CN113589424B - 一种保偏色散补偿微结构光纤 - Google Patents

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Abstract

一种保偏色散补偿微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底材料；包括内芯，区域1空气孔阵列和区域2空气孔阵列；区域1、2空气孔阵列中的空气孔均采用正方晶格排列方式；区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布；区域1中忽略中间一列连续2个空气孔形成实心区域作为内芯；2个外芯分别位于区域2的2个子区域中，且每个外芯内均包含2个空气孔；内、外芯的长、短轴方向垂直，且内芯与2个外芯的中心点均位于x轴上。本发明在内芯某一偏振方向上光模式具有大负色散,并且在传输时能够保持此模式偏振方向的微结构光纤，以实现对前端保偏光纤输入的光进行偏振保持和累积色散补偿的技术效果。

Description

一种保偏色散补偿微结构光纤
技术领域
本发明涉及光纤通讯领域，尤其涉及一种保偏色散补偿微结构光纤。
背景技术
光纤是优良的光信号传输介质之一。保偏色散补偿光纤既可以降低误码率，也可以提高信号传输质量，具有广阔应用前景。
微结构光纤结构设计的灵活性，为实现保偏特性和色散补偿特性提供了很大设计空间。利用微结构光纤实现保偏特性(或者高双折射特性)时，如果微结构光纤整体结构具有C2v对称性，则纤芯内同一个模式的x、y偏振态将不再简并(x、y偏振态模式折射率数值的实部不再相等)，从而产生双折射。但是空气孔采用正方形排布的阵列，其对称性为C4v。具有C4v对称性的微结构光纤，纤芯模式不具有双折射。因此，可以在正方形排布空气孔的阵列中忽略若干个相邻空气孔形成长方形纤芯，使光纤整体对称性降至C2v对称性。比如，Ming-Yang Chen提出一种正方晶格光子晶体光纤：通过在y方向上忽略中心的两个紧邻空气孔形成纤芯，使其具有C2v对称性，从而使纤芯产生双折射。需要注意的是，所有空气孔采用正方晶格排布，具有C4v对称性，因此从正方晶格的两条垂直边对应方向(x或y方向)看，几何结构上是完全等同的，忽略x或y方向空气孔形成纤芯实质相同。同时，作为保偏光纤，此光纤在x、y方向均低损耗传光。因此包层空气孔具有将x、y偏振模式能量有效限制于芯内的技术效果，芯内能量几乎不会透过包层空气孔泄露到光纤外部。(Ming-Yang Chen etal.Broadband single-polarization operation in square-lattice photonic crystalfibers[J].Journal of Lightwave Technology,2010,28(9/12):1443-1446.)
在同一论文及相应的发明专利中，基于上述结构，Ming-Yang Chen等人进一步在包层中构建与纤芯具有相同配置且排布方向垂直的包层缺陷(在x方向上忽略两个紧邻的空气孔)，提出了一种宽带单偏振正方晶格光子晶体光纤。此种方案的要点为：在利用长方形芯于芯内产生双折射的基础上，构建了2个包层长方形缺陷，其排布方向(长、短边方向)与长方形纤芯垂直，导致包层缺陷和内芯快、慢轴方向相反。进一步改变包围纤芯的空气孔直径：当其小于(大于)包围包层缺陷的空气孔直径时，使纤芯、包层缺陷中x偏振模(y偏振模)的有效模式折射率匹配，则纤芯、包层缺陷中x偏振模(y偏振模)发生强耦合，从而被衰减掉，而纤芯与包层缺陷中另一个垂直方向的偏振模有效模式折射率差大，有效地减少了相互间的耦合，保证芯内该偏振模式低损耗传输，实现单模单偏振传输的技术效果。需要注意的是，由于要实现宽带单偏振的技术效果，纤芯内不发生耦合的模式是有用模式，得到保留；发生耦合的模式，是需要滤除的模式。且为了高效宽带滤除该模式，其采用的技术方案为：需要耦合的内芯及缺陷偏振模式有效折射率曲线在斜率、形状、大小方面接近，使需要匹配的两个偏振模更容易实现在很宽波长范围内匹配。(Ming-Yang Chen etal.Broadband single-polarization operation in square-lattice photonic crystalfibers[J].Journal of Lightwave Technology,2010,28(9/12):1443-1446.和陈明阳,张永康等.一种单偏振光子晶体光纤:中国,CN201010149977.1[P].2010-12-22.)
利用微结构光纤实现色散补偿特性(或者大负色散特性)，从光纤结构而言，常采用的一种技术方案是同轴双芯微结构光纤。此方案中心忽略空气孔形成内芯，缩小包层中某一层空气孔构成环状外芯。光纤内、外芯几何形态差别较大，因此两个芯中模式折射率随波长变化的规律(模式折射率-波长曲线的斜率)差异较大；根据耦合模理论可知，模式折射率数值越接近，模式耦合越强；在内、外芯模式折射率随波长变化曲线斜率差大的前提下，调整内、外芯模式折射率数值，使两者在某一波长相交，但在其他波长两曲线快速分开。在交点附近耦合强烈而在其他波长耦合较弱，造成仅在交点处内、外芯模式折射率数值突变，进而形成整个模式折射率随波长变化的曲线在该点附近折变，产生大负色散，从而具有色散补偿特性。比如，Maji Partha Sona等人设计了一种具有正方晶格几何结构的超负色散光子晶体光纤，其技术方案为：缺失光纤中央空气孔形成内芯，减小第三环所有空气孔直径，使整个第三环成为外芯，内、外芯模式耦合，在1550nm附近产生大负色散(Maji ParthaSona et al.Designing an Ultra-Negative Dispersion Photonic Crystal Fiber withSquare-Lattice Geometry[J].International Scholarly Research Notices,2014,2014.)。此外，王红华等人设计了一种改进的正方形格点双芯光子晶体光纤。此方案与MajiPartha Sona等人方案的不同之处在于：其第二层采用两种不同孔径的空气孔，其中4个顶角处采用较大的孔，剩余孔径较小的空气孔作为外芯。(王红华等.改进的正方形格点双芯光子晶体光纤的负色散特性分析[J].量子光学学报,2009,15(4):368-373.)
