CN219435083U - 一种新型结构高双折射的光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供有一种新型结构高双折射的光子晶体光纤，光纤基底材料为二氧化硅。该光纤的包层中含一圈正六边形空气孔，十一层椭圆空气孔，两层大圆空气孔，排列方式成上下对称分布。空气孔包含正六边形空气孔，呈正六边形分布。光纤上半部分为椭圆空气孔和圆空气孔排列形成，其中大圆气孔在第五层排列。上方部分第六层中心两端分别有两个小圆空气孔，远离纤芯两侧小椭圆空气孔。中心一层中心为大椭圆空气孔，两端为小椭圆空气孔，两侧相邻两个小椭圆空气孔之间的间距相等。本实用新型的光子晶体光纤具有高双折射性能，应用本实用新型可以大大提高光信号的传输距离，有效降低光纤损耗，使光信号不易变形失真，使光被传输的更加稳定。

Description

一种新型结构高双折射的光子晶体光纤

技术领域

本实用新型涉及光子晶体光纤技术领域，具体公开一种高双折射的光子晶体光纤。

背景技术

光子晶体光纤是一种基于光子晶体的光纤，由光子晶体的周期性结构构成。光子晶体是一种具有禁带结构的材料，其周期性结构能够引导光线沿着特定的方向传播，从而实现对光信号的控制和操纵。光子晶体光纤采用这种特殊结构的光子晶体作为光传输的基质，能够使光线在光子晶体中产生全反射，并且具有较低的损耗和色散。这些特性使得光子晶体光纤在高速通信、传感和激光器等领域具有广泛的应用前景。光纤带宽与光纤的双折射系数有关，双折射系数越大，带宽越高，越有利于长距离传输。

现在已有的光子晶体光纤，在科研实验等领域中得到了大量的应用，也已有许多相关的论文和专利。早在2000年，英国Bath大学采用减少一排空气孔的方法制作出了首根高双折射光子晶体光纤，获得了高达3.7×10^-3的双折射(Blanch A O.Opt Lett 2000；25:1325-1327.)。在2012年，Xu Qiang(Xu Qiang，Miao Runcai，Zhang Yani.OpticalMaterials，2012，35(2)：217-221.)等人提出一种双折射为4.92×10^-3的光子晶体光纤，还有待改善。

对于当今通信中带宽大的需求，现有光纤的双折射系数仍然较低，导致难以提高光纤的带宽，不适于当今长距离通信需求，所以，亟需一种可以提高光纤的双折射系数的光子晶体纤维

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种适用于长距离传输的高双折射的光子晶体光纤，克服现有光子晶体光纤双折射系数较低的缺点。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种新型结构高双折射光子晶体光纤，包括基底；所述基底内设置有在基底的横截面中心位置的纤芯和绕所述纤芯分布的包层；

所述包层包含多层阵列排列的空气孔；所述空气孔的尺度与光波波长在同一量级且沿光纤长度方向贯穿整个光纤。

上述设置达到的效果：空气孔的尺度与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。通过上述的结构，提高了光纤的非对称性，进而增大光纤的双折射系数。

进一步的，所述纤芯为实心；所述包层包括排布在最外层的多个正六边形空气孔、分层分布在所述正六边形空气孔内的小椭圆形空气孔、大圆形空气孔、小圆形空气孔、大椭圆空气孔。

进一步的，所述包层中的空气孔的整体结构为正六边形阵列，包含六层阵列排列的空气孔；

所述正六边形空气孔排列形成正六边形；

所述包层的上半部分的空气孔排布方式为：

小椭圆形空气孔排列形成前四层空气孔；

大圆形空气孔排列形成第五层空气孔；

第六层空气孔中间靠近纤芯的为两个小圆形空气孔，两侧为小椭圆空气孔；

靠近纤芯左右两侧分别设有一个大椭圆空气孔，左右两端排列小椭圆空气孔形成中间层空气孔；

所述包层的上半部分和下半部分沿中间层空气孔呈上下对称分布。

进一步的，中间层空气孔共有16个空气孔，左右两端分别有个小椭圆空气孔，靠近纤芯左右两侧各一个大椭圆空气孔。

进一步的，所述包层中小圆形空气孔的半径与小椭圆空气孔的短半轴长度相等；

除去纤芯左右两椭圆的孔间距、正六边形空气孔的孔间距和小圆形空气孔外，其余相邻两个空气孔之间的孔间距相等。

进一步的，所述位于中间层空气孔中心的大椭圆空气孔和纤芯左右两侧的小椭圆空气孔的长轴平行。

进一步的，所述光子晶体光纤结构参数为：r＝7.5μm，b1＝1.8μm，a1＝0.9μm，b2＝0.8μm，a2＝0.5μm，c＝0.6μm，d1＝5.2μm，e＝0.6μm，e2＝1.4μm，e3＝1.2μm。

