CN100456061C - 空气传导双芯光子带隙光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用空气传导的带隙光纤，特别是涉及有两个缺陷纤芯的光子带隙光纤，可以更容易实现波长和偏振的分离功能。本发明公开的空气传导双芯光子带隙光纤，其包层由按三角形栅格排列的空气孔构成，通过在纤芯区域引入更大的空气孔形成含有两个缺陷的纤芯。利用包层中折射率周期分布所形成的光子带隙效应，把光约束在两个接近的低折射率的纤芯传导，并在两个纤芯中出现耦合现象。本发明所述的空气传导双芯光子带隙光纤可以出现无耦合波长，利用这种特性可以更容易实现波长和偏振的分离功能。另外，这种空气传导双芯光子带隙光纤还可以应用于高功率传导的方向耦合器。

Description

空气传导双芯光子带隙光纤

技术领域

本发明涉及一种利用空气传导的带隙光纤，特别是涉及有两个缺陷纤芯的光子带隙光纤，可以更容易实现波长和偏振的分离功能。另外，这种空气传导双芯光子带隙光纤还可以应用于高功率传导的方向耦合器。

背景技术

光子晶体光纤由于设计灵活、可以具有许多普通光纤不能实现的性质而受到广泛关注。光子晶体光纤有两种传导机制：折射率传导和光子带隙传导。其中基于光子带隙传导的光子晶体光纤又被称作光子带隙光纤，这种光纤的包层中折射率具有周期分布，从而形成光子带隙，即频率落在光子带隙中的光不能在包层中传播。在这种包层结构中引入破坏周期结构的缺陷作为纤芯，就可以把落在带隙频率范围内的光约束在纤芯中传导。与基于折射率传导的光子晶体光纤和普通光纤不同，光子带隙光纤的传导机制和纤芯的折射率无关，所以这种光纤的纤芯可以是比包层有效折射率更低的材料，甚至是空气。单空气纤芯传导的光子带隙光纤最早在1999年由R.F.Cregan等人制造(Science，285，1573，1999)，通常这种光纤由石英作为基底材料，包层中引入按三角形规则排列的空气孔，中心处通过引入一个更大的空气孔形成缺陷纤芯，这种结构沿光纤长度方向不变。由于在空气传导的光子带隙光纤中，光场主要分布在空气纤芯中，降低了石英玻璃材料的吸收效应，因此这种光纤潜在的用于超低损耗传导，同时也避免了在进行高功率传输时的非线性效应和对基底材料的破坏。目前这种光纤已经被应用于高功率光传输、气体非线性、微观粒子传导等方面。

光子晶体光纤的制作过程通常是把空心的玻璃毛细管和实心玻璃棒按一定结构堆积成预制棒，然后在光纤拉制塔中拉制成光纤。由于在预制棒的制作过程中毛细管和玻璃棒的数目和排列方式能够灵活设计，因此多芯光子晶体光纤的实现相对容易。基于多芯折射率引导型光子晶体光纤方向耦合器的相关器件已经被广泛的研究，2000年B.J.Mangan等人在”Experimental study of dual-core photonic crystal fibre”，Electron.Lett.36，1358-1359，(2000)中最早拉制了双芯折射率传导光子晶体光纤并对这种光纤的耦合特性做了研究。L.Zhang等人在”Polarization splitter based on photonic crystalfibers”，Optics express，11，1015-1020(2003)中利用高双折射双芯光子晶体光纤实现了偏振分离器功能，并在中国专利(申请号03100608.6)中公布了相关内容。此外K.Saitoh等人在“Coupling characteristics of dual-core photonic crystal fiber couplers”，Optics Express，11，3188-3195(2003)中设计了基于双芯光子晶体光纤耦合器的复用-解复用器，J.Legsgaard等人在“Photonic crystal fiber design for broadband directionalcoupling”，Optics Leters，29，2473-2475(2004)中利用掺杂双芯光子晶体光纤设计了具有极宽频率范围的方向耦合器。这些研究和应用充分体现了光子晶体光纤设计的灵活性以及其比普通光纤更强的对光的控制能力。然而这些研究都是基于折射率传导型光子晶体光纤，而对光子带隙光纤而言，除了具有折射率传导型光子晶体光纤的优点外，同时还具有光子带隙效应所带来的一些特殊优良特性。在公知的光子带隙光纤设计中，目前尚没有关于双芯光子带隙光纤的研究和设计方案的专利报道。

发明内容

本发明的目的是提供可用于高功率并可以在短距离内实现波长或偏振分离的空气传导双芯光子带隙光纤。

本发明的技术方案：包括两个缺陷纤芯和一个带有空气孔的包层区域，包层由在基底材料上按规则网格结点上的空气孔构成，两个缺陷纤芯位于包层中心，是两个比包层空气孔更大的空气孔缺陷，横截面是六边形，沿光纤的长度方向不变。

