CN102540324A

CN102540324A - 双波段正交单偏振单模光子晶体光纤

Info

Publication number: CN102540324A
Application number: CN2012100461047A
Authority: CN
Inventors: 张伟刚; 耿鹏程; 薛晓琳; 张珊珊; 魏石磊; 高社成; 宋峰; 刘艳格; 王志
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-07-04

Abstract

双波段正交单偏振单模光子晶体光纤，可应用于光纤通信波分复用/解复用、光纤多参数及矢量传感等技术领域。该光子晶体光纤的包层由纯石英基底材料上按正三角形网格结构排列的空气孔形成，中间纤芯由包层空气孔的缺失形成，位于光纤的几何中心区域，中间纤芯附近为两个直径大于包层空气孔直径的大空气孔，在过两个大空气孔圆心连线中点的垂直方向上分布着直径不同且均小于包层空气孔直径的四个小空气孔，上述横截面结构沿光纤轴向不发生变化。通过适当选择包层中小空气孔直径的大小，光纤可以支持1.31μm和1.55μm两个不同波段的光在呈正交的两个偏振方向上保持各自独立传输，如此，利用单芯结构便实现了以往双芯或三芯结构才能实现的波长分束功能。

Description

双波段正交单偏振单模光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及一种保偏光子晶体光纤，具体为一类具有双波段、正交、单偏振传输特性的光子晶体光纤，应用于光纤通信波分复用/解复用和光纤多参数矢量传感等技术领域。

背景介绍

光子晶体光纤(Photonics Crystal Fiber，简称PCF)又被称为微结构光纤(MicrostructureOptical Fiber)或多孔光纤(Holey Fiber)，是在光子带隙理论基础上发展起来的一种新型光纤。由于它设计灵活、具有传统光纤所无法比拟的导光和控光特性(如无截止波长单模传输、色散特性可控及高数值孔径等)而受到广泛的关注。基于光子晶体光纤的一些光电子器件被广泛应用于光通信和光传感等技术领域。按光子晶体光纤导光机理的不同可分为折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤，前者是通过在固体的纤芯和多层的空气孔包层之间的全内反射实现导光，后者则是利用光子带隙效应对特定波段的光实现在低折射率纤芯处传导。光子晶体光纤的制备是影响其实用化的基础，而预制棒的设计和制作是关键。目前常用的方法包括堆砌法、挤压法、溶凝胶制造法、钻孔法等，对于以二氧化硅为基底的光子晶体光纤来说堆砌法是目前比较常用的方法。将制作好的预制棒置于光纤拉丝塔上进行拉制即可得到所需要的光子晶体光纤。

波分复用/解复用器(WDM/DWDM)作为光纤通信***的一种重要光学器件，一直是人们研究的热点。近年来，随着光子晶体光纤理论和拉制技术的不断成熟和完善，基于光子晶体光纤的波分复用/解复用器件逐渐成为人们研究的焦点。2005年，N.Florous等人(Opt.Express，v.13，2005：7365-7373)提出了一种具有偏振独立传输特性的适用于1.31μm和1.55μm两个通信窗口的双芯光子晶体光纤波长分束器，对无源光网络的构造具有重要意义。在此基础上，2011年，本研究小组(Appl.Opt.，v.50，6576-6582)设计了一种基于双芯光子晶体光纤的单偏振分束器，解决了光传输过程中偏振模耦合(PMC)和偏振模色散(PMD)的问题。但是，迄今为止所有用于光子晶体光纤分束器的光纤都是双芯或三芯结构，由于它们纤芯之间的距离仅为微米量级，所以它们与其它光纤连接时较为困难；另外它们的光学带宽只有几个纳米，能够复用的信道数受到很大限制。

而本发明设计的光子晶体光纤的单芯结构创造性的解决了光子晶体光纤与其它外部元件连接时的难题，此外它的光学带宽达到了数十纳米，远大于双芯或三芯光纤结构。

发明内容

本发明目的是解决现有双芯或三芯结构的光子晶体光纤连接困难且能够复用的信道数受到很大限制的问题，提供一种双波段正交单偏振单模光子晶体光纤，可实现两个光波段分别以相互正交偏振态传输。