光纤半径为r；式中，各字符的含义为：b1：大椭圆长轴长度；a1：大椭圆空气孔短轴长度；b2：小椭圆长轴长度；a2：小椭圆空气孔短轴长度与小圆形空气孔直径长度；c：大圆形空气孔直径长度；d1：正六边形边长；2e：正六边形空气孔的间距与靠近纤芯两圆形空气孔之间的间距；e2：靠近纤芯两大椭圆空气孔间距；e3：靠近纤芯两小圆空气孔间距；e：其余相邻空气孔之间的孔间距。

进一步的，所述基底为二氧化硅基底。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、本实用新型通过改良其内部结构可以方便的制作出了光双折射的光子晶体光纤，而本设计的高双折射的光子晶体光纤结构继承了光子晶体光纤设计灵活的优良特点，并在入射光波长为1550nm的双折射系数达到了10^-2数量级，可以有效提高光纤的带宽，在长距离光纤通信方面具有巨大的应用价值。

2、本实用新型通过改进光子晶体光纤的结构，增强包层中空气孔排布的不对称性，使得该光子晶体光纤具有高双折射和低限制性损耗等特性，可被广泛应用于光纤通信领域。

3、本实用新型的光子晶体光纤结构简单，易于集成和工艺加工。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例中所述高双折射光子晶体光纤横截面的结构示意图。

图2为具体实施例中光子晶体光纤模式分布图，其中：图2a为x偏振方向模场，图2b为y偏振方向模场。

图3为具体实施例中光子晶体光纤的双折射随入射波长变化曲线图，其中图3a为x和y方向的折射率随波长变化的折射率变化，图3b为双折射系数随入射波长变化。

其中：1、大椭圆空气孔；2、大圆形空气孔；3、小椭圆空气孔；4、正六边形空气孔；5、基底材料；6、小圆形空气孔；

其中字母含义为：e：空气孔间距；e2：大椭圆空气孔间距；e3：小圆空气孔间距；b1：大椭圆长轴长度；a1：大椭圆空气孔短轴长度；b2：小椭圆长轴长度；a2：小椭圆空气孔短轴长度与圆形空气孔直径长度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例的限制。

实施例一：

本实施例提供一种高双折射光子晶体光纤结构，主要改进在于横截面的结构改进，图1是本实施例高双折射光子晶体光纤横截面的结构示意图。

光纤包含纤芯和包层部分。基底材料为二氧化硅。包层中含6层呈正六边形排布的空气孔，上下共13层，***还有一圈以正六边形样式分布的正六边形空气孔。

包层中的空气孔包含大椭圆空气孔1、大圆形空气孔2、小椭圆空气孔3、正六边形空气孔4和小圆形空气孔6，排列方式呈上下对称布设。

光纤半径为r；图1中，各字符的含义为：b1：大椭圆长轴长度；a1：大椭圆空气孔短轴长度；b2：小椭圆长轴长度；a2：小椭圆空气孔短轴长度与小圆形空气孔直径长度；c：大圆形空气孔直径长度；d1：正六边形边长；2e：正六边形空气孔的间距与靠近纤芯两圆形空气孔之间的间距；e2：靠近纤芯两大椭圆空气孔间距；e3：靠近纤芯两小圆空气孔间距；e：其余相邻空气孔之间的孔间距。

所述光纤上半部分的结构为：前4层空气孔为小椭圆空气孔排列形成，第1层为10个小椭圆空气孔3。第5层空气孔为圆形空气孔排列形成，共有16个。第六层为靠近纤芯有两个圆形空气孔，左右两侧为7小椭圆空气孔3。

中间层共有16个空气孔，左右两端分别有7个小椭圆空气孔3，靠近纤芯左右两侧各一个大椭圆空气孔1。

下半部分结构与上半部分呈对称。通过上述的结构，提高了光纤的非对称性，进而增大光纤的双折射系数。

此外有一圈正六边形空气孔围住了这些空气孔。通过改进空气孔的结构，可以获得不同的传输特性，以满足不同的通信环境与条件。

本实施例中所述光子晶体光纤结构参数：r＝7.5μm，b1＝1.8μm，a1＝0.9μm，b2＝0.8μm，a2＝0.5μm，c＝0.6μm，d1＝5.2μm，e＝0.6μm，e2＝1.4μm，e3＝1.2μm。

本实用新型采用有限元法并结合完美匹配层边界吸收条件进行理论计算，得到本实用新型的模场分布特性、双折射特性。

如图2所示，可以看出本实用新型的模场分布特性。在光子晶体光纤中，光波的能量被很好的束缚在光纤的纤芯中，图2给出的是纤芯左右两个大椭圆形空气孔的短轴a1为0.0μm时的模场分布，可见对于x、y偏振方向模场能量均集中在纤芯，满足单模传输的要求。