现有实现保偏色散补偿特性的技术方案，主要有两类。第一类方案，结合C2v对称性结构和同轴双芯结构，利用C2v的低对称性和模式耦合效应，使内芯x、y偏振态产生双折射，内、外芯某一组或两组偏振态相同模式在某些波长处发生模式耦合而在其他波长不耦合，使得内芯该偏振模式在耦合点附近同时具有保偏和色散补偿特性。比如，王伟和杨骐豪等人的一种保偏色散补偿微结构光纤的技术方案中，内包层、外芯和外包层中的椭圆形空气孔采用等腰三角形排布方式，利用多种技术效果相同或相反的模式折射率调节机制，实现内、外芯双折射方向(快、慢轴方向)相同。同时，内、外芯双折射数值大小匹配，使内芯具有保偏特性，且内芯两个偏振方向都实现色散补偿特性。(王伟,杨骐豪等.一种保偏色散补偿微结构光纤:中国,CN201911121696.2[P].2020-02-14.)而在王伟和周凡迪等人的一种保偏色散补偿微结构光纤的技术方案中，内纤芯区域的中心空气孔中填入液晶，使光纤具有保偏特性。同时，外纤芯区域的空气孔中填入液晶，使外纤芯区域产生双折射。通过合理调整各偏振模式的折射率，使液晶在0°(90°)时，内、外纤芯区域的x偏振模式(y偏振模式)折射率曲线相交，产生内、外纤芯区域的模式能量耦合，从而使内纤芯区域的x偏振模式(y偏振模式)产生大负色散。(王伟,周凡迪等.一种保偏色散补偿微结构光纤:中国,CN201911207733.1[P].2020-03-13.)第二类方案，也使用了C2v对称性，并且形成了环状外芯。但是并未指出是否存在内、外芯模式耦合，而是通过改变气孔的形状、大小和间距来控制色散特性。比如，Md.Ibadul Islam等人提出了一种具有极高非线性、双折射和超高负色散补偿的方晶格光子晶体光纤，通过光纤中心空气孔缺失形成内芯，减小第三环处圆形空气孔直径使该环作为外芯，而其余空气孔环均采用椭圆形空气孔。虽然此设计也构建了同轴双芯结构，但是仅研究了如何通过调整和优化光子晶体光纤的结构参数实现大负色散，并未提及内、外芯模式耦合。(Md.Ibadul Islam et al..Proposed Square LatticePhotonic Crystal Fiber for Extremely High Nonlinearity,Birefringence andUltra-High Negative Dispersion Compensation[J].Journal of OpticalCommunications,2019,40(4).)
另外需要说明的是，保偏色散补偿光纤和单模单偏振光纤的技术领域及要实现的技术效果不同，因此两类光纤有本质区别：在保偏色散补偿光纤中，实现色散补偿特性使用的是内芯中发生内、外芯耦合的偏振态模式。内、外芯对应模式折射率随波长变化曲线斜率需要较大差异，使得在某个波长处两模式强烈耦合而在其他波长耦合强度迅速减弱，以形成该耦合波长及其附近较窄带区域的大负色散。同时，由于要传输光能量，此内芯偏振态模式的能量应被空气孔紧密限制在内芯，在工作波段内应保证在内芯中的低损耗传输。与其垂直的内芯偏振态模式，如果不与外芯模式发生耦合，则不具备大负色散和色散补偿特性，对此偏振态模式的主要技术指标在于保证两个内芯偏振态模式折射率差值足够大，降低两个内芯偏振态模式的耦合和保证能量不发生串扰，而对这个内芯偏振态的损耗等其他特性无要求，其模式能量可以透过包层空气孔泄露或者被包层空气孔限制于内芯中。在单模单偏振光纤中，则利用的是内芯中不与外芯耦合的偏振态模式，要求此模式被空气孔紧密限制在内芯中，实现此偏振态模式在内芯的低损耗传光。而对于内芯中和外芯耦合的另一偏振态模式而言，其与外芯模式耦合带宽越宽，对光纤整体性能越有利，因此要求两模式折射率随波长变化曲线的数值和斜率都尽可能接近。同时，此内芯偏振态模式必须通过与外芯相应模式的耦合，转移到外芯并通过空气孔泄露，因此要求此模式的限制损耗越大越好。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在内芯某一偏振方向上光模式具有大负色散,并且在传输时能够保持此模式偏振方向的微结构光纤，以实现对前端保偏光纤输入的光进行偏振保持和累积色散补偿的技术效果。本发明提供的技术方案可以同时解决以下三个技术问题：
(1)在模式折射率数值方面，实现了内芯两偏振态模式折射率数值具有很大差异(高双折射)及具有大负色散的内芯偏振态与外芯相同偏振态的模式折射率数值匹配。
本发明中区域1中忽略中间一列连续2个空气孔形成实心区域，由包围此实心区域的第一层空气孔阵列围成类似长方形的内芯、增大包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径、减小区域1空气孔阵列的相邻空气孔间距、内包层空气孔阵列中的空气孔直径小于包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径、增大包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径、减小区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距、区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布等一系列技术方案均能够改变内芯x偏振态模式折射率数值(以下记为内芯neff-x的数值)和内芯y偏振态模式折射率数值(以下记为内芯neff-y的数值)，并使内芯neff-x的数值小于内芯neff-y的数值。上述技术方案共同作用下，本发明实现了调整内芯neff-x、neff-y的数值，并使光纤内芯产生x方向为快轴，y方向为慢轴的高双折射。
本发明中形成长边在x方向的长方形外芯、增大包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径、减小区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距、保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔、增大包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径、减小区域1空气孔阵列的相邻空气孔间距、区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布等一系列技术方案均可以改变外芯x偏振态模式折射率数值(以下记为外芯neff-x的数值)和外芯y偏振态模式折射率数值(以下记为外芯neff-y的数值)，并且形成长边在x方向的长方形外芯、增大包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径、减小区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距、保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔等一系列技术方案均可以产生使外芯neff-x的数值大于外芯neff-y的数值的技术效果。上述技术方案共同作用下，本发明实现了调整外芯neff-x、neff-y的数值，并使外芯产生x方向为慢轴，y方向为快轴的双折射。结合光纤其他结构构成，诸如空气孔的正方晶格排布方式、外芯内空气孔位置、外包层空气孔阵列中的空气孔直径等，对内、外芯neff-x的数值进行精确调控，使内、外芯neff-x的数值在工作波段相等或相近(即内、外芯neff-x的数值匹配)，从而发生强烈耦合。同时由于本发明的上述整体技术方案使内、外芯的快、慢轴方向垂直，当内、外芯neff-x的数值在工作波段匹配时，内芯neff-y的数值将远大于外芯neff-y的数值(即内、外芯neff-y的数值失配)，避免了内、外芯y偏振态模式耦合。
(2)在模式折射率斜率方面，实现了具有大负色散的内芯偏振态与外芯相同偏振态模式折射率斜率具有很大差值(即斜率失配)。
