);G.Ren,et al.,IEEE Ph.Tech.Le.,Vol.18,No.24,pp.2560(2006);G.Ren,et al.,Opt.Let.,Vol.32,No.9,pp.1023(2007)]发现在全固体的光纤中不仅能实现光子带隙型导光的机制,而且能设计制作出传输损耗非常小(小于2dB/km)、边带消光比很大的此类特殊光纤,这就是全固光子带隙光纤(All-solid Photonic Band-gap Fiber)。在该类光纤的横截面上,在低的折射率背景材料上规则地排列着高掺杂的掺杂单元,称为基本单元,该基本单元内除了高掺杂的材料,也可以辅以低折射率材料等。这种光纤的芯区由缺失一个或多个基本单元形成。相对空芯的光子带隙光纤,这种全固光子带隙光纤不仅拥有光子带隙型光纤的特征传输谱,而且还能方便地对其带隙位置进行设计和移动,更为重要的它还是全固体的结构。因此此类光纤可以很方便地应用于光子技术领域的各类光器件,如芯区进行稀土掺杂而应用于光纤激光器和放大器,另外滤波、高功率传输、光纤光栅等领域亦有重要应用。在实际使用中,相对于带有空气孔的光纤而言,该类光纤在光纤熔接,连接头打磨加工等工序将十分简便。
专利CN1945363A描述了一种低损耗限制损耗和弯曲损耗的全固体带隙光纤,光纤不但具备带隙型的传输谱特征,而且把一阶带隙移到了1550nm波段,并实现了较低的传输损耗。但是该专利提到的光纤不具备偏振保持性能。
美国专利US7349611B2描述了一种全固体的光子带隙光纤,光纤端面上按设定的方式排列着一系列高折射率掺杂区,这些高掺杂区把芯区围在中间。芯区一般为纯硅材料,也可以以一定的剖面设计进行少量高掺杂。其它光纤端面的任何区域均为背景材料,一般为纯二氧化硅材料。这种设计可以实现光子带隙特征的传输特性,但是由于周期性的掺杂基本单元只是高折射率材料,这使得他们在轻微的弯曲状态下,带隙也就很容易受到干扰,甚至不复存在;另外带隙的宽度也很有限。
美国公开专利US20090168149A1描述了一种芯区掺杂稀土元素的双包层光纤,光纤的外包层为空气包层,即用一圈空气填充率很高的气孔围成一圈作为包层,或者对包层的掺杂单元的折射率、排列方式进行不同的布置以达到不同的功能。对芯区可采用不同的形状以及折射率剖面的设计,并进行稀土离子的掺杂,最终利用光子带隙效应实现对激光波长实现选择性抑致。这里提到的光纤不是全固体结构的,为了优化光纤的弯曲性能,以及实现包层泵浦的波导结构,设计上在光纤端面上加入一圈空气孔作为限制包层泵浦光的包层。
保偏光纤在光通信、光信号检测和处理等领域有很多重要应用。最初主要应用于光纤传感,之后在光纤放大器、激光器,特别是以光纤陀螺仪为代表的惯性制导领域获得了广泛的应用。近年来随着光纤技术的发展,人们不断地将光子晶体光纤技术应用到各个光纤技术层面,利用光子晶体光纤的概念和设计方法、制作方法进行了系列特种功能光纤的设计制作,例如保偏型的光子晶体光纤。最初报道(Opt.Lett.25(18)1325~1327,2000)了拍长为0.4mm的石英系保偏光子晶体光纤。这种包含大量空气孔的光子晶体光纤可以达到很高的双折射,但是实际使用起来的却有着诸多不便,这是由于其端面上大量存在的空气孔的存在导致光纤端面容易受到污染,这使得该类光纤的测试、应用当中比较困难,对耦合技术的要求很高。
如果利用全固光子带隙光纤的设计方法进行保偏光纤的设计制作,将从根本上解决以上问题。最终的保偏光子晶体光纤(也就是保偏全固光子带隙光纤)可以如同普通光纤那样的全固体结构方便实际使用,同时也可以利用光子晶体光纤设计带来的光子带隙效应限制光波于光纤的芯区,可以使得光纤的传输谱呈现带状的通带结构,即光纤可低损耗传导的光波段在电磁波谱上呈现不连续的分布,满足实际应用的特殊要求。同时,本发明为开发全固体的保偏光子带隙光纤提供了一个新的思路。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,通过对包层光子带隙的设计和芯区的设计,使得光纤既具备低的限制损耗、弯曲损耗,又具备偏振保持的性能。
