CN102854562A - 一种高双折射光子晶体光纤 - Google Patents

一种高双折射光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

一种高双折射光子晶体光纤，包括纤芯和包层。光纤中心部分消去两个小空气孔形成类椭圆的纤芯，同时通过改变包层空气孔结构设置，在包层中引入四对大空气孔、一对椭圆空气孔与纤芯相连，因此该结构光纤具有二重旋转对称性，正交偏振模式不再简并，表现出很高的双折射。通过改变纤芯结构，在一定范围内调整大空气孔的直径和椭圆孔的椭圆率，该光子晶体光纤的模式双折射比普通光纤高两个数量级，同时使所述光纤具有高的非线性系数。该发明的光子晶体光纤结构简单，具有高双折射、高非线性的优点，这种结构的PCF可用于制作具有适当非线性或偏振特性的保偏光纤及相关光纤器件。

Description

一种高双折射光子晶体光纤
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别是一种光子晶体光纤。
背景技术
在理想情况下，单模光纤传输两个相互正交的模式，它们有相同的传播常数，彼此简并，因此可以看成是单一的偏振电矢量。然而，实际的光纤多少会有一些不完善，内部折射率分布也因内部应力的不均匀而导致折射率的不均匀。这就引起两个基模传播常数的变化，从而导致单模光纤中基模偏振态的扰动，破坏了基模的相互简并特性，从而引起模式双折射。保偏光纤则是在光纤的横截面上人为地引入几何各向异性，使得光纤中的两基模的耦合系数减小，进而引起两正交传播常数βx与βy差的增大，即：Δβ=βx-βy越大，则模式双折射程度越高。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber,简称PCF)又称为微结构光纤或多孔光纤。光子晶体光纤包层中空气孔的特殊排列结构使其呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，如无截止的单模传输、高双折射、高非线性、色散可调节及大模面积等独特性质，成为当前研究的一个热点，并被广泛应用于光传感、光通信及非线性光学等领域。高双折射光纤在传感应用方面及对线偏振光的偏振保持能力方面有广泛的应用价值。传统高双折射光纤中，纤芯掺杂有GeO2，在核辐射情况下其传输损耗会增大，核爆耐受力及温度稳定性能低，而高双折射光子晶体光纤是由纯石英材料制作而成，并可设计不同的结构改进光纤性能，具有传统高双折射光纤无法比拟的优越性。高双折射光子晶体光纤的结构设计灵活，通过在包层中引入大小不一的空气孔、改变纤芯或者包层空气孔的形状，都可以得到性能优异的高双折射光子晶体光纤。
发明内容
为了克服现有技术双折射低下的不足，本发明提出了一种结构简单且容易制作的具有高双折射特性的光子晶体光纤结构，该结构本身具有二重旋转对称性，可以获得比现有的双折射型光子晶体光纤更高的双折射，并且非线性系数比较高。
本发明提供的高双折射光子晶体光纤，包括纤芯和包层，所述包层设置在纤芯***区域，包层折射率低于纤芯部分。
在所述光纤的背景材料（2）上按照规则网格结点布置有一组空气孔结构，其中，中间三排的圆形小空气孔（3）呈正方形结构排列，其余两侧的圆形小空气孔（3）每三个相邻小空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列；圆形小空气孔（3）的直径为d；
所述光纤的纤芯（1）是由中心位于规则网格结点上的两个圆形小空气孔（3）的缺失形成的高折射率芯区；
所述光纤的包层是由在背景材料（2）的规则网格结点上的空气孔结构形成的等效低折射率区域，由内包层和外包层组成，位于纤芯（1）的周围；所述内包层由四对圆形大空气孔（4）和一对椭圆空气孔（5）及周边的背景材料（2）构成（如图1所示），椭圆空气孔（5）由对称位于纤芯（1）两侧的两个圆形小空气孔（3）替换而成，四对圆形大空气孔（4）由位于纤芯（1）及椭圆空气孔（5）两侧的四对圆形小空气孔（3）替换而成；所述椭圆空气孔（5）的长轴直径为d，短轴直径为d/2；所述圆形大空气孔（4）的直径为D；
所述外包层由在背景材料（2）中规则排布的直径为d的圆形小空气孔（3）及周边的背景材料（2）构成；
所有相邻空气孔的中心间距为Λ，2d>Λ>D>d；所述纤芯（1）的材料与包层的背景材料（2）相同。
所述纤芯（1）的材料与包层的背景材料（2）均为纯石英或聚合物材料。
本发明的优点和有益效果：
本发明提出了一种结构简单且容易制作的具有高双折射特性的光子晶体光纤结构，该结构通过改变包层空气孔结构设置，在包层中引入四对圆形大空气孔、一对椭圆空气孔与纤芯相连，因此该结构光纤具有二重旋转对称性，正交偏振模式不再简并，表现出很高的双折射。该光子晶体光纤的模式双折射比普通光纤至少高一个数量级，达到10-2量级，同时，该结构光纤的非线性系数很高。因此，这种结构的光子晶体光纤可用于制作具有非线性或偏振特性的保偏光纤及相关光纤器件，并且由于光纤的双折射是通过改变空气孔的几何尺寸实现的，温度的影响很小，稳定性好，因而更适合实际的应用。
下面结合附图和实施利对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明一个实施例的高双折射光子晶体光纤横截面示意图；
图中，（1）纤芯、（2）背景材料、（3）直径为d的圆形小空气孔、（4）直径为D的圆形大空气孔、（5）长轴直径为d，短轴直径为d/2的椭圆空气孔、Λ-相邻空气孔的间距。
图2是图1实施例1光纤的模场分布图，其中a是x偏振基模模场的振幅分布图样，b是y偏振基模模场的振幅分布图样；
图3是图1实施例1光纤计算得到的两个正交方向上的模式有效折射率随波长的变化关系图；
图4是图1实施例1光纤计算得到的两个正交方向上的模式有效折射率差，即双折射B随波长的变化关系图；
图5是图1实施例1光纤计算得到的两个正交方向上的非线性系数γ随波长的变化关系图。
下面结合附图对本发明作进一步的具体说明。
具体实施方式
实施例1
一种高双折射光子晶体光纤，横截面结构如图1所示，包括纤芯和包层。
在所述光纤的背景材料（2）上按照规则网格结点布置有一组空气孔结构，其中，中间三排的圆形小空气孔（3）呈正方形结构排列，其余两侧的圆形小空气孔（3）每三个相邻小空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列；圆形小空气孔（3）的直径为d。
所述光纤的纤芯（1）是由中心位于规则网格结点上的两个直径为d的小空气孔（3）的缺失形成的高折射率芯区；
所述光纤的包层是由在背景材料（2）的规则网格结点上的空气孔结构形成的等效低折射率区域，由内包层和外包层组成，位于纤芯（1）的周围；
所述外包层由在背景材料（2）中规则排布的直径为d的圆形小空气孔（3）及周边的背景材料（2）构成；所述内包层由四对圆形大空气孔（4）和一对椭圆空气孔（5）及周边的背景材料（2）构成(如图中虚线框内)；
所述四对圆形大空气孔（4）对称位于纤芯（1）两侧；所述圆形大空气孔（4）的直径为D；所述一对椭圆空气孔（5）对称位于纤芯（1）两侧；所述椭圆空气孔（5）的长轴直径为d，短轴直径为d/2；所有相邻空气孔的中心间距为Λ,2d>Λ>D>d；所述纤芯（1）的材料与包层的背景材料（2）相同。
本例中，选择背景材料（2）为纯石英，外包层小空气孔（3）的直径d=0.588μm,内包层大空气孔（4）的直径D=0.941μm，椭圆空气孔（5）的长轴直径d=0.588μm,短轴直径d/2=0.294μm，空气孔的间距Λ=1μm。得到该参数下光子晶体光纤的基模模场分布、模式有效折射率、模式有效折射率差B、非线性系数分别如图2至5所示。
图2结果表明，由于此结构具有二重旋转对称性，因此光纤基模的两个正交偏振态不再简并，分离成两个不简并的模式——x偏振基模和y偏振基模，且每个基模都存在x和y方向分量。x偏振基模的x方向分量振幅远大于y方向分量振幅，呈现出很强的x偏振特性；而y偏振基模x方向分量振幅远小于y方向分量振幅，呈现出很强的y偏振特性。
图3结果表明，
Figure BDA00002231809900031
模有效折射率大于
Figure BDA00002231809900032
模有效折射率，且有效折射率随波长的增大而减小。
图4结果表明，双折射效应随波长的增大而线性增大，在波长λ=1550nm时，双折射B=1.53×10-2,比普通光纤的双折射高出两个数量级。
图5结果表明，该双折射光子晶体光纤具有高的非线性系数，在波长λ=1550nm处，
Figure BDA00002231809900033
模和模的非线性系数γ分别为42W-1km-1和28W-1km-1。
实施例2
一种高双折射光子晶体光纤结构，选择背景材料（2）为聚合物材料，外包层小空气孔（3）的直径d=0.588μm,内包层大空气孔（4）的直径D=0.941μm，椭圆空气孔（5）的长轴直径a=0.588μm,短轴直径b=0.294μm，空气孔的间距Λ=1μm。

