CN103472527A

CN103472527A - 一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤

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Publication number: CN103472527A
Application number: CN2013104477636A
Authority: CN
Inventors: 曹晔; 王江昀; 童峥嵘
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103472527B

Abstract

一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，包括纤芯和包层，纤芯位于光纤中心部位并设有一个椭圆形小空气孔；包层由内包层和外包层组成，其中包围纤芯的内包层包括四个对称的椭圆形大空气孔和两个对称的圆形空气孔，包围内包层的外包层设有椭圆形大空气孔，其按网格结点布置的结构为每三个相邻的椭圆形大空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列。本发明的优点是：该光子晶体光纤结构新颖，通过改变光纤结构设置使光子晶体光纤具有二重旋转对称性，正交偏振模式不再简并，双折射很高，同时限制损耗低；该光子晶体光纤的双折射是通过改变各空气孔的几何尺寸实现的，温度和压力的影响很小，稳定性好，因而更适合实际的应用。

Description

一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤

技术领域

本发明属于光纤技术领域，特别是一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤。

背景技术

在单模光纤中，基模是由两个相互正交的偏振模式组成的，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，实际的光纤在生产、成缆、铺设等过程中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。这些因素将造成光纤在不同的方向上折射率不相等，即两个正交偏振模传播常数存在差异，破坏了基模的相互简并特性，从而导致了模式双折射。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，使实际光纤产生的随机双折射不会对偏振方向产生显著影响，光纤中的两基模的耦合系数减小，导致两正交传播常数β_x与β_y的差增大，即：△β=β_x－β_y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。石英材质的光子晶体光纤包层中空气孔的特殊排列结构使其与传统光纤相比，呈现出许多奇异的特性，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。高双折射光纤在高速光通信***、光纤传感和精密光学仪器等领域都有着重要的应用，而双折射是影响光纤通信***性能的重要特性。高双折射光子晶体光纤的结构设计灵活，为得到性能优异的高双折射光子晶体光纤，主要通过破坏结构的对称性获得，如改变纤芯的形状和纤芯周围的空气孔直径，也可以改变包层空气孔的形状。

2003年，文献V. V. Ravi Kanth Kumar, A. K. George, J. C. Knight, and P. St. J. Russell. Tellurite photonic crystal fiber[J].Optics Express,2003,11(20):2641-2645，报道了亚碲酸盐光纤的制作和波导特性。其后又有几种采用不同背景材料设计高双折射光子晶体光纤的报道。文献Bhawana Dabas, R.K.Sinha. Design of highly birefringent chalcogenide glass PCF: A simplest design[J]. Optics Communications,2011,284:1186-1191报道了以As₂Se₃为背景材料的光纤，双折射可达到2.2×10^-3，与同一结构的石英玻璃PCF相比，具有低损耗和大负色散性。2012年，王晓琰，李曙光，刘硕等发表于物理学报第60卷06期064213页的“中红外高双折射高非线性宽带正常色散As₂S₃光子晶体光纤”报道了双折射达9.8×10^-2的硫系玻璃高双折射光子晶体光纤。另外，文献Mohamed Farhat O.Hameed, Salah S.A.Obayya. Modal analysis of a novel soft glass photonic crystal fiber with liquid crystal core[J].Journal of lightwave technology,2012, 30(1):96-102报道了具有液晶纤芯的肖特玻璃SF57光子晶体光纤，改变液晶的温度其双折射可高达4.5×10^-2。以上几种高双折射光子晶体光纤结构均采用新型背景材料来实现，具备许多石英玻璃无法实现的特性，如高折射率系数、高非线性和中红外波段传输等特性，在未来其将有十分广阔的应用前景。

发明内容

本发明目的是解决现有光子晶体光纤的双折射低下的问题，提供一种结构简单且容易制作的高双折射低限制损耗光子晶体光纤，该光纤的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，并且限制损耗很低。

本发明的技术方案：

一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，包括纤芯和包层，纤芯与包层的背景材料相同，包层的折射率低于纤芯的折射率；纤芯位于光纤中心部位并设有一个椭圆形小空气孔；包层由内包层和外包层组成，其中包围纤芯的内包层由六个空气孔和周边的背景材料构成，所述六个空气孔包括四个对称的椭圆形大空气孔和两个对称的圆形空气孔，包围内包层的外包层由按网格结点布置的椭圆形大空气孔和周边的背景材料构成，所述椭圆形大空气孔按网格结点布置的结构为每三个相邻的椭圆形大空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列；椭圆形大空气孔的长轴直径为d、短轴直径为d/2，椭圆形小空气孔4的长轴直径为d/2、短轴直径为d/4，圆形空气孔3的直径为D，所有相邻空气孔的孔间距相同均为Λ。

所述纤芯与包层的背景材料为肖特玻璃SF57或石英玻璃；椭圆形大空气孔的长轴直径d为1.92μm；圆形空气孔的直径D为1.50μm；空气孔的中心间距Λ为1.60μm。