本发明基于独特的包层周期性单元高掺杂单元周围引入折射率下陷的设计有效的改善了光纤的弯曲性能,从而有效降低了光纤的衰减;全固体化的结构保证该光纤在实际使用过程中简便性。
本发明分别采用形状双折射和应力双折射的方式对该光子带隙光纤的结构进行设计,并分别阐述这两种设计的优势。采用形状双折射的设计的光纤特点可以归纳为以下两点:1、可以实现纯硅芯的保偏结构,以利于所述光纤抗辐射性能和温度稳定性的提高。2、易于制作,应力掺杂单元通常制造难度较高,对于其应用到光子带隙光纤中,需要事先制作好应力预制棒,并把应力预制棒拉制为直径细小的丝状细棒,而应力预制棒由于内部存在较大应力,所以极易破损、爆裂,因此这些工艺处理环节需要很高的拉制技术水平,同时对光子晶体预制棒的制作也提出了很高要求。应力双折射的设计的光纤好处可归纳为:1、易获得较高的双折射,并且该双折射随波长变化较小。2、易获得较大的模场面积。
本发明的技术方案实现方式:
具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,它包括芯区和包层区,光纤包层区的背景材料具有一定的折射率n0,高掺杂材料折射率为n2的基本单元分布在包层的规则网格结点上,构成以芯区中心为中心的周期性排布方式,每个基本单元的高掺杂区周围包裹着至少一层低折射率n1的环带形区域,且 其特征是:光纤的芯区的中心位于光纤端面的中心,并沿光纤长度方向延伸;光纤芯区的形状是非圆对称的,并具备轴对称特点,对称轴过芯区中心,所述芯区的结构由光纤正中心的基本单元和以正中心的基本单元为中心对称分布的两个或四个基本单元组成。
所述芯区的材料为固体,并具有一定的折射率分布,或者为均匀材料。
所述芯区的结构构成如下:光纤正中心的基本单元和以正中心的基本单元为中心对称分布的两个基本单元被背景材料、掺氟玻璃材料或者稀土掺杂材料替代而形成。
所述芯区的结构如下:光纤正中心的一个基本单元被背景材料、掺氟玻璃材料或者稀土掺杂材料替代而形成;以正中心的基本单元对称分布的两个基本单元被应力掺杂材料替代而成。
所述芯区的结构如下:光纤正中心和以正中心的基本单元为中心对称分布的四个基本单元被背景材料、掺氟玻璃材料或者稀土掺杂材料替代而形成。
光纤正中心一个基本单元被背景材料、掺氟玻璃材料或者稀土掺杂材料替代而形成;以正中心的基本单元为中心对称分布的四个基本单元被应力掺杂材料替代而形成。
所述的包层基本单元,也称为掺杂单元,其中心位于正六边形网格的结点上,构成以芯区中心为中心的周期性排布方式;该基本单元组成为:基本单元的中心区域为高折射率掺杂的圆形区域;该高折射率掺杂区域的周围包括着低折射率掺杂的环带型区域;以及包裹圆形区域和环带型区域的正六边形区域,该六边形的中心即是高掺杂区域的中心,该六边形的大小满足和其它一系列相同的基本单元密排光纤端面微结构区域的形态。
所述包层基本单元形成的正六边形的圈数为三圈以上,优选3~8圈,更优选5~8圈。
所述包层基本单元的高掺杂材料中心周围,至少包裹着一圈折射率小于背景材料折射率的材料。
合理设计包层的基本单元的尺寸和折射率分布,可以使得该包层对于某些波段的光禁止,即形成了光子禁带效应。由于光纤芯区是有别于包层基本单元的材料,所以光纤芯区将对被包层禁止的光透明,从而现实了把光限制在芯区进行纵向传输的目的。
为保证所述光子带隙光纤在200nm~1800nm波段通光时光纤玻璃包层直径不大于400微米,背景材料折射率n0、高掺杂区材料折射率n2,需要满足
为保证所述光子带隙光纤在通讯窗口通光时低阶带隙的限制损耗和弯曲损耗都较低,背景材料折射率n0、高掺杂区周围包裹的低折射率材料n1之间,需要满足
为保证所述光子带隙光纤在通讯窗口通光时低阶带隙的限制损耗和弯曲损耗都较低,所述光纤包层的基本单元中,高掺杂区直径dh、高掺杂区周围包裹的低掺杂区直径d1、光纤节距Λ即最近临两个基本单元中心之距,这三者之间需满足并且