在这种结构中，当光子晶体包层空气孔足够大时，在包层中将出现光子带隙效应。所谓光子带隙是指在折射率呈周期性分布的结构材料中，光子可以具有如同半导体中的电子一样的带隙，即某些频率的光不能在结构内传导。这种具有光子带隙的周期材料被称为光子晶体，在光子晶体中引入破坏周期结构的缺陷时，可以在光子带隙中形成局限在缺陷附近的缺陷模式。光子带隙光纤的导光机制可以用上述理论解释，通过在二维光子晶体包层中引入纤芯缺陷，把光局限在纤芯中传导。由于其传导机制和全内反射无关，对纤芯折射率没有要求，因此在这种光纤中，光可以在空气纤芯中传导。

双芯光纤耦合器的工作原理通常可以利用超模式的干涉来解释。当光从双芯光纤的一个纤芯入射时，在光纤中同时激起偶、奇两个超模式，它们分别基于光纤结构中与两个纤芯连线方向垂直的对称轴呈偶对称或奇对称。通常，偶模式和奇模式的传播常数不同，因此在两个模式干涉下，光的能量在沿光纤传播方向在两个纤芯之间周期转移。能量从一个纤芯完全转移到另一个纤芯时在光纤中所传播的距离定义为耦合长度：

$L_c^{\mathrm{\σ}}=\frac{\mathrm{\π}}{|{\mathrm{\β}}_e^{\mathrm{\σ}}-{\mathrm{\β}}_o^{\mathrm{\σ}}|}$ (σ＝x，y)

其中L_c ^x和L_c ^y表示x和y偏振方向的耦合长度，β_e ^x和β_e ^y是x方向和y方向偏振的偶模式的传播常数，β_o ^x和β_o ^y是x方向和y方向偏振的奇模式的传播常数。耦合长度越短，表明双芯之间的耦合越强。光纤耦合器两个纤芯的输出功率和总功率的比值由耦合长度L_c和光纤耦合器中耦合区域的长度L_d决定，与入射纤芯在输出端输出能量占中能量的比P₁/P_tot＝cos²(πL_d/2L_c)。

本发明所述的双芯空气传导光子带隙光纤具有三角形栅格周期排列空气孔的二维光子晶体包层结构，包层中心区域存在两个比包层空气孔更大的空气孔形成缺陷纤芯。两个纤芯中传播的基模之间的模场交叠，出现上述的偶、奇两种超模式，使能量在两个纤芯之间转换，实现光纤耦合器的功能。同时，由于两个纤芯的引入破坏了单芯光纤原有的对称性，因此在双芯光纤中还存在双折射现象，不同偏振方向的光耦合长度不同。

本发明的有益效果：

基于本发明公开的双芯空气传导光子带隙光纤结构，可以获得具有较短耦合长度的光子带隙光纤。由于在本发明公开的光纤中，不同偏振方向的耦合长度有较大的差别，因此这种光纤也可以用于偏振分离器。特别的，在这种光纤中，可以出现无耦合波长，即在该波长，偶模式和奇模式具有相同的传播常数，两个纤芯之间不存在能量转移。这种现象在折射率传导的波导耦合器是很难实现的。利用无耦合波长，可以更容易地设计和实现波长或偏振的分离功能。

附图说明

图1是本发明的光纤横截面结构。

图2是本发明光纤结构1中传导模式的有效折射率随归一化波长变化。

图3是本发明光纤结构1中归一化耦合长度随波长的变化。

图4是基于本发明中的光纤结构1实现的1.55μm偏振分离器入射纤芯输出端输出能量与总能量比值随波长的变化。

图5是本发明的实施例。

图6是本发明实施例中传导模式的有效折射率随归一化波长变化。

图7是本发明实施例中归一化耦合长度随波长的变化。

图8是基于本发明中的实施例实现的1.48μm和1.55μm波长解复用器的入射纤芯输出能量随波长的变化。

图9是基于本发明中的光纤结构2实现偏振分离器的入射纤芯输出能量随波长的变化。

图中：1.基底材料  2.空气孔  3.缺陷纤芯1  4.缺陷纤芯2  5.光子带隙下边界  6.光子带隙上边界  7.x偏振方向偶模式  8.x偏振方向奇模式  9.y偏振方向偶模式  10.y偏振方向奇模式  11.x偏振方向归一化耦合长度  12.y偏振方向归一化耦合长度  13.x偏振方向光  14.y偏振方向光  15.x偏振方向偶模式  16.x偏振方向奇模式  17.y偏振方向偶模式  18.y偏振方向奇模式  19.无耦合波长  20.x偏振方向归一化耦合长度  21.y偏振方向归一化耦合长度  22.y偏振方向光  23.x偏振方向光  24.y偏振方向光