本发明中包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径大于包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径、减小区域1、2空气孔阵列的相邻空气孔间距、内、外芯的长、短边方向垂直、内、外包层空气孔阵列中的空气孔直径一致且小于包围内、外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径、区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布、保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔等一系列方案，均可以增大内、外芯neff-x随波长变化的斜率差值。本发明同时利用上述技术方案，增大了内、外芯neff-x随波长变化的斜率差值，实现了以下技术效果：两曲线在临近交点(工作波长处)时快速接近，内、外芯neff-x的数值差异迅速减小，加强了内、外芯x偏振态模式在工作波段的耦合强度；两曲线在离开交点后快速分离，由于离开工作波长后内、外芯neff-x的数值差异迅速增大，使内、外芯x偏振态模式在非匹配波长耦合迅速减弱，最终形成了内芯neff-x的数值在窄带宽突降，从而使内芯x偏振态模式具备大负色散。同时，内芯neff-x的数值在工作波长波段的降低，与光纤内芯快、慢轴效应叠加，进一步增大了内芯y、x偏振态模式的双折射数值，形成更好的偏振保持效果。
(3)在能量耦合方面，缩窄了具有大负色散的内芯偏振态模式与外芯相同偏振态模式的能量从不耦合到谐振点(工作波长)的过渡带，增强了耦合强度和大负色散值。
本发明中外芯x方向尺寸明显大于工作波长；增大包围外芯单层空气孔阵列中的空气孔直径和减小区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距的技术方案及相关参数调控，减小了外芯模式光能量的石英玻璃泄露通道；上述两类方案均具有使外芯x偏振态模式的光能量在小于工作波长波段时更好地束缚在外芯中的作用。本发明中区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布，增大包围内、外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径的技术方案，具有使内、外芯x偏振态模式的光能量在小于工作波长波段时更好地束缚在内、外芯中的作用。本发明中增大包围内芯单层空气孔阵列中的空气孔直径和减小区域1空气孔阵列的相邻空气孔间距的技术方案及相关参数调控，一方面减小了内芯模式光能量的石英玻璃泄露通道，具有使得内芯x偏振态模式的光能量在小于工作波长波段时更好地束缚在内芯中的作用；另一方面减小了内芯的尺寸，特别是使内芯x方向尺寸仅略大于工作波长，具有使内芯x偏振态模式的光能量在工作波长更易于向外芯扩散而与外芯模式耦合的特性。本发明中区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布和内、外芯的长、短轴方向垂直保证在x方向上中轴线重合,有利于内、外芯x偏振态模式的场分布在位置上匹配；区域1空气孔阵列在x方向仅3列，外芯中缩小的2个空气孔位置；2个外芯分别位于区域2的2个子区域中，结构构成完全相同，位置以y轴为轴对称分布；所有空气孔间距等一系列技术方案和参数范围的选择，均有利于内、外芯x偏振态模式的光场在工作波段耦合。利用上述方案，本发明大幅缩窄了具有大负色散的内芯偏振态模式与外芯相同偏振态模式的能量从不耦合到谐振点(工作波长)的过渡带，进一步增强了耦合强度，增大了内芯x偏振态模式的负色散值的绝对值。此外，保证在x方向上中轴线重合的方案，使内、外芯x偏振态模式的场分布在位置上匹配的同时，将造成内、外芯y偏振态模式的场分布在位置上失配。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种保偏色散补偿微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底材料；包括内芯、包围内芯的单层空气孔阵列、内包层空气孔阵列、外芯内空气孔阵列、包围外芯的单层空气孔阵列和外包层空气孔阵列六部分，其中包围内芯的单层空气孔阵列和内包层空气孔阵列合称为区域1空气孔阵列，外芯内空气孔阵列、包围外芯的单层空气孔阵列和外包层空气孔阵列合称为区域2空气孔阵列；
所述区域1空气孔阵列包含3列空气孔且空气孔采用相邻空气孔间距为Λ的正方晶格排列方式；区域1中忽略中间一列连续2个空气孔形成实心区域作为内芯(记这2个被忽略空气孔圆心的连线中点为坐标原点，圆心的连线所在的轴为y轴，通过原点且与y轴垂直的轴为x轴)；包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径为d1；区域2空气孔阵列中的空气孔采用相邻空气孔间距为Λ的正方晶格排列方式；区域2共2个子区域排布在x方向区域1的外侧，区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列相邻的两列空气孔x方向相距Λ，y方向错位Λ/2排布；2个外芯分别位于区域2的2个子区域中，结构构成完全相同，位置以y轴为轴对称分布：每个外芯内均包含2个直径为d3的空气孔组成外芯内空气孔阵列，分别位于x轴正、负半轴上且空气孔中心到原点的距离分别为3Λ和4Λ；包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径为d2；内包层空气孔阵列和外包层空气孔阵列中的空气孔直径均为d4；上述四种空气孔的直径大小满足：d1﹥d2﹥d4﹥d3。
进一步的，所述区域1空气孔阵列和区域2空气孔阵列中的空气孔采用相邻空气孔间距Λ的范围为2.288-2.298μm。
进一步的，所述包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1的范围为1.601-1.611μm。
进一步的，所述外芯内空气孔阵列包含的2个空气孔直径d3的范围为0.224-0.234μm。
进一步的，所述包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2的范围为1.372-1.382μm。
进一步的，所述内包层和外包层空气孔阵列中的空气孔直径d4的范围为1.055-1.065μm。
进一步的，所述包围内芯的单层空气孔阵列正上方的内包层空气孔阵列空气孔行数大于1行，正下方的内包层空气孔阵列空气孔行数大于1行；所述区域2空气孔阵列的2个子区域包含的空气孔行数大于5行且列数大于5列。
本发明所提出的一种保偏色散补偿微结构光纤，与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)同时实现了内、外芯x偏振态模式的折射率数值和模场匹配以保证x偏振态在工作波长高效耦合，并且同时实现了内、外芯y偏振态模式的折射率数值和模场失配以降低y偏振态的耦合。