由于包层基本单元的周期性排布方式已经确定、基本单元的掺杂浓度、基本单元的掺杂区域大小确定之后,这样的周期性排布方式所组成的晶格结构的光子能带结构就被决定了。为保证所述光子带隙光纤具备一定的偏振保持性能,针对所述光子带隙光纤的芯区形状及其折射率分布进行特别设计。光纤芯区被设计成结构的对称性破缺或者应力的对称性破缺的形式,从而使得光能被按光纤芯区形状的方式分配或者由于光弹效应而产生基模两个简并模式的***,产生高的双折射。使得光纤产生较高双折射的原因有两种,一是形状双折射,一是应力双折射。前者由光纤芯区结构的圆对称性破缺而产生,后者由引入光纤的热膨胀系数较大的材料即应力单元引起。
本发明中的高折射率材料一般为掺杂二氧化锗的石英玻璃,低折射率材料一般为掺杂氟元素的石英玻璃。本发明的制备方法可以分为三步:
第一步,制作设计要求的掺杂预制棒:该预制棒的折射率剖面对应所述光子带隙光纤包层区域基本单元的折射率剖面,把制作的掺杂预制棒拉制为要求的较细尺寸,一般拉制为直径在0.5mm~3mm的细丝;同时准备好直径相同和相异的纯石英玻璃丝19-35支,用于预制棒制作过程的间隙填充以及芯区的构成;
第二步,以密堆积的方式排布上述拉制的细掺杂玻璃丝形成捆状物,并套入一个特定尺寸的套管,然后用掺杂材料或背景材料制成的细丝对芯区进行替换、用背景材料制作的细丝对所使用的套管内壁与细丝捆状物间的间隙进行填充并加固,最终形成所述光子带隙光纤的预制棒;
第三步,在一个普通光纤的拉丝塔上,设定合适的拉丝条件将上述预制棒拉丝制成本发明的光纤。
本发明的光纤可以应用于需要偏振光传输的领域,例如光纤陀螺仪,干涉计等;芯区进行稀土掺杂后可应用作为光纤放大器、光纤激光器的增益介质;相比较与带有空气孔的光子晶体光纤而言,本发明所述的光纤在与普通通信光纤、普通光纤跳线之间的熔接更为简便可靠,光纤的机械性能更加优异。本发明采用的基于专利CN1945363A,并对包层基本单元的折射率下陷包层的掺杂深度、宽度,以及高掺杂材料的掺杂浓度、宽度都做了进一步的改进,对其具体取值范围做了更为具体的限制。这些改进使得所述光子带隙光纤在低阶带隙的传输损耗传输损耗相比专利CN1945363A又降低了一个数量级,达到低于1dB/km的量级。当然相比与专利CN1945363A,本发明更主要的特点在于其具有偏振保持特性。
附图说明
图1是本发明的三芯结构(三个基本单元被替代形成芯区)光纤结构示意图。
图2是本发明中心掺氟的三芯结构(三个基本单元被替代形成芯区)光纤结构示意图。
图3是图1的模场分布图。
图4是图1结构光纤的光子带隙图及其导模。
图5是图1结构光纤在第一带隙内的双折射随归一化波长的关系。
图6是图2的模场分布图。
图7是图2结构光纤的光子带隙图及其导模。
图8是图2结构光纤在第一带隙内的双折射随归一化波长的关系。
具体实施方式
下面结合附图具体描述本发明的内容。
采用全矢量二维的频域有限差分(FDFD)的方法(Shangping Guo,FengWu,Sacharia Albin,Hsiang Tai,and Robert Rogowski,″Loss anddispersion analysis of microstructured fibers by finite-differencemethod,″Opt.Express 12,3341-3352(2004))计算了全固光子带隙光纤的带隙图及其导模。
下面通过实施例为本发明做进一步的阐述,其目的在于方便于更好地理解本发明的内容。因此,所举之例并不限制本发明的保护范围。
实施例一:
图1是本发明三芯结构保偏全固光子带隙光纤的横截面结构示意图。该结构包括了芯区和包层区。芯区的结构是这样构成的:光纤正中心11及其两边对称的两个基本单元(12和13)共计三个基本单元被背景材料替代而形成,因此芯区具有均匀的一种材料组成,即背景材料,折射率为n0,一般为高纯的二氧化硅。光纤的包层区由包层基本单元也称为掺杂单元组成,其中心位于正六边形网格的结点上,构成以芯区中心为中心的周期性排布方式,如图1所示。该基本单元的中心区域为高折射率n2的圆形区域;该高折射率掺杂区域的周围包裹着低折射率n1的环带型区域。