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低限制损耗特性的光子晶体光纤，其通过改变光纤结构设置，在纤芯处和外包层同时设有椭圆形空气孔，且在内包层设有一对圆形空气孔，因此该结构光子晶体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（10^-4量级）至少高两个数量级，达到10^-2量级，同时限制损耗低于10^-10dB/m数量级；该光子晶体光纤的双折射是通过改变各空气孔的几何尺寸实现的，温度和压力的影响很小，稳定性好，因而更适合实际的应用。

附图说明

图1为本发明光子晶体光纤一个实施例的横截面示意图。

图中：1.纤芯 2.包层 3.圆形空气孔 4.椭圆形小空气孔

5.椭圆形大空气孔

图2 是该光子晶体光纤背景材料的有效折射率系数随波长的变换关系图。

图3 是该光子晶体光纤的模场分布图，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4 是该光子晶体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5是该光子晶体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6是该光子晶体光纤计算得到的两个正交方向上的限制损耗随波长的变化关系图。

具体实施方式

实施例1：

一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，如图1所示，包括纤芯1和包层2，纤芯1与包层2的背景材料相同，包层2的折射率低于纤芯1的折射率；纤芯1位于光纤中心部位并设有一个椭圆形小空气孔4；包层2由内包层和外包层组成，其中包围纤芯1的内包层由六个空气孔和周边的背景材料构成，所述六个空气孔包括四个对称的椭圆形大空气孔5和两个对称的圆形空气孔3，包围内包层的外包层由按网格结点布置的椭圆形大空气孔5和周边的背景材料构成，所述椭圆形大空气孔5按网格结点布置的结构为每三个相邻的椭圆形大空气孔5在光纤截面上呈正三角形结构排列；椭圆形大空气孔5的长轴直径为d、短轴直径为d/2，椭圆形小空气孔4的长轴直径为d/2、短轴直径为d/4，圆形空气孔3的直径为D，所有相邻空气孔的孔间距相同均为Λ。

该实施例中，纤芯1与包层2的背景材料为肖特玻璃SF57；椭圆形大空气孔5的长轴直径d为1.92μm；圆形空气孔3的直径D为1.50μm；空气孔的间距Λ为1.60μm。

该光子晶体光纤的制备采用堆积法，将预制棒堆积成所需的形状，然后进行熔融拉制，其中最关键是预制棒的制作，步骤如下：1）将预先熔融制成的石英棒研磨、钻孔后在光纤拉丝塔内拉伸成所需要尺寸的毛细管；2）把上述毛细管按合适长度截断后，按照预先设计的六边形状排列在一起，抽出中部的一根毛细管形成纤芯；3）将上述毛细管束套入尺寸合适的外套管中，并进行一定的固定处理后即形成了所需的光子晶体光纤预制棒。

图2为该光子晶体光纤背景材料的有效折射率系数随波长的变换关系图，结果表明：肖特玻璃SF57的材料折射率不是一个固定的值，而是在随波长的变化而变化。

该制得的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、限制损耗分别如图3至6所示。

图3为该光子晶体光纤的模场分布图，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，图中表明：由于该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4为该光子晶体光纤经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，图中表明：y偏振模有效折射率大于x偏振模有效折射率，且有效折射率随波长的增大而减小。

图5为该光子晶体光纤经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，图中表明：双折射效应随波长的增大而线性增大，在波长λ=1550nm处，双折射B=5.22×10^-2,比普通光纤的双折射高出两个数量级。

图6为该光子晶体光纤经计算得到的两个正交方向上的限制损耗随波长的变化关系图，图中表明：该双折射光子晶体光纤具有很低的限制损耗，在波长λ=1550nm处，x偏振模和y偏振模的限制损耗分别为8.82×10^-10dB/m和3.26×10^-10dB/m。

实施例2

一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，结构和参数与实施例1基本相同，不同之处在于纤芯1与包层2的背景材料为石英玻璃。

该制得的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、限制损耗的检测结果与实施例1基本一致。

Claims

1.一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，其特征在于：包括纤芯和包层，纤芯与包层的背景材料相同，包层的折射率低于纤芯的折射率；纤芯位于光纤中心部位并设有一个椭圆形小空气孔；包层由内包层和外包层组成，其中包围纤芯的内包层由六个空气孔和周边的背景材料构成，所述六个空气孔包括四个对称的椭圆形大空气孔和两个对称的圆形空气孔，包围内包层的外包层由按网格结点布置的椭圆形大空气孔和周边的背景材料构成，所述椭圆形大空气孔按网格结点布置的结构为每三个相邻的椭圆形大空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列；椭圆形大空气孔的长轴直径为d、短轴直径为d/2，椭圆形小空气孔4的长轴直径为d/2、短轴直径为d/4，圆形空气孔3的直径为D，所有相邻空气孔的孔间距相同均为Λ。

2.根据权利要求1所述高双折射低限制损耗光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯与包层的背景材料为肖特玻璃SF57或石英玻璃；椭圆形大空气孔的长轴直径d为1.92μm；圆形空气孔的直径D为1.50μm；空气孔的中心间距Λ为1.60μm。