本发明中区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布和内、外芯的长、短轴方向垂直的方案，既保证了在x方向上内、外芯中轴线重合，实现了内、外芯x偏振态模式的场分布在位置上匹配(见具体技术方案(5))，又实现了内、外芯x偏振态模式折射率数值匹配：区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布，一方面增大了内芯左、右两侧局部位置的空气填充率，降低了上述位置的包层平均折射率，使内芯neff-x、neff-y的数值减小；另一方面增大了外芯中靠近内芯的局部位置的空气填充率，降低了上述位置的包层平均折射率，使外芯neff-x、neff-y的数值减小(见具体技术方案(2))；内、外芯的长、短轴方向垂直的排布方式下，由于长方形内芯y方向的边长一定大于内芯x方向的边长，使内芯neff-y的数值必然大于内芯neff-x的数值；由于长方形外芯x方向的边长大于外芯y方向的边长，使外芯neff-x的数值大于外芯neff-y的数值(见具体技术方案(3)和(4))。具体而言，由于内、外芯中心仅相距3.5Λ(见具体技术方案(5))，内、外芯模式折射率均受到区域1、2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ、包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1、包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2等参数的共同影响(见具体技术方案(3)和(4))，利用区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布，内、外芯的长、短轴方向垂直，减小区域1、2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，d1﹥d4，d2﹥d4的方案调整内、外芯模式折射率数值，以及保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔的方案调整外芯模式折射率数值(见具体技术方案(3)和(4))；上述整体方案，保证了内、外芯neff-x的数值匹配。上述内、外芯x偏振态模式的折射率数值和模场同时匹配，会促进内、外芯x偏振态模式在工作波长处的耦合。
在具有上述技术效果及有益性的同时，本发明中区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布和内、外芯的长、短轴方向垂直保证在x方向上内、外芯中轴线重合的方案，还实现了内、外芯y偏振态模式的场分布在位置上失配(见具体技术方案(5))和内、外芯y偏振态模式折射率数值失配：区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布，将改变内、外芯模式折射率数值(见具体技术方案(2))；内、外芯的长、短轴方向垂直，也影响内、外芯模式折射率数值，且使内、外芯快慢轴方向相反(见具体技术方案(3)和(4))；由于内、外芯中心仅相距3.5Λ(见具体技术方案(5))，内、外芯模式折射率均受到区域1、2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ、包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1、包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2等参数的共同影响(见具体技术方案(3)和(4))，利用区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布，内、外芯的长、短轴方向垂直，减小区域1、2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，d1﹥d4，d2﹥d4的方案调整内、外芯模式折射率数值，以及保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔的方案调整外芯模式折射率数值(见具体技术方案(3)和(4))；上述整体方案，在保证了内、外芯neff-x的数值匹配的同时，由于内芯y方向为慢轴，使内芯neff-y的数值在内、外芯共4个偏振态模式中最大；外芯y方向为快轴，使外芯neff-y的数值在内、外芯共4个偏振态模式中最小，实现了内、外芯neff-y的数值最大失配。上述内、外芯y偏振态模式的折射率数值和模场同时失配，使内、外芯y偏振态模式在任意波长始终不会耦合。
(2)在内、外芯x偏振态模式的折射率数值匹配的前提下，实现了内、外芯x偏振态模式的折射率数值随波长变化的斜率最大失配。
本发明中利用区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布，内、外芯的长、短轴方向垂直，减小区域1、2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，d1﹥d4，d2﹥d4的方案调整内、外芯模式折射率数值(见具体技术方案(3)和(4))，上述一系列调控内、外芯模式折射率数值的技术方案，不仅影响内、外芯neff-x的数值，实现了内、外芯neff-x的数值匹配，也影响内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率数值。并且上述方案结合保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔使外芯neff-x的数值随波长变化的斜率减小的方案和d1﹥d2以保证内芯neff-x的数值随波长变化的斜率大于外芯neff-x的数值随波长变化的斜率的方案(见具体技术方案(4))，在实现了内、外芯neff-x的数值匹配的前提下，同时由于内芯x方向为快轴，使内芯neff-x的数值随波长变化的斜率在内、外芯共4个偏振态模式中最大；外芯x方向为慢轴，使外芯neff-x的数值随波长变化的斜率在内、外芯共4个偏振态模式中最小，实现了内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率最大失配。上述内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率最大失配，保证了在谐振波长附近向谐振波长靠近时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线迅速接近，使两者数值上的差值迅速减小；而当远离谐振波长时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线快速分离，使两者数值上的差值迅速增大。折射率数值的差值影响耦合强度，而耦合又将影响光场分布及模式折射率的差值。因此，增大内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率差值使得内、外芯x偏振态模式在非工作波段耦合迅速减弱，在工作波段耦合迅速增强，最终形成了内芯neff-x的数值在窄带宽突降。根据色散公式可知，内芯neff-x的数值在窄带宽突降形成下凹时，内芯neff-x的数值对波长的二阶导数为正值，因此使内芯x偏振态模式具备大负色散。
(3)C2v对称性引起的双折射与内、外芯x偏振态模式谐振引入的模式折射率突变共同作用，以实现内芯的高双折射数值和良好保偏特性。
本发明利用内芯具有C2v对称性的方案，使内芯产生了x方向为快轴，y方向为慢轴的高双折射(见具体技术方案(3))。同时，结合具体技术方案(2)、(3)和(4)中对内、外芯neff-x的数值的调控方案，实现了内、外芯neff-x的数值在工作波段匹配的技术效果，使得内、外芯x偏振态模式在折射率数值完全相等的波长处强烈耦合，发生谐振，两个模式将以同一个超模的形态存在，这使得内芯neff-x的数值在该波长处产生很大幅度下降；结合具体技术方案(2)、(3)和(4)中对内、外芯neff-x数值随波长变化的斜率的调控方案，实现了内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率在工作波段最大失配的技术效果，使得内、外芯x偏振态模式在非工作波段耦合迅速减弱，在工作波段耦合迅速增强，最终形成了内芯neff-x的数值在窄带宽突降。上述内芯产生x方向为快轴，y方向为慢轴的高双折射的效果与耦合导致内芯neff-x的数值在工作波长波段的突降效果叠加，进一步增大了内芯y、x偏振态模式的双折射数值，形成更好的偏振保持效果。