具体实施方式

下面结合附图具体描述本发明的具体实施方式。

空气传导双芯光子带隙光纤，包括两个缺陷纤芯3、4和一个带有空气孔的包层区域，包层由在基底材料1上按规则网格结点上的空气孔2构成，两个缺陷纤芯位于包层中心，是两个比包层空气孔更大的空气孔缺陷，横截面是六边形，沿光纤的长度方向不变。

包层和纤芯中空气孔形状是圆形，或其它形状。

包层空气孔按三角形栅格排列，横截面中包层部分空气孔面积与包层总面积之比大于67％，以保证这种光子晶体包层结构在有效折射率小于1的范围内存在光子带隙。

缺陷纤芯处空气孔中心位于三角形栅格的结点上，面积大于包层中空气孔面积并与其周围空气孔相交共同形成纤芯区域。

空气传导双芯光子带隙光纤的传导光场能量主要分布在空气纤芯中。

所述空气传导双芯光子带隙光纤具有双折射效应，不同偏振方向的传导模式具有不同的耦合长度。

所述空气传导双芯光子带隙光纤中两个缺陷纤芯的中心连线与包层栅格结构Γ-K方向的对称轴平行时，其中心距离相距为包层空气孔间距的

倍。

空气传导双芯光子带隙光纤中两个缺陷纤芯的中心连线与包层栅格结构Γ-M方向的对称轴平行时，其中心距离相距为包层空气孔间距的3倍。

空气传导双芯光子带隙光纤中与缺陷纤芯中心连线平行的偏振方向的模式存在不发生耦合的波长。

空气传导双芯光子带隙光纤的横截面是圆形、或多边形；缺陷纤芯是2个、3个或4个。

空气传导光子带隙光纤的制造方法是现有毛细管堆砌拉制技术。其主要程序为：1、首先将石英预制棒磨成六角形状，并将中心掏空；2、在拉伸塔中将预制棒拉成外径约1mm的空心毛细管；3、把这些毛细管按三角形栅格堆砌在一起形成预制棒，并通过缺失两个毛细管形成大空气孔的缺陷纤芯；4、在拉伸塔中把宏观尺度的预制棒拉伸成光纤。通过调整毛细管中空气孔的大小、缺陷的位置以及拉制过程中温度和拉制速度，可以获得不同截面常数的光子带隙光纤。

由于Maxwell方程具有比例性质，在下面的演示中，对计算的光纤的传导性质和耦合长度采用了归一化处理，并取包层空气孔间距Λ为特征长度，然后再通过设计Λ和耦合器的长度L_d，实现具有特定功能的方向耦合器。

图1所示为本发明的光纤横截面示意图，双芯光子带隙光纤的基底材料1采用石英玻璃，光纤包层中的空气孔2位于三角形栅格的结点上，相邻空气孔中心的间距设为Λ，空气孔2的半径r＝0.47Λ。两个缺陷纤芯3，4位于三角形栅格的结点上，纤芯中心的连线与三角形栅格的Γ-K方向平行，相距

缺陷纤芯的半径r_c＝1.05Λ。

在这种光纤中传导的模式有x，y两个正交的偏振方向，同时每个偏振又具有偶、奇两种模式。图2是这种光纤中传导模式的有效折射率n_eff＝β/k随归一化波长λ/Λ的变化，其中β和k是模式的传播常数和真空中波数，λ是真空中波长。这些模式位于光子带隙上下边界之间，并且n_eff＜1，表明这种光纤是利用光子带隙效应传导的。由于光子带隙具有一定的宽度，因此光子带隙光纤在长波长和短波长都存在截止波长，为了保证偶模式和奇模式都位于光子带隙中，要求0.563Λ≤λ≥0.638Λ。通过调整空气孔间距Λ的值，把光纤按比例缩放，就可以改变本发明所示光纤耦合器的工作波长范围。

图3显示了这种光纤结构的归一化耦合长度L_c/Λ随归一化波长的变化。其耦合长度具有如下特点，两个偏振方向的耦合长度随波长的增加而下降，并且x方向的耦合长度比y方向的耦合长度长1.5～2.5倍。

演示图1为所示本发明实例作为1.55μm偏振分离器的应用。设Λ＝2.571×10^-6，并取耦合器的长度L_d＝5.685mm。图4显示了在这种情况下与入射纤芯在输出端输出的功率和总功率的比值，如图所示，在波长为1.55μm附近，y方向的偏振光基本都由这个端口输出，而x方向的偏振光为0，也就是从另一个端口输出，从而实现了偏振分离。