本发明提供的具有双波段正交单偏振单模传导机制的光子晶体光纤，包括基底，在该基底上按正三角形网格结构排列的直径为d的一组包层空气孔形成包层，中间纤芯由包层空气孔的缺失形成，中间纤芯附近是直径为d₀的两个大空气孔，d₀＞d，以引入高双折射所必须的结构非对称性，在过两个大空气孔圆心连线中点的垂直方向上分布着直径分别为d₁、d₂、d₃和d₄的四个小空气孔，直径d₁、d₂、d₃和d₄大小各不相同且均小于包层空气孔直径d，以引入泄露缺陷模式及增加其与偏振基模之间的耦合强度。

所述的中间纤芯位于正三角形网格的结点(此处结点指三角形的顶点)上，同时位于所述光子晶体光纤的几何中心区域。

所述光纤横截面上包层空气孔的形状是圆形，直径在0.47～4微米量级。

所述光纤的基底材料为石英玻璃，光纤的横截面结构沿光纤轴向不发生变化。

该光纤结构的工作原理如下：

由于光纤包层最外层中的两个小空气孔的直径小于其它包层空气孔的直径，因此在这两个空气孔附近均会出现限制损耗较大的泄露缺陷传导模式。根据折射率匹配耦合原理，当纤芯中某一偏振模式的有效折射率等于某一泄露缺陷模式的有效折射率时，纤芯模式便会与缺陷模式发生强耦合而损耗掉。通过选择合适的设计参数可以使纤芯某一偏振模式与某一泄露缺陷模式在特定波长处发生强耦合，而另外一个偏振模式则无有效的耦合，进而实现光在两个波段的正交单偏振单模传输。

所述光子晶体光纤外层靠近边缘的两个小空气孔的直径不同，所以两个边芯支持的泄露缺陷模式的有效折射率不一致，其色散曲线分别与两个偏振模的色散曲线在1.31μm和1.55μm处相交，如此便满足了折射率匹配耦合条件，对应的偏振模和缺陷模式便会发生较强的耦合。

所述光子晶体光纤偏振模和缺陷模式之间的耦合强度受外层小空气孔和中间纤芯之间小空气孔直径大小的影响，该小空气孔直径越小，纤芯偏振模式和泄露缺陷模式之间的耦合就越强。

本发明光子晶体光纤实现了一种全新的导光机制，在这种新型光纤中，1.31μm波段的光只在x偏振方向上传输，而1.55μm波段的光只在y偏振方向上传输，这种新奇特性使其非常适用于波长分束以及多参数、大量程矢量传感等领域。

附图说明

图1是本发明的光纤横截面结构示意图。

图2是本发明中光纤结构参数为Λ＝4.0μm，d＝1.80μm，d₀＝3.80μm，d₁＝0.471μm，d₂＝0.612μm，d₃＝1.280μm，d₄＝1.340μm时，x偏振模、y偏振模及缺陷模式的色散曲线和电场分布图。

图3是本发明中光纤结构参数为(a)Λ＝2.4μm，d＝1.08μm，d₀＝1.92μm，d₁＝0.273μm，d₂＝0.368μm，d₃＝0.692μm，d₄＝0.830μm，L＝15mm(b)Λ＝4.0μm，d＝1.80μm，d₀＝3.80μm，d₁＝0.471μm，d₂＝0.612μm，d₃＝1.280μm，d₄＝1.340μm，L＝180mm时，x偏振模和y偏振模的限制损耗与电场强度的等位线图。

图4是本发明光纤结构中同一偏振态下两个传输波段之间的串扰情况(a)被抑制掉的波段中心波长λ_d＝1.55μm时，y偏振方向的消光比；(b)被抑制掉的波段中心波长λ_d＝1.31μm，x偏振方向的消光比。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

具体实施方式

本发明提供的双波段正交单偏振单模光子晶体光纤，它的包层由石英玻璃构成的基底材料上按正三角形网格结构排列的空气孔形成，中间纤芯由包层空气孔的缺失形成，中间纤芯附近为两个大空气孔，在过两个大空气孔圆心连线中点的垂直方向上分布着直径不同且均小于包层空气孔直径的四个小空气孔，上述横截面结构沿光纤轴向不发生变化。

光纤包层空气孔是按正三角形网格排列的直径为d的一组包层空气孔，中间纤芯位于正三角形网格的结点(此处结点指三角形的顶点)上，同时位于所述光子晶体光纤的几何中心区域。光纤横截面上包层空气孔的形状是圆形，直径在微米量级(0.47～4微米)。