采用该技术方案，实施例一最终得到的结果为：在1516.1nm处，内芯x偏振态模式的色散值为-3131ps/(nm·km)，内芯y、x偏振态模式的双折射数值为8.04×10-4；实施例二最终得到的结果为：在1550nm处，内芯x偏振态模式的色散值为-3144ps/(nm·km)，内芯y、x偏振态模式的双折射数值为8.53×10-4；实施例三最终得到的结果为：在1583.8nm处，内芯x偏振态模式的色散值为-3149ps/(nm·km)，内芯y、x偏振态模式的双折射数值为8.97×10-4。
附图说明
图1为实施例一的横截面示意图；
图2为实施例一的内、外芯模式的折射率数值随波长变化的曲线；
图3为实施例一的内芯y、x偏振态模式的双折射数值随波长变化的曲线；
图4为实施例一的内芯x偏振态模式的色散数值随波长变化的曲线；
图5为实施例二的横截面示意图；
图6为实施例二的内、外芯模式的折射率数值随波长变化的曲线；
图7为实施例二的内芯y、x偏振态模式的双折射数值随波长变化的曲线；
图8为实施例二的内芯x偏振态模式的色散数值随波长变化的曲线；
图9为实施例三的横截面示意图；
图10为实施例三的内、外芯模式的折射率数值随波长变化的曲线；
图11为实施例三的内芯y、x偏振态模式的双折射数值随波长变化的曲线；
图12为实施例三的内芯x偏振态模式的色散数值随波长变化的曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参见附图1、5和9，给出了本发明所提出的一种保偏色散补偿微结构光纤的三种实施例的具体结构。采用纯石英玻璃作为基底材料；包括内芯、包围内芯的单层空气孔阵列、内包层空气孔阵列、外芯内空气孔阵列、包围外芯的单层空气孔阵列和外包层空气孔阵列六部分，其中包围内芯的单层空气孔阵列和内包层空气孔阵列合称为区域1空气孔阵列，外芯内空气孔阵列、包围外芯的单层空气孔阵列和外包层空气孔阵列合称为区域2空气孔阵列。区域1空气孔阵列包含3列空气孔且空气孔采用相邻空气孔间距Λ为2.288-2.298μm的正方晶格排列方式；区域1中忽略中间一列连续2个空气孔形成实心区域作为内芯(记这2个被忽略空气孔圆心的连线中点为坐标原点，圆心的连线所在的轴为y轴，通过原点且与y轴垂直的轴为x轴)；包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1为1.601-1.611μm；区域2空气孔阵列中的空气孔采用相邻空气孔间距Λ为2.288-2.298μm的正方晶格排列方式；区域2共2个子区域排布在x方向区域1的外侧，区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列相邻的两列空气孔x方向相距Λ，y方向错位Λ/2排布；2个外芯分别位于区域2的2个子区域中，结构构成完全相同，位置以y轴为轴对称分布：每个外芯内均包含2个直径d3为0.224-0.234μm的空气孔组成外芯内空气孔阵列，分别位于x轴正、负半轴上且空气孔中心到原点的距离分别为3Λ和4Λ；包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2为1.372-1.382μm；内包层空气孔阵列和外包层空气孔阵列中的空气孔直径d4为1.055-1.065μm；上述四种空气孔的直径大小满足：d1﹥d2﹥d4﹥d3。包围内芯的单层空气孔阵列正上方的内包层空气孔阵列空气孔行数大于1行，正下方的内包层空气孔阵列空气孔行数大于1行；所述区域2空气孔阵列的2个子区域包含的空气孔行数大于5行且列数大于5列。
本专利的具体技术方案可以描述为：
(1)采用纯石英玻璃作为基底材料。纯石英玻璃是最常用的光纤材料之一，光学性能等各项物理特性优异，成本低。
(2)区域1、2中的空气孔阵列均采用相邻空气孔间距为Λ的正方晶格排布方式。正方晶格排布的空气孔阵列结构具有C4v对称性，其主要用于调控内、外芯模式折射率的数值大小，此对称性结构本身并不会在内、外芯垂直的两个偏振态模式中产生双折射。
在此基础上，区域2的两个子区域分别位于区域1两侧并在y方向上错半层(Λ/2)排布，使得整个区域的对称性降低为C2v。此种错位排布方式增大了内芯左、右两侧局部位置(包围左、右两个外芯的单层空气孔阵列的最内侧三个空气孔区域)的空气填充率，降低了上述位置的包层平均折射率，因此区域1、2自身对称性为C4v时的错层排布将同时降低内芯neff-x、neff-y的数值，并且对内芯neff-x的数值影响更大，结合下面(3)和(4)所述方案，会产生增大内芯y、x偏振态模式的双折射数值(x方向为快轴，y方向为慢轴)的技术效果，使内芯具有更好的偏振保持特性。同时，此错层排布还增大了内芯neff-x的数值随波长变化的斜率，更有利于内、外芯x偏振态模式在工作波长耦合。此种错位排布方式也增大了外芯中靠近内芯的局部位置(包围内芯的单层空气孔阵列的左、右两列各四个空气孔区域)的空气填充率，降低了上述位置的包层平均折射率，因此区域1、2自身对称性为C4v时的错层排布也将减小外芯neff-x、neff-y的数值，结合下面(4)所述方案，实现了调整外芯neff-x、neff-y的数值，并使外芯产生x方向为慢轴，y方向为快轴的双折射。
另外，区域1、2中的空气孔阵列均采用相邻空气孔间距为Λ的正方晶格排布方式，并且区域2的两个子区域分别位于区域1两侧并在y方向上错半层排布，使得包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔与包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔互相正对对方的石英玻璃通道，利于内、外芯x偏振态模式的光能量在小于工作波长波段时更好地限制在内、外芯中。同时，结合下面(3)和(4)所述方案，大幅缩窄了内、外芯x偏振态模式的能量从不耦合到工作波长的过渡带，具有增强耦合强度和增大内芯x偏振态模式的负色散值的绝对值的效果。
(3)通过忽略y轴上连续2个空气孔形成实心区域，则内芯可以看作是由包围此实心区域的第一层空气孔阵列围成的类似长方形区域。长方形内芯y方向(长边)的边长为(2+1)Λ-d1，x方向(短边)的边长为2Λ-d1，两者数值均与忽略连续空气孔的数量与方向(忽略y轴上连续2个空气孔)有关，还与区域1空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ和包围内芯的第一层空气孔阵列中的空气孔直径d1有关。因此区域1空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，忽略y轴上连续2个空气孔构成内芯和包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1大于内包层空气孔阵列中的空气孔直径d4的内芯构成方案将同时影响内芯模式折射率随波长变化的数值，斜率及双折射。
内芯模式折射率数值及双折射数值调控方面，长方形内芯具有C2v对称性且根据上述公式可知y方向的边长一定大于内芯x方向的边长，因此内芯neff-y的数值必然大于内芯neff-x的数值，从而产生x方向为快轴，y方向为慢轴的双折射。增大包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1和减小区域1空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，将同时减小内芯x、y方向的边长。上述方案首先使内芯neff-x、neff-y的数值减小；其次调控内芯x方向尺寸使其仅略大于工作波长，利于内芯x偏振态模式的光能量在工作波长向外芯扩散而与外芯模式耦合；同时将减小内芯模式光能量的石英玻璃扩散通道，结合(2)所述方案，对内芯x偏振态模式的光能量在小于工作波长波段时具有更好地束缚在内芯的作用。
内芯的长宽比为
Figure BDA0003152159600000181