图1所示为本发明第二实施例的光纤横截面示意图，双芯光子带隙光纤的基底材料1采用石英玻璃，光纤包层中的空气孔2位于三角形栅格的结点上，相邻空气孔中心的间距设为Λ，空气孔2的半径r＝0.47Λ。两个缺陷纤芯3，4位于三角形栅格的结点上，纤芯中心的连线与三角形栅格的Γ-M方向平行相距3Λ。缺陷纤芯的半径r_c＝1.05Λ。

实施例

图5显示了这种光纤中传导模式的有效折射率n_eff随归一化波长λ/Λ的变化。然而，值得注意的是在图5中，在归一化波长λ/Λ＝0.632附近时，y偏振方向的偶模式和奇模式相交，在交点处奇模式和耦合具有相同的传播常数，因此在该点所对应的波长处两个纤芯之间不会发生耦合。图6显示了这种光纤结构的耦合长度L_c/Λ随归一化波长的变化。其中x偏振方向的耦合长度随波长的变化趋势和本发明中对应模式相似，只是耦合长度更短，表明耦合更强，这是由于两个纤芯距离更近所造成的。而y偏振方向的耦合长度在无耦合点附近为无穷大，而在无耦合点两边迅速下降。

利用无耦合点，实施案例的光纤结构更容易设计实现波长和偏振分离等方面的应用。首先我们演示1.48/1.55μm波长分离器的设计。考虑y偏振方向入射，令波长1.55μm与无耦合点对应，即0.632Λ＝1.55μm，获得空气孔间距Λ＝2.4531μm。此时波长为1.55μm的光始终在入射纤芯中传导，然后设耦合器的长度Ld等于1.48μm的耦合长度2.702mm，此时1.48μm的光从另一个纤芯中出射。图7显示了在上面的配置下y偏振光入射时，入射端口相同臂的出射端口输出的功率和总功率的比值随波长的变化。

接着我们演示实施例的光纤结构用于波长为1.55μm的偏振分离器方面的应用。向样令波长1.55μm与无耦合点对应，即取Λ＝2.4531μm。此时y偏振光不发生耦合，然后取1.55μm处x偏振光的耦合长度L_c作为耦合器的长度，即L_d＝1.097mm。图8显示了在上面的配置下入射端口相同臂的出射端口输出的功率和总功率的比值随波长的变化。

Claims (9)

1.空气传导双芯光子带隙光纤，其特征在于：包括两个缺陷纤芯(3、4)和一个带有空气孔的包层区域，包层中含有空气孔(2)，这些空气孔按规则网格排列；两个缺陷纤芯(3)位于包层中心，是两个比包层空气孔更大的空气孔缺陷，所述空气传导双芯光子带隙光纤的横截面是六边形、圆形或多边形，沿光纤的长度方向不变。

2.根据权利要求1所述的空气传导双芯光子带隙光纤，其特征在于：位于包层和纤芯中的空气孔形状是圆形。

3.根据权利要求1所述的空气传导双芯光子带隙光纤，其特征在于：包层空气孔按三角形栅格排列，横截面中包层部分的所有空气孔面积之和与包层总面积之比大于67％，以保证这种光子晶体包层结构在有效折射率小于1的范围内存在光子带隙。

4.根据权利要求3所述的空气传导双芯光子带隙光纤，其特征在于：缺陷纤芯处空气孔中心位于三角形栅格的结点上，并与其周围空气孔相交共同形成纤芯区域。

5.根据权利要求1所述的空气传导双芯光子带隙光纤，其特征在于：空气传导双芯光子带隙光纤的传导光场能量主要分布在缺陷纤芯中。

6.根据权利要求1所述的空气传导双芯光子带隙光纤，其特征在于：空气传导双芯光子带隙光纤具有双折射效应，不同偏振方向的传导模式具有不同的耦合长度。

7.根据权利要求1所述的空气传导双芯光子带隙光纤，其特征在于：当空气传导双芯光子带隙光纤中包层空气孔按三角形栅格排列，缺陷纤芯空气孔位于三角形栅格的结点上，且空气传导双芯光子带隙光纤中两个缺陷纤芯的中心连线沿Γ-K方向排列，即垂直于包层空气孔三角形栅格的一个边时，两个缺陷纤芯中心的距离为包层空气孔间距的

倍。

8.根据权利要求1所述的空气传导双芯光子带隙光纤，其特征在于：当空气传导双芯光子带隙光纤中包层空气孔按三角形栅格排列，缺陷纤芯空气孔位于三角形栅格的结点上，且空气传导双芯光子带隙光纤中两个缺陷纤芯的中心连线沿Γ-M方向排列，即平行于包层空气孔三角形栅格的一个边时，两个缺陷纤芯中心的距离为包层空气孔间距的3倍。

9.根据权利要求8所述的空气传导双芯光子带隙光纤，其特征在于：空气传导双芯光子带隙光纤中与缺陷纤芯中心连线平行的偏振方向的模式存在不发生耦合的波长。

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