光纤的基底材料为纯石英玻璃。

所述光纤中间纤芯附近的两个大空气孔的直径为d₀，d₀＞d(包层空气孔直径)，以引入高双折射所必须的结构非对称性。

在过两个大空气孔圆心连线中点的垂直方向上分布着直径分别为d₁、d₂、d₃和d₄的四个小空气孔，直径d₁、d₂、d₃和d₄大小各不相同且均小于包层空气孔直径d，以引入泄露缺陷模式及增加其与偏振基模之间的耦合强度。

上述横截面结构沿光纤轴向不发生变化。

实施例1

图1所示为本发明实施例的光纤横截面示意图，双波段正交单偏振单模单芯光子晶体光纤的基底材料采用纯石英玻璃，光纤包层中的空气孔位于正三角形网格的结点(此处结点指三角形的顶点，见图1)上，包层空气孔的直径为d，相邻空气孔的间距为Λ，中间纤芯附近两个大空气孔的直径为d₀，光纤外包层的两个小空气孔的直径分别为d₁和d₂，中间纤芯和光纤外包层小空气孔之间的空气孔直径分别为d₃和d₄。

图2为本发明中光纤结构参数为Λ＝4.0μm，d＝1.80μm，d₀＝3.80μm，d₁＝0.471μm，d₂＝0.612μm，d₃＝1.280μm，d₄＝1.340μm时，通过全矢量有限元法计算得到的x偏振模、y偏振模及缺陷模式的色散曲线和电场分布图。可以得出：x偏振模的色散曲线与缺陷模式2的色散曲线在1.55μm处相交；y偏振模的色散曲线与缺陷模式1的色散曲线在1.31μm处相交。

图3是本发明中光纤结构参数为(a)Λ＝2.4μm，d＝1.08μm，d₀＝1.92μm，d₁＝0.273μm，d₂＝0.368μm，d₃＝0.692μm，d₄＝0.830μm，L＝15mm(b)Λ＝4.0μm，d＝1.80μm，d₀＝3.80μm，d₁＝0.471μm，d₂＝0.612μm，d₃＝1.280μm，d₄＝1.340μm，L＝180mm时，通过全矢量有限元法计算得到的x偏振模和y偏振模的限制损耗与电场强度的等位线图。可以得出：在这种光子晶体光纤中，x偏振模在1.55μm附近有较大的限制损耗，而y偏振模则在1.31μm附近的限制损耗较大；然而x偏振模在1.31μm附近限制损耗非常小，y偏振模在1.55μm附近限制损耗非常小。因此，当输入光源仅为1.31μm和1.55μm波段的光时，传输一段距离后，则只剩下1.31μm波段的x偏振光和1.55μm波段的y偏振光在其中传输，并且两个波段均为单偏振单模传输。另外，从模式强度分布的等位线可以看出某一个偏振基模和对应的缺陷模式在色散曲线交点位置有较强的耦合，而在同一波长处，另外一个偏振基模与两个缺陷模式都没有有效的耦合。

比较图2和图3(b)，可以看出纤芯偏振模和泄露缺陷模式色散曲线的交点位置与损耗峰的位置相符，符合折射率匹配耦合条件。

图4为本发明光纤结构中同一偏振态下两个传输波段之间的串扰情况(a)被抑制掉的波段中心波长λ_d＝1.55μm，y偏振方向上的消光比；(b)被抑制掉的波段中心波长λ_d＝1.31μm，x偏振方向上的消光比。可以得出：当这种新型光子晶体光纤用于波长分束器时，它的光学带宽达到了数十纳米，远大于双芯或三芯光纤结构。

虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，但本发明不限于所公开的实施例，包括意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变型和等效设置。

Claims

1.一种具有双波段正交单偏振单模传导机制的光子晶体光纤，其特征在于，该光子晶体光纤包括基底，在该基底上按正三角形网格结构排列的直径为d的一组包层空气孔形成包层，中间纤芯由包层空气孔的缺失形成，中间纤芯附近是直径为d₀的两个大空气孔，d₀＞d，在过两个大空气孔圆心连线中点的垂直方向上分布着直径分别为d₁、d₂、d₃和d₄的四个小空气孔，直径d₁、d₂、d₃和d₄大小各不相同且均小于包层空气孔直径d。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于所述的中间纤芯位于正三角形网格的结点上，同时位于所述光子晶体光纤的几何中心区域。

3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于所述光纤横截面上包层空气孔的形状是圆形，直径在0.47～4微米量级。

4.根据权利要求1、2或3所述的光子晶体光纤，其特征在于所述光纤的基底材料为石英玻璃。

5.根据权利要求1、2或3所述的光子晶体光纤，其特征在于所述光纤的横截面结构沿光纤轴向不发生变化。