CN108445582A - 一种光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体光纤,其特征在于,包括:从内自外的芯层、包层以及涂覆层,光纤的横截面为圆形,芯层、包层以及涂覆层均同心,芯层位于光纤的最内层,芯层横截面的中心为圆形孔,包层内均匀设置多个半椭圆形的气孔,包层包括5个包层环,包层环内均匀设置多个相同大小的气孔,包层环内的气孔以芯层的中心为中心原点呈环形阵列排布,包层环内气孔的大小从内圈到外圈依次递增,半椭圆形的气孔的长轴均指向芯层的中心,芯层和包层均采用二氧化硅晶体或硅晶体制成,涂覆层采用丙烯酸酯或有机硅树脂制成。本发明的光子晶体光纤可以传输多个轨道角动量模式,模式组的有效折射率差达到10‑3量级,限制损耗低,非线性系数小,色散低。
Description
技术领域
本发明属于通信领域,具体涉及一种光子晶体光纤。
背景技术
轨道角动量(Orbital Angular Momentum)是光子除了传统波长、偏振等参量之外的另一个重要参量。随着光通信领域的波分复用、时分复用、码分复用等技术的不断提陈出新,更新换代,传统光纤的传输数据量已接近饱和,OAM为光束的复用提供了一个全新的自由度。
在OAM光纤通信***中,支持OAM模式传输的光纤是一种关键器件。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF),近年来被引起广泛关注,它的横截面上有较复杂的折射率分布,通常含有不同排列形式的气孔,这些气孔的尺度和光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度,光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。光子晶体光纤的出现展示了一种新的控制光子的机制,极大地拓展了光传输的研究领域。随着近来对光子晶体光纤(PCF)研究的逐步深入,光子晶体光纤制造技术的逐步成熟,光子晶体光纤和光孤子理论给光通信技术的发展注入了勃勃生机。
对于传输OAM模式的光纤来说,更多的模式意味着在单个频率上包装更多的信道,显著提升信息传输量。此外,为了支持OAM模式在光纤中稳定传输,光纤必须具有高的有效折射率差,才能避免光纤中各矢量本征模式间的相互耦合和简并。许多特殊结构光纤被提出用来支持OAM模式的传输,但这些光纤中模式间有效折射率差始终在10-4量级,无法得到更显著的提高。由于模式间有效折射率差无法提高,在OAM模式传输时,可能会发生奇偶本征模走移,双折射和偏振模式色散,影响模式纯度并引起模式间的耦合或串扰。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种能提高传输轨道角动量模式的数量、低限制损耗的光子晶体光纤。
本发明提供了一种光子晶体光纤,具有这样的特征,包括:
从内自外的芯层、包层以及涂覆层,光纤的横截面为圆形,芯层、包层以及涂覆层均同心,其中,包层包括多个包层环。
另外,在本发明提供的一种光子晶体光纤中,还可以具有这样的特征:芯层横截面的中心具有圆形孔。
另外,在本发明提供的一种光子晶体光纤中,还可以具有这样的特征:包层包括5个包层环。
另外,在本发明提供的一种光子晶体光纤中,还可以具有这样的特征:包层环的横截面为圆环。
另外,在本发明提供的一种光子晶体光纤中,还可以具有这样的特征:包层环内均匀设置多个相同大小的气孔,气孔以芯层的中心为中心原点呈环形阵列排布。
另外,在本发明提供的一种光子晶体光纤中,还可以具有这样的特征:气孔的横截面为半椭圆。
另外,在本发明提供的一种光子晶体光纤中,还可以具有这样的特征:包层环内的气孔的截面积的大小从内圈到外圈依次变大。
另外,在本发明提供的一种光子晶体光纤中,还可以具有这样的特征:气孔的半椭圆形的长轴均朝指向芯层的中心,气孔的半椭圆形的顶端均朝指向涂覆层。
另外,在本发明提供的一种光子晶体光纤中,还可以具有这样的特征:芯层的折射率大于包层的折射率。
另外,在本发明提供的一种光子晶体光纤中,还可以具有这样的特征:芯层采用玻璃材料制成,涂覆层采用丙烯酸酯材料或硅橡胶材料制成。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种光子晶体光纤,其有益效果是:光纤可以传输多个轨道角动量模式,限制损耗低,模式组的折射率差达到了10-3量级,另外,光纤的色散低,非线性系数小。
附图说明
图1为本发明一种光子晶体光纤横截面结构示意图;
图2为∣HEa+1,1‐EHa‐1,1∣(a=2,3,4,5,7,9,11,13,15,17,20)的有效折射率差Δneff随波长变化的关系图;