Claims (2)

1.一种高双折射光子晶体光纤，包括纤芯和包层，所述包层设置在纤芯***区域，包层折射率低于纤芯部分，其特征在于：
在所述光纤的背景材料（2）上按照规则网格结点布置有一组空气孔结构，其中，中间三排的圆形小空气孔（3）呈正方形结构排列，其余两侧的圆形小空气孔（3）每三个相邻小空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列；圆形小空气孔（3）的直径为d；
所述光纤的纤芯（1）是由中心位于规则网格结点上的两个圆形小空气孔（3）的缺失形成的高折射率芯区；
所述光纤的包层是由在背景材料（2）的规则网格结点上的空气孔结构形成的等效低折射率区域，由内包层和外包层组成，位于纤芯（1）的周围；所述内包层由四对圆形大空气孔（4）和一对椭圆空气孔（5）及周边的背景材料（2）构成，椭圆空气孔（5）由对称位于纤芯（1）两侧的两个圆形小空气孔（3）替换而成，四对圆形大空气孔（4）由位于纤芯（1）及椭圆空气孔（5）两侧的四对圆形小空气孔（3）替换而成；所述椭圆空气孔（5）的长轴直径为d，短轴直径为d/2；所述圆形大空气孔（4）的直径为D；
所述外包层由在背景材料（2）中规则排布的直径为d的圆形小空气孔（3）及周边的背景材料（2）构成；
所有相邻空气孔的中心间距为Λ，2d>Λ>D>d；所述纤芯（1）的材料与包层的背景材料（2）相同。
2.根据权利要求1所述的高双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯（1）的材料与包层的背景材料（2）均为纯石英或聚合物材料。
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