双折射系数B的公式为

式中Re表示取实部，和/>分别为x偏振模和y偏振模的有效折射率。

相应的高双折射光子晶体光纤的双折射系数随波长的变化情况如图3所示。观察图3可得到以下结论：

本实用新型所述高双折射光子晶体光纤双折射系数有明显提高，在常用波长1550nm处，双折射系数高达4.04×10^-2，而普通光纤的双折射一般在10^-4数量级，已有光子晶体光纤双折射一般在10^-3数量级，本实用新型提出了一种具有高双折射低限制性损耗的光子晶体光纤，而本设计的高双折射的光子晶体光纤结构继承了光子晶体光纤设计灵活的优良特点，并在入射光波长为1550nm的双折射系数达到了10^-2数量级。可见，本实用新型比现有光子晶体光纤高出1-2两个数量级，其在高速光通信***、光纤传感和精密光学仪器等领域具有重要的作用。双折射系数增大，可以减少传输信号在两个偏振方向上的耦合程度，增加光信号的传输距离。

通过改良其内部结构可以方便的制作出了光双折射的光子晶体光纤，在长距离光纤通信方面具有巨大的应用价值。

本实用新型具有较低的限制性损耗，适用于长距离光纤传输***。

因此，通过改进光子晶体光纤的结构，增强包层中空气孔排布的不对称性，使得该光子晶体光纤具有高双折射和低限制性损耗等特性，可被广泛应用于光纤通信领域。本实用新型的光子晶体光纤结构简单，易于集成和工艺加工。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种新型结构高双折射光子晶体光纤，包括基底，其特征在于，所述基底内设置有在基底的横截面中心位置的纤芯和绕所述纤芯分布的包层；

所述包层包含多层阵列排列的空气孔；所述空气孔的尺度与光波波长在同一量级且沿光纤长度方向贯穿整个光纤；

所述纤芯为实心；所述包层包括排布在最外层的多个正六边形空气孔、分层分布在所述正六边形空气孔内的小椭圆形空气孔、大圆形空气孔、小圆形空气孔、大椭圆空气孔；

所述包层中的空气孔的整体结构为正六边形阵列，包含六层阵列排列的空气孔；

所述正六边形空气孔排列形成正六边形；

所述包层的上半部分的空气孔排布方式为：

小椭圆形空气孔排列形成前四层空气孔；

大圆形空气孔排列形成第五层空气孔；

第六层空气孔中间靠近纤芯的为两个小圆形空气孔，两侧为小椭圆空气孔；

靠近纤芯左右两侧分别设有一个大椭圆空气孔，左右两端排列小椭圆空气孔形成中间层空气孔；

所述包层的上半部分和下半部分沿中间层空气孔呈上下对称分布。

2.根据权利要求1所述的新型结构高双折射光子晶体光纤，其特征在于，中间层空气孔共有16个空气孔，左右两端分别有个小椭圆空气孔，靠近纤芯左右两侧各一个大椭圆空气孔。

3.根据权利要求2所述的新型结构高双折射光子晶体光纤，其特征在于，所述包层中小圆形空气孔的半径与小椭圆空气孔的短半轴长度相等；

除去纤芯左右两椭圆的孔间距、正六边形空气孔的孔间距和小圆形空气孔外，其余相邻两个空气孔之间的孔间距相等。

4.根据权利要求3所述的新型结构高双折射光子晶体光纤，其特征在于，所述位于中间层空气孔中心的大椭圆空气孔和纤芯左右两侧的小椭圆空气孔的长轴平行。

5.根据权利要求3所述的新型结构高双折射光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤结构参数为：r=7.5μm ，b1=1.8μm ，a1=0.9μm ，b2=0.8μm ，a2=0.5μm ，c=0.6μm， d1=5.2μm， e＝0.6μm，e2=1.4μm，e3=1.2μm；

光纤半径为r；式中，各字符的含义为：b1：大椭圆长轴长度；a1：大椭圆空气孔短轴长度；b2：小椭圆长轴长度；a2：小椭圆空气孔短轴长度与小圆形空气孔直径长度；c：大圆形空气孔直径长度；d1：正六边形边长；2e：正六边形空气孔的间距与靠近纤芯两圆形空气孔之间的间距；e2：靠近纤芯两大椭圆空气孔间距；e3：靠近纤芯两小圆空气孔间距；e：其余相邻空气孔之间的孔间距。

6.根据权利要求1所述的新型结构高双折射光子晶体光纤，其特征在于，所述基底为二氧化硅基底。