图3为EHa‐1,1(a=3,18)和HEa+1,1(a=7,12,15,17)的限制损耗L与波长变化的关系图;
图4为TE0,1,EHa‐1,1(a=3,18)和HEa+1,1(a=2,4,7,9,12,15,17)的非线性系数γ与波长变化的的关系图;以及
图5为TE0,1,HEa+1,1(a=2,4,7,9,12,15,17)和EHa‐1,1(a=3,18)的色散D与波长λ曲线图
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,以下实施例结合附图对本发明一种光子晶体光纤作具体阐述。
图1为本发明一种光子晶体光纤横截面结构示意图。
光子晶体光纤外形呈长条线形。光子晶体光纤横截面结构如图1所示,光子晶体光纤100包括自内而外的芯层10、包层20以及涂覆层30。且芯层10、包层20以及涂覆层30均同心。
芯层10位于光子晶体光纤100的横截面结构的内环。芯层10的中心具有圆形孔,圆形孔的半径的取值范围为0.3-1μm,芯层10的厚度的取值范围为1-2μm。在本实施例中,中央圆形孔的半径的取值为0.67μm。芯层的厚度的取值为1.5-1.7μm。
包层20位于芯层10和涂覆层30之间,包括五个包层环,从包层20的内圈到外圈,依次为第一包层环21、第二包层环22、第三包层环23、第四包层环24、以及第五包层环25。
包层环21上均匀设置多个半椭圆形的气孔211,气孔211依次相邻。半椭圆形的气孔211的长轴的取值范围为1-1.8μm,半椭圆形的气孔211短轴的取值范围为0.4-1μm。在本实施例中,长轴的取值为1.4μm,短轴的取值为0.7μm。
包层环22上均匀设置多个半椭圆形的气孔221,气孔221依次相邻。半椭圆形的气孔221的长轴的取值范围为1.1-1.9μm,半椭圆形的气孔221短轴的取值范围为0.5-1.1μm。在本实施例中,长轴的取值为1.52μm,短轴的取值为0.76μm。
包层环23上均匀设置多个半椭圆形的气孔231,气孔231依次相邻。半椭圆形的气孔231的长轴的取值范围为1.3-2.1μm,半椭圆形的气孔231短轴的取值范围为0.6-1.2μm。在本实施例中,长轴的取值为1.68μm,短轴的取值为0.84μm。
包层环24上均匀设置多个半椭圆形的气孔241,气孔241依次相邻。半椭圆形的气孔241的长轴的取值范围为1.4-2.2μm,半椭圆形的气孔211短轴的取值范围为0.7-1.4μm。在本实施例中,长轴的取值为1.84μm,短轴的取值为0.92μm
包层环25上均匀设置多个半椭圆形的气孔251,气孔251依次相邻。半椭圆形的气孔251的长轴的取值范围为1.5-2.5μm,半椭圆形的气孔251短轴的取值范围为0.8-1.5μm。在本实施例中,长轴的取值为2μm,短轴的取值为1μm
包层环之间的间距从包层20的内圈到外圈依次递增。第一包层环21与第二包层环22的间距为0.1μm,第二包层环22与第三包层环23的间距为0.14μm,第三包层环23与第四包层环24的间距为0.16μm,以及第四包层环24与第五包层环25的间距为0.18μm。
包层环内的气孔的横截面大小从内圈到外圈依次递增。每个包层环内的气孔以芯层10的中心为中心原点呈环形阵列排布。每个包层环的半椭圆形的气孔的数目均一样,在本实施例中其数目为72个。每个包层环内的半椭圆形的气孔的长轴均指向芯层10的中心,半椭圆形的气孔的顶端均指向涂覆层30。
芯层10的折射率大于包层20的折射率。芯层10采用玻璃材料制成。涂覆层30采用丙烯酸酯材料或硅橡胶材料制成,在本实施例中,涂覆层30采用硅橡胶材料制成。
有效折射率差Δneff为具有相同拓扑电荷数a和相同模式场强图同心环数b的HEa+1,b模和EHa‐1,b模的有效折射率实部之差的绝对值,即∣HEa+1,b‐EHa‐1,b∣。通过实验证实,有效折射率差Δneff大于10‐4时,可以有效防止模HEa+1,b和EHa‐1,b简并成为线偏振模LPa,b以及造成它们之间的模间串扰,从而造成数据的丢失或者错误,不利于光纤传输。故有效折射率差越大越好。(在HEa+1,b和EHa‐1,b以及LPa,b中,a表示拓扑电荷数,b表示同心环数)
在本发明的光子晶体光纤的所有同心环个数均为1。
图2为∣HEa+1,1‐EHa‐1,1∣(a=2,3,4,5,7,9,11,13,15,17,20)的有效折射率差Δnefff随波长变化的关系图
如图2所示,横坐标为波长(μm),纵坐标为∣HEa+1,1‐EHa‐1,1∣,可以看出在1.2μm到1.6μm这个波段内,所有∣HEa+1,1‐EHa‐1,1∣的有效折射率差均大于10‐4且几乎都大于10‐3,可以有效防止它们合成LPa,1模及产生模间耦合。(图中1E‐4表示1*104)