所述包层基本单元形成的正六边形的圈数为5圈。
上述材料折射率之间的关系为:高掺杂材料折射率n2>背景材料折射率n0>环带型区材料折射率n1。
为保证所述光子带隙光纤在200nm~1800nm波段通光时光纤玻璃包层直径接近125微米,背景材料折射率n0、高掺杂区材料折射率n2之间,需要满足
为保证所述光子带隙光纤在通讯窗口通光时低阶带隙的限制损耗和弯曲损耗都较低,背景材料折射率n0、高掺杂区周围包裹的低折射率材料n1之间,需要满足
为保证所述光子带隙光纤在通讯窗口通光时低阶带隙的限制损耗和弯曲损耗都较低,所述光纤包层的基本单元中,高掺杂区直径dh、高掺杂区周围包裹的低掺杂区直径d1、光纤节距Λ即最近临两个基本单元中心距离,这三者之间需满足并且
本发明中的高掺杂材料为二氧化锗掺杂的石英玻璃,低折射率材料为掺杂氟元素的石英玻璃。本发明的制备方法如下:
第一步,制作设计要求的掺杂预制棒:该预制棒的折射率剖面对应所述光子带隙光纤包层区域基本单元的折射率剖面,把制作的掺杂预制棒拉制为直径相同大小在1mm~1.5mm范围的细丝;同时准备好直径相同和相异的纯石英玻璃丝19~35支,用于预制棒制作过程的间隙填充以及芯区的构成;
第二步,以密堆积的方式排布上述拉制的细掺杂玻璃丝形成捆状物,并套入一个外径30mm内径21mm的套管,然后用背景材料制成的细丝对芯区进行替换、以及用背景材料制作的细丝对所使用的套管内壁与细丝捆状物间的间隙进行填充并加固,最终形成所述光子带隙光纤的预制棒;
第三步,在一个普通光纤的拉丝塔上,设定合适的拉丝条件将上述预制棒拉丝制成本发明的光纤,外径125um。
为了更加具体地说明本发明的内容,我们针对该实施例一选定一组特定的参数计算该结构光纤的带隙图、导模,模场分布,以及带隙内的双折射。参数选定如下:
背景材料折射率n0=1.45
环带型区材料折射率n1=1.4413,对应的掺杂区直径为0.8Λ
高掺杂材料折射率n2=1.483,对应的掺杂区直径为0.6Λ
包层基本单元形成的正六边形的圈数为5圈
计算结果由图3、4、5分别表达。图3为归一化波长λ/Λ为0.35处的模场分布图,图4为前三个带隙的光子带隙结构图及其导模,图5为一阶带隙内双折射随归一化波长的变化关系图。
实施例二:
图2是本发明中心掺氟的三芯结构保偏全固光子带隙光纤的横截面结构示意图。该结构包括了芯区和包层区。芯区的结构是这样构成的:光纤正中心基本单元21由掺氟的石英玻璃材料代替,折射率为n01;两边对称的两个基本单元(22和23)两个基本单元被背景材料替代,折射率为n0。因此芯区具有两种材料组成,即位于正中心的掺氟石英材料的基本单元与位于它的两侧的背景材料组成的两个基本单元。光纤的包层区由包层基本单元、也称为掺杂单元组成,其中心位于正六边形网格的结点上,构成以芯区中心为中心的周期性排布方式,如图2所示。该基本单元的中心区域为高折射率n2的圆形区域;该高折射率掺杂区域的周围包括着低折射率n1的环带型区域。
所述包层基本单元形成的正六边形的圈数为7圈。
上述材料折射率之间的关系为:高掺杂材料折射率n2>背景材料折射率n0>芯区正中心21的折射率n01>环带型区材料折射率n1。
为保证所述光子带隙光纤在200nm~1800nm波段通光时光纤玻璃包层直径接近125微米,背景材料折射率n0、高掺杂区材料折射率n2之间,需要满足
为保证所述光子带隙光纤在通讯窗口通光时低阶带隙的限制损耗和弯曲损耗都较低,背景材料折射率n0、高掺杂区周围包裹的低折射率材料n1之间,需要满足
为保证所述光子带隙光纤在通讯窗口通光时低阶带隙的限制损耗和弯曲损耗都较低,所述光纤包层的基本单元中,高掺杂区直径dh、高掺杂区周围包裹的低掺杂区直径d1、光纤节距Λ即最近临两个基本单元中心距离,这三者之间需满足并且