增大包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1和减小区域1空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ,将增大内芯的长宽比，产生增大内芯x方向为快轴，y方向为慢轴的双折射数值的技术效果。
由于内包层空气孔阵列中的空气孔直径d4小于包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1，降低了内芯y方向包层空气孔阵列的空气填充率，增大了该空气孔阵列与石英玻璃基底的平均折射率，使内芯neff-y的数值增大；同时，增大包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2使其大于外包层空气孔阵列中的空气孔直径d4和减小区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，将增大包围外芯的单层空气孔阵列的空气填充率,减小该空气孔阵列与石英玻璃基底的平均折射率，此方案从内芯角度而言，是增大了内芯x方向的第二层空气孔阵列的空气填充率,减小了该空气孔阵列与石英玻璃基底的平均折射率，使内芯neff-x的数值减小。上述d4<d1，d2＞d4，减小区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ的方案综合效果可进一步增大内芯neff-y、neff-x的数值差值，即增大内芯y、x偏振态模式的双折射数值。
内芯模式折射率随波长变化的斜率调控方面，内芯y方向边长大于内芯x方向边长，使内芯neff-x的数值随波长变化的斜率大于内芯neff-y的数值随波长变化的斜率。增大包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1和减小区域1空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ,将增大包围内芯的单层空气孔阵列的空气填充率，减小该空气孔阵列与石英玻璃基底的平均折射率，使内芯neff-x、neff-y的数值随波长变化的斜率增大，并且对内芯neff-x的数值随波长变化的斜率影响更大。增大包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2使其大于外包层空气孔阵列中的空气孔直径d4和减小区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，将增大包围外芯的单层空气孔阵列的空气填充率，减小该空气孔阵列与石英玻璃基底的平均折射率，此方案从内芯角度而言，是增大了内芯x方向的第二层空气孔阵列的空气填充率,减小了该空气孔阵列与石英玻璃基底的平均折射率，使内芯neff-x的数值随波长变化的斜率增大。利用以上内芯x方向为短轴y方向为长轴，d1>d4，减小区域1、2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，d2>d4的方案，将增大内芯neff-x的数值随波长变化的斜率，有利于增大内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率差值；同时，进一步增大了内芯y、x偏振态模式的双折射数值。
在(3)中所述方案的共同作用下，结合(2)所述方案，使内芯产生了x方向为快轴，y方向为慢轴的高双折射，从而形成了保持x方向光能量偏振态的效果；同时，结合(2)和(4)所述方案，产生增大内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率差值的技术效果。
(4)对于正方晶格的空气孔阵列，其某一晶格内空气孔与石英玻璃基底按照面积比例折算的平均折射率计算公式为：
Figure BDA0003152159600000201
(nsilica表示纯石英玻璃的折射率；nair表示空气的折射率，数值为1.0)。根据上述公式，缩小x轴上连续2个空气孔直径d3使其小于外包层空气孔阵列中的空气孔直径d4，将降低这两个空气孔阵列区域的空气填充率使其小于外包层空气孔阵列区域空气填充率。同时，增大包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2使其大于外包层空气孔阵列中的空气孔直径d4，会进一步压缩两个空气孔阵列周围的石英玻璃区域。综合以上因素，两个空气孔阵列局部的平均折射率为：
Figure BDA0003152159600000202
Figure BDA0003152159600000203
大于外包层的平均折射率
Figure BDA0003152159600000204
因此外芯可以看作是由包围这两个空气孔阵列与石英玻璃基底的第一层空气孔阵列围成的中心带孔的类似长方形区域。同时，外芯x方向(长边)的边长为(2+1)Λ-d2，y方向(短边)的边长为2Λ-d2。根据以上技术方案的定量描述，区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，缩小x轴上连续2个空气孔直径使d3﹤d4构成外芯和d2>d4的外芯构成方案将同时影响外芯模式折射率随波长变化的数值，斜率及双折射。
外芯模式折射率数值及双折射数值调控方面，根据上述公式可知，保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔，与直接忽略空气孔形成纯石英玻璃区域相比，将降低其平均折射率，因此外芯折射率小于内芯。这将降低外芯neff-x、neff-y的数值。而长方形外芯具有C2v对称性且x方向的边长大于外芯y方向的边长，使外芯neff-x的数值大于外芯neff-y的数值，从而产生x方向为慢轴，y方向为快轴的双折射。增大包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2和减小区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，将同时减小外芯x、y方向的边长。上述方案首先使外芯neff-x、neff-y的数值减小。其次，将使外芯x方向尺寸(3Λ-d2)明显大于工作波长并减小外芯模式光能量的石英玻璃扩散通道，利于外芯x偏振态模式的光能量在小于工作波长波段时更好地限制在外芯中。
由于外芯x方向为慢轴，y方向为快轴，根据外芯的长宽比公式
Figure BDA0003152159600000211
增大包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2和减小区域2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ,将增大外芯的长宽比，产生增大外芯x方向为慢轴，y方向为快轴的双折射数值的技术效果。本发明中外芯并不用于光信号传输，因此不需要过大的双折射数值来实现外芯的保偏特性。内、外芯的长、短边方向垂直并通过增大d2和减小Λ增大长宽比，足以保证内、外芯的快、慢轴方向相反。在内、外芯neff-x的数值匹配发生耦合的前提下，内芯y方向为慢轴使内芯neff-y的数值在内、外芯共4个偏振态模式中最大，外芯y方向为快轴使外芯neff-y的数值在内、外芯共4个偏振态模式中最小，实现了内、外芯neff-y的数值在四个模式中的差值最大(最大失配)，使内、外芯y偏振态模式在任意波长始终不会耦合。
另外，增大包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1使其大于内包层空气孔阵列中的空气孔直径d4和减小区域1空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，将增大包围内芯的单层空气孔阵列的空气填充率，减小该空气孔阵列与石英玻璃基底的平均折射率，此方案从外芯角度而言，是增大了外芯内侧x方向的第二层空气孔阵列的空气填充率,减小了该空气孔阵列与石英玻璃基底的平均折射率，主要使外芯neff-x的数值减小以便于和内芯neff-x的数值匹配，而对外芯neff-y的数值影响不大。