限制损耗L是限制远程传输的关键因素,在传输过程中,越小越好,其计算公式:
其中λ是入射光的波长,Im(neff)为模式有效折射率的虚部。
图3为EHa‐1,1(a=3,18)和HEa+1,1(a=7,12,15,17)的限制损耗L与波长变化的关系图。
如图3所示,横坐标为波长(μm),纵坐标为限制损耗L(dB/m),可以看出,这些模式的平均限制损耗约为4×10‐9分贝/米。相比于传统光纤而言,此结构的光子晶体光纤的本征矢量模式的限制损耗要低3个数量级。因此,这种特殊的PCF可以在长距离光纤通信中找到潜在的应用。
非线性效应会对光纤的传输造成不良影响,如脉冲的展宽等。因而在传输过程中,非线性系数γ越小越好,其公式为:
其中Aeff为有效模面积,n为背景材料的折射率,λ为入射光的波长。
图4为TE0,1,EHa‐1,1(a=3,18)和HEa+1,1(a=2,4,7,9,12,15,17)的非线性系数γ与波长变化的的关系图。
如图4所示,图中横坐标为波长(μm),纵坐标为非线性系数γ(W‐1/km),可以看出,当光功率较高时,非线性效应对光子晶体光纤造成的影响较小。
色散D是指光在传输过程中,不同的模式会因为传输速度不同而相互分开,引起传输信号的波形失真,脉冲展宽。波导色散和材料色散是PCF色散的主要类型,一般通过波导色散Dw材料色散Dm的线性组合来计算总色散。
D=Dw+Dm
其中λ是入射光的波长,n是背景材料的折射率,c是真空中的光速,neff是矢量模式的有效折射率。
图5为TE0,1,HEa+1,1(a=2,4,7,9,12,15,17)和EHa‐1,1(a=3,18)的色散D与波长λ曲线图。
如图5所示,横坐标为波长(μm),纵坐标为色散D(ps/(nm·km)),可以看出所有模式色散曲线低而平坦。
综上,在本发明提供的一种光子晶体光纤,使得各模式的能量集中在芯层区域传输,极少泄露至包层,故而限制损耗降低。通过对该光纤结构的参数进行优化设计,可实现不同轨道角动量模式间大于10-4的有效折射率差,从而可以有效地抑制传输过程中的模间串扰,改善光纤中轨道角动量模式的传输性能,使其能够更多地传输轨道角动量模式。光纤的非线性系数小,色散低。另外,光纤的环形区域大小可灵活设计,工艺容差性高。
实施例的作用与效果
根据本实施例中所涉及的一种光子晶体光纤,其有益效果是:光纤可以传输多个轨道角动量模式,限制损耗低,模式组的折射率差达到了10-3量级,另外,光纤的色散低,非线性系数小。
上述实施方式为本发明的优选案例,并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光子晶体光纤,其特征在于,包括:
从内自外的芯层、包层以及涂覆层,
所述光纤的横截面为圆形,所述芯层、所述包层以及所述涂覆层均同心,
其中,所述包层包括多个包层环。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤,其特征在于:
其中,所述芯层横截面的中心具有圆形孔。
3.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤,其特征在于:
其中,所述包层包括5个包层环。
4.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤,其特征在于:
其中,所述包层环的横截面为圆环。
5.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤,其特征在于:
其中,所述包层环内均匀设置多个相同大小的气孔,所述气孔以所述芯层的中心为中心原点呈环形阵列排布。
6.根据权利要求5所述的一种光子晶体光纤,其特征在于:
其中,所述气孔的横截面为半椭圆。
7.根据权利要求6所述的一种光子晶体光纤,其特征在于:
其中,所述包层环内的气孔的截面积的大小从内圈到外圈依次变大。
8.根据权利要求6所述的一种光子晶体光纤,其特征在于:
其中,所述气孔的半椭圆形的长轴均指向所述芯层的中心,所述气孔的半椭圆形的顶端均指向所述涂覆层。
9.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤,其特征在于:
其中,所述芯层的折射率大于所述包层的折射率。
10.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤,其特征在于:
其中,所述芯层采用玻璃材料制成,所述涂覆层采用丙烯酸酯材料或硅橡胶材料制成。
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