CN108614322B - 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，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，芯层位于最内层，芯层横截面的中心为圆形孔，包层内均匀设置多个椭圆形的气孔，包层包括5个包层环，每个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，包层环内的气孔的横截面的面积的大小从内圈到外圈依次递增，椭圆形的气孔的长轴均朝指向芯层的中心，包层环间的间距从内圈到外圈依次变大，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硅橡胶制成。本发明的光子晶体光纤可以传输多个轨道角动量模式，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，其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。近年来，光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)引起了广泛关注。光子晶体光纤又称为微结构或多孔光纤，主要有纤芯和其周围周期性排列的微小的空气孔组成，其通过改变空气孔尺寸、形状和填充率，可以便捷的调节包层和纤芯的相对折射率。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。随着近年来对光子晶体光纤(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。
光子晶体光纤由于其无截止单模、可控的模式面积、较宽波长内可控的色散特性和作为传输介质时的高非线性特性等，被广泛应用多领域。但是其高损耗却在限制其发展。同时，在支持OAM模式传输方面，其有效折射率差始终维持在10-4量级，无法进行进一步提高，从而容易发生奇偶本征模式走移、双折射和偏振模式色散，从而影响模式纯度并引起模式间耦合或串扰。
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：椭圆形的长轴均朝指向芯层的中心。
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：芯层采用二氧化硅晶体或者硅晶体材料制成；包层采用二氧化硅晶体或者硅晶体材料制成。
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：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＝2,4,5,7,9,11,14,15,16)的有效折射率差Δneff随波长变化的关系图；
图3为EHa‐1，1(a＝5,16)和HEa+1，1(a＝9,14)的限制损耗L与波长变化的关系图；
图4为TE0,1，EHa‐1,1(a＝2,3,5,11,16)和HEa+1,1(a＝1,3,5,9,14,15)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＝3,5,14,15)和EHa‐1,1(a＝2,5,11,16)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。光子晶体光纤的横截面结构如图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，中央圆形孔的半径取值为0.67μm，芯层的厚度取值为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上均匀设置多个椭圆形的气孔211，气孔211依次相邻。椭圆形的气孔211的长轴的取值范围为0.7-1.7μm，椭圆形的气孔211短轴的取值范围为0.1-1.1μm。在本实施例中，长轴的取值为1.2μm，短轴的取值为0.6μm。
包层环22上均匀设置多个椭圆形的气孔221，气孔221依次相邻。椭圆形的气孔221的长轴的取值范围为0.9-1.9μm，椭圆形的气孔221短轴的取值范围为0.2-1.2μm。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23上均匀设置多个椭圆形的气孔231，气孔231依次相邻。椭圆形的气孔231的长轴的取值范围为1.1-2.1μm，椭圆形的气孔231短轴的取值范围为0.3-1.3μm。在本实施例中，长轴的取值为1.6μm，短轴的取值为0.8μm。
包层环24上均匀设置多个椭圆形的气孔241，气孔241依次相邻。椭圆形的气孔241的长轴的取值范围为1.3-2.3μm，椭圆形的气孔211短轴的取值范围为0.4-1.4μm。在本实施例中，长轴的取值为1.8μm，短轴的取值为0.9μm。
包层环25上均匀设置多个椭圆形的气孔251，气孔251依次相邻。椭圆形的气孔251的长轴的取值范围为1.5-2.5μm，椭圆形的气孔251短轴的取值范围为0.5-1.5μm。在本实施例中，长轴的取值为2μm，短轴的取值为1μm
相邻的包层环之间的间距相同，均为0.2μm。
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。每个包层环的椭圆形的气孔的数目均一样，在本实施例中其数目为92个。每个包层环内的每个椭圆形的气孔的长轴均指向芯层10的中心。
芯层10采用二氧化硅晶体或者硅晶体材料制成，包层20采用二氧化硅晶体或者硅晶体材料制成，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，芯层和包层均采用硅晶体材料制成，涂覆层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＝2,4,5,7,9,11,14,15,16)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1.1μm到1.7μm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＝5,16)和HEa+1，1(a＝9,14)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＝2,3,5,11,16)和HEa+1,1(a＝1,3,5,9,14,15)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＝3,5,14,15)和EHa‐1,1(a＝2,5,11,16)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。
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 (5)
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，
所述包层环内均匀设置多个相同大小的气孔，所述气孔的横截面为椭圆，所述气孔以所述芯层的中心为中心原点呈环形阵列排布，
所述包层包括5个包层环，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，
所述椭圆形的长轴均朝指向所述芯层的中心。
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，所述包层环的横截面为圆环。
4.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，所述芯层采用二氧化硅晶体或者硅晶体材料制成；
所述包层采用二氧化硅晶体或者硅晶体材料制成。
5.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，所述涂覆层采用丙烯酸酯材料或硅橡胶材料制成。
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Granted publication date: 20200310 |
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