本发明利用上述保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔，d2﹥d4，减小区域1、2空气孔阵列的相邻空气孔间距Λ，d1﹥d4，结合(2)所述方案，调整外芯neff-x、neff-y的数值，使外芯产生了x方向为慢轴，y方向为快轴的双折射；同时，使外芯neff-x的数值减小。并结合(2)和(3)中对内芯neff-x数值调控的方案，最终实现了内、外芯neff-x的数值在工作波段匹配的技术效果，即内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线在工作波段随着波长变长逐渐接近，并最终在某一波长处数值完全相等。根据耦合模理论，其他因素相同的情况下，当两个模式折射率数值越接近，两者之间的能量耦合越强。在本发明内、外芯neff-x的数值匹配方案、促进内、外芯x偏振态模式耦合的相关其他方案和具体结构参数范围的共同作用下，在工作波段内芯x偏振态模式的光能量向外芯扩散，外芯x偏振态模式的光能量向内芯扩散，相互耦合后，将同时改变自身与对方的光能量分布和模式折射率数值。特别是在折射率数值完全相等的波长，内、外芯x偏振态模式强烈耦合，发生谐振，两个模式将以同一个超模的形态存在，这使得内芯neff-x的数值在该波长处产生很大幅度下降。
外芯模式折射率随波长变化的斜率调控方面，外芯x方向边长大于外芯y方向边长，使外芯neff-x的数值随波长变化的斜率小于外芯neff-y的数值随波长变化的斜率。保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔，降低了外芯的平均折射率和外芯与其包层的折射率差值，使外芯neff-x的数值随波长变化的斜率减小。由于外包层空气孔阵列中的空气孔直径d4小于包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2，降低了外芯包层空气孔阵列的空气填充率，增大了该空气孔阵列与石英玻璃基底的平均折射率，使外芯neff-x的数值随波长变化的斜率进一步减小。同时，增大包围内、外芯的第一层空气孔阵列的空气孔直径，虽然可分别增大内、外芯偏振态模式折射率数值随波长变化的斜率。但是本发明中采用包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2小于包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1的方案，可以进一步加强内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率的差值，实现内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率失配的技术效果。本发明利用上述外芯x方向边长大于外芯y方向边长，保留但是缩小外芯芯内x方向两个空气孔，d4﹤d2，d2﹤d1的方案技术方案，同时结合(2)和(3)中对内芯neff-x的数值随波长变化的斜率的调控方案，最终实现了内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率最大失配。上述技术效果保证了在谐振波长附近向谐振波长靠近时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线迅速接近，使两者数值上的差值迅速减小；而当远离谐振波长时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线快速分离，使两者数值上的差值迅速增大。根据耦合模理论和前面的论述可知，折射率数值差值影响耦合强度，而耦合又将影响光场分布及模式折射率差值。因此，增大内、外芯neff-x的数值随波长变化的斜率差值使得内、外芯x偏振态模式在非工作波段耦合迅速减弱，在工作波段耦合迅速增强，最终形成了内芯neff-x的数值在窄带宽突降。根据色散公式
Figure BDA0003152159600000231
(c表示真空中的光速，λ表示光的波长)可知，内芯neff-x的数值在窄带宽突降形成下凹时，内芯neff-x的数值对波长的二阶导数
Figure BDA0003152159600000241
为正值，因此使内芯x偏振态模式具备大负色散。同时，本发明中内芯x方向为快轴，y方向为慢轴的高双折射，与耦合导致neff-x的数值在工作波长波段的突降效果叠加，将进一步增大内芯y、x偏振态模式的双折射数值，形成更好的偏振保持效果。
(5)区域1空气孔阵列在x方向上仅3列，区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列相邻的两列空气孔x方向相距Λ，区域2空气孔阵列的2个子区域中缩小x方向上靠近区域1一侧的第2、3层的2个空气孔形成外芯，三个方案结合时外芯包含的2个空气孔中心到内芯中心的距离分别为3Λ、4Λ，使得内、外芯中心仅相距3.5Λ，易于内、外芯x偏振态模式耦合；方案(3)调控内芯x方向尺寸使其仅略大于工作波长，使内芯x偏振态模式的光能量在工作波长易于向外芯扩散；区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布和内、外芯的长、短轴方向垂直，保证了在x方向上内、外芯中轴线重合即内芯中心正对外芯中心，使内、外芯x偏振态模式的场分布在位置上匹配；2个外芯分别位于区域2的2个子区域中，结构构成完全相同，位置以y轴为轴对称分布，本发明利用上述方案，增强了谐振点处的耦合强度，增大了内芯x偏振态模式的负色散值的绝对值。
方案(2)使得包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔与包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔互相正对对方的石英玻璃通道；在(2)的基础上包围内、外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1、d2大于内、外包层空气孔阵列中的空气孔直径d4，进一步增强了空气孔对石英玻璃通道的阻挡作用；方案(3)减小了内芯x偏振态模式的光能量的石英玻璃泄露通道；方案(4)使外芯x方向尺寸明显大于工作波长并减小了外芯x偏振态模式的光能量的石英玻璃泄露通道，本发明利用上述方案，使内、外芯x偏振态模式的光能量在小于工作波长波段时更好地束缚在内、外芯中，从而大幅缩窄了内、外芯x偏振态模式的能量从不耦合到谐振点的过渡带。
而内芯y方向尺寸(3Λ-d1)明显大于工作波长，可以将内芯y偏振态模式的光能量更好地限制在内芯中而不向外芯扩散。同时，区域2空气孔阵列位于区域1空气孔阵列的左、右侧共2个子区域且区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列在y方向错位半层排布和内、外芯的长、短轴方向垂直保证在x方向上中轴线重合的纤芯构成方式，使内、外芯x偏振态模式的场分布在位置上匹配增大耦合的同时，将造成内、外芯y偏振态模式的场分布在位置上失配而降低损耗。结合(4)所提到的内、外芯的快、慢轴方向相反使得内、外芯neff-y的数值相差很大的技术方案，本发明实现了内、外芯y偏振态模式在工作波段始终不会耦合的技术效果。
实施例一：
本实施例中相邻空气孔间距Λ为2.288μm；空气孔直径d1为1.601μm；空气孔直径d2为1.372μm；空气孔直径d3为0.224μm；空气孔直径d4为1.055μm；包围内芯的单层空气孔阵列正上方的内包层空气孔阵列空气孔行数为2行，正下方的内包层空气孔阵列空气孔行数为2行；区域2空气孔阵列的2个子区域包含的空气孔行数为7行且列数为6列。