本发明中的高掺杂材料为二氧化锗掺杂的石英玻璃,低折射率材料为掺杂氟元素的石英玻璃。本发明的制备方法如实施例一所述。
为了更加具体地说明本发明的内容,我们也针对该实施例二选定一组特定的参数计算该结构光纤的带隙图、导模,模场分布,以及带隙内的双折射。参数选定如下:
背景材料折射率n0=1.45
环带型区材料折射率n1=1.4413,对应的掺杂区直径为0.8Λ
高掺杂材料折射率n2=1.483,对应的掺杂区直径为0.4Λ
芯区正中心基本单元掺氟材料区折射率n01=1.447
包层基本单元形成的正六边形的圈数为5圈
计算结果由图6、7、8分别表达。图6为归一化波长λ/Λ为0.25处的模场分布图,图7为前三个带隙的光子带隙结构图及其导模,图8为一阶带隙内双折射随归一化波长的变化关系图。
Claims (9)
1.具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,它包括芯区和包层区,光纤包层区的背景材料具有一定的折射率n0,高掺杂材料折射率为n2的基本单元分布在包层的规则网格结点上,构成以芯区中心为中心的周期性排布方式,每个基本单元的高掺杂区周围包裹着至少一层低折射率n1的环带形区域,且 光纤的芯区的中心位于光纤端面的中心,并沿光纤长度方向延伸;其特征是:光纤芯区的形状是非圆对称的,并具备轴对称特点,对称轴过芯区中心,所述芯区的结构由光纤正中心的基本单元和以正中心的基本单元为中心对称分布的两个或四个基本单元组成。
2.根据权利要求1所述的具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,其特征是:所述芯区的结构如下:光纤正中心的基本单元和以正中心的基本单元对称分布的两个基本单元被背景材料、掺氟玻璃材料或者稀土掺杂材料替代而形成。
3.根据权利要求1所述的具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,其特征是:所述芯区的结构如下:光纤正中心的一个基本单元被背景材料、掺氟玻璃材料或者稀土掺杂材料替代而形成;以正中心的基本单元对称分布的两个基本单元被应力掺杂材料替代而形成。
4.根据权利要求1所述的具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,其特征是:所述芯区的结构如下:光纤正中心和以正中心的基本单元为中心对称分布的四个基本单元被背景材料、掺氟玻璃材料或者稀土掺杂材料替代而形成。
5.根据权利要求1所述的具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,其特征是:所述芯区的结构如下:光纤正中心一个基本单元被背景材料、掺氟玻璃材料或者稀土掺杂材料替代而形成;以正中心的基本单元为中心对称分布的四个基本单元被应力掺杂材料替代而形成。
6.根据权利要求1所述的具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,其特征是:所述包层的基本单元的中心位于正六边形网格的结点上,构成以芯区中心为中心的周期性排布方式;包层的基本单元的组成为:基本单元的中心区域为高折射率掺杂的圆形区域;该高折射率掺杂区域的周围包括着低折射率掺杂的环带型区域;以及包裹圆形区域和环带型区域的正六边形区域,该六边形的中心为高掺杂区域的中心,该六边形的大小满足和其它一系列相同的基本单元密排光纤端面微结构区域的形态。
8.根据权利要求1-6之一所述的具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,其特征是:所述包层基本单元形成的正六边形的圈数为3~8圈,
9.根据权利要求7所述的具有偏振保持性能的低损耗全固光子带隙光纤,其特征是:所述包层基本单元形成的正六边形的圈数为5~8圈。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100526 |