参见附图2(a)，内芯neff-y的数值大于内芯neff-x的数值，内芯具有x方向为快轴，y方向为慢轴的双折射；外芯neff-x的数值大于外芯neff-y的数值，外芯具有x方向为慢轴，y方向为快轴的双折射。由于内芯y方向为慢轴，使内芯neff-y的数值在内、外芯共4个偏振态模式中最大；外芯y方向为快轴，使外芯neff-y的数值在内、外芯共4个偏振态模式中最小，实现了内、外芯y偏振态模式的折射率数值最大失配。
参见附图2(b)，在谐振波长附近向谐振波长靠近时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线迅速接近，使两者数值上的差值迅速减小；而当远离谐振波长时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线快速分离，使两者数值上的差值迅速增大，使得内、外芯x偏振态模式在非工作波段耦合迅速减弱，在工作波段耦合迅速增强，最终形成了内芯neff-x的数值在窄带宽突降。内、外芯x偏振态模式耦合导致内芯neff-x的数值在工作波长波段的突降与x方向为快轴，y方向为慢轴的高双折射的效果叠加，进一步增大了内芯y、x偏振态模式的双折射数值，参见附图3在1516.1nm处内芯y、x偏振态模式的双折射数值为8.04×10-4。
参见附图4，根据色散公式可知，内芯neff-x的数值在窄带宽突降形成下凹时，内芯neff-x的数值对波长的二阶导数为正值，因此在1516.1nm处内芯x偏振态模式产生色散值为-3131ps/(nm·km)的大负色散。
实施例二：
本实施例中相邻空气孔间距Λ为2.293μm；包空气孔直径d1为1.606μm；空气孔直径d2为1.377μm；空气孔直径d3为0.229μm；空气孔直径d4为1.060μm；包围内芯的单层空气孔阵列正上方的内包层空气孔阵列空气孔行数为4行，正下方的内包层空气孔阵列空气孔行数为4行；区域2空气孔阵列的2个子区域包含的空气孔行数为11行且列数为7列。
参见附图6(a)，内芯neff-y的数值大于内芯neff-x的数值，内芯具有x方向为快轴，y方向为慢轴的双折射；外芯neff-x的数值大于外芯neff-y的数值，外芯具有x方向为慢轴，y方向为快轴的双折射。内、外芯y偏振态模式实现了折射率数值最大失配。
参见附图6(b)，在谐振波长附近向谐振波长靠近时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线迅速接近，使两者数值上的差值迅速减小；而当远离谐振波长时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线快速分离，使两者数值上的差值迅速增大，最终形成了内芯neff-x的数值在窄带宽突降，进一步增大了内芯y、x偏振态模式的双折射数值，参见附图7在1550nm处内芯y、x偏振态模式的双折射数值为8.53×10-4。
参见附图8，在1550nm处内芯x偏振态模式产生色散值为-3144ps/(nm·km)的大负色散。
实施例三：
本实施例中相邻空气孔间距Λ为2.298μm；空气孔直径d1为1.611μm；空气孔直径d2为1.382μm；空气孔直径d3为0.234μm；空气孔直径d4为1.065μm；包围内芯的单层空气孔阵列正上方的内包层空气孔阵列空气孔行数为6行，正下方的内包层空气孔阵列空气孔行数为6行；区域2空气孔阵列的2个子区域包含的空气孔行数为15行且列数为8列。
参见附图10(a)，内芯neff-y的数值大于内芯neff-x的数值，内芯具有x方向为快轴，y方向为慢轴的双折射；外芯neff-x的数值大于外芯neff-y的数值，外芯具有x方向为慢轴，y方向为快轴的双折射。内、外芯y偏振态模式实现了折射率数值最大失配。
参见附图10(b)，在谐振波长附近向谐振波长靠近时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线迅速接近，使两者数值上的差值迅速减小；而当远离谐振波长时，内、外芯neff-x的数值随波长变化的曲线快速分离，使两者数值上的差值迅速增大，最终形成了内芯neff-x的数值在窄带宽突降，进一步增大了内芯y、x偏振态模式的双折射数值，参见附图11在1583.8nm处内芯y、x偏振态模式的双折射数值为8.97×10-4。
参见附图12，在1583.8nm处内芯x偏振态模式产生色散值为-3149ps/(nm·km)的大负色散。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种保偏色散补偿微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底材料；包括内芯、包围内芯的单层空气孔阵列、内包层空气孔阵列、外芯内空气孔阵列、包围外芯的单层空气孔阵列和外包层空气孔阵列六部分，其中包围内芯的单层空气孔阵列和内包层空气孔阵列合称为区域1空气孔阵列，外芯内空气孔阵列、包围外芯的单层空气孔阵列和外包层空气孔阵列合称为区域2空气孔阵列；
其特征在于：所述区域1空气孔阵列包含3列空气孔且空气孔采用相邻空气孔间距为Λ的正方晶格排列方式；区域1中忽略中间一列连续2个空气孔形成实心区域作为内芯(记这2个被忽略空气孔圆心的连线中点为坐标原点，圆心连线所在的轴为y轴，通过原点且与y轴垂直的轴为x轴)；包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径为d1；区域2空气孔阵列中的空气孔采用相邻空气孔间距为Λ的正方晶格排列方式；区域2共2个子区域排布在x方向区域1的外侧，区域2空气孔阵列与区域1空气孔阵列相邻的两列空气孔x方向相距Λ，y方向错位Λ/2排布；2个外芯分别位于区域2的2个子区域中，结构构成完全相同，位置以y轴为轴对称分布：每个外芯内均包含2个直径为d3的空气孔组成外芯内空气孔阵列，分别位于x轴正、负半轴上且空气孔中心到原点的距离分别为3Λ和4Λ；包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径为d2；内包层空气孔阵列和外包层空气孔阵列中的空气孔直径均为d4；上述四种空气孔的直径大小满足：d1﹥d2﹥d4﹥d3。
2.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述区域1空气孔阵列和区域2空气孔阵列中的空气孔采用相邻空气孔间距Λ的范围为2.288-2.298μm。
3.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述包围内芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d1的范围为1.601-1.611μm。
4.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述外芯内空气孔阵列包含的2个空气孔直径d3的范围为0.224-0.234μm。
5.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述包围外芯的单层空气孔阵列中的空气孔直径d2的范围为1.372-1.382μm。
6.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述内包层和外包层空气孔阵列中的空气孔直径d4的范围为1.055-1.065μm。
7.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述包围内芯的单层空气孔阵列正上方的内包层空气孔阵列空气孔行数大于1行，正下方的内包层空气孔阵列空气孔行数大于1行；所述区域2空气孔阵列的2个子区域包含的空气孔行数大于5行且列数大于5列。
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