CN100555009C - 高双折射矩形结构光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光子晶体光纤，特别是涉及一种高双折射光子晶体光纤及其制作方法。其特征在于：所述矩形结构光子晶体光纤孔的中心位于均匀矩形网格的结点上；光纤的芯区是由位于矩形网格结点上缺失一个孔形成的高折射率芯区(2)，光纤的芯区或是由位于矩形网格结点上一个孔的减小所形成的高折射率芯区(3)。高双折射的光子晶体光纤其结构本身具有二阶对称性，因此具有极高的双折射(可达10^-2以上)，并具有可调的色散特性，以及可获得零群速度差等优点。

Description

高双折射矩形结构光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤，特别是涉及一种高双折射的光子晶体光纤及其制作方法。

背景技术

高双折射光纤是一类重要的光纤，它在光通信、光信号检测和处理等很多领域都有重要的应用。最初其应用领域主要为光纤传感，随着光纤通信技术的发展，在光纤放大器、光纤激光器、波分复用和偏振模色散补偿等方面也获得广泛的应用。同时，高双折射光纤在高比特率光通信系统中扮演着一个重要角色，因为高双折射光纤可以消除偏振模式色散的影响。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，简称PCF)又被称为微结构光纤或多孔光纤，是一种近年来引起广泛关注的新型光纤。由于PCF中空气孔的排列和大小有很大的控制余地，可以根据需要设计PCF的光传输特性，所以它激起了人们浓厚的兴趣。PCF具有特殊的色散和非线性等特性。

光子晶体光纤一般可采用堆积-拉制法制作，即先拉制出空芯棒和实芯棒，然后按一定的规则(一般堆积成正六角形状)堆积而成，再在外面加一外包层以固定结构及增加其外径。

由于光子晶体光纤的包层和纤芯具有高的折射率差的特点，因而非常适宜制作高双折射光纤。光子晶体光纤可获得高双折射的能力已经得到了验证。最早报道设计并制作出具有高双折射光子晶体光纤的文献是【Opt.Lett.25(18)1325～1327.2000】，文中报道了折射率差达3.7×10^-3，拍长为0.4mm的石英双折射光子晶体光纤。专利【CN 1341219A，2002】中的双折射光子晶体光纤采用的就是此文献中所述结构。

其后又有几种采用不同结构制作双折射光子晶体光纤的报道。如【IEEEPhoton.Technol.Lett.13(6)588-590.2001】和【OpticsExpress9(13)676-680.2001】等文献报道了采用不同结构的双折射光子晶体光纤。以上几种高双折射光子晶体光纤结构均是采用在局部位置增加非对称性的方法来实现的。这类方法获得的双折射一般在10^-3量级。要获得更大的双折射，应该通过设计包层本身具有内在各向异性特点的光子晶体光纤的方法来实现。目前国际上已有文献【J.LightwaveTechnol.19(4)495-503.2001】和【Opt.Lett.26(4)229-231.2001】以及【J.Opt.A：Pure Appl.Opt.3(6)s141-s143.2001】报道这种结构类型的光子晶体光纤，这种光纤中空气孔采用椭圆型，而空气孔位于正三角形或正方形的网格结点上。由于这种结构本身具有二阶对称性，以此为基础制作的光子晶体光纤就能够具有极高的双折射(可达10^-2以上)，并具有可调的色散特性，以及可获得零群速度差等优点。然而椭圆孔空芯棒难以制作，而要获得高折射率差则更需满足高占空比、椭圆孔离心率大等要求，这些更增加了制作的困难。因此，目前已制作的椭圆孔光子晶体光纤的双折射率在10^-4量级，远远未达到其极限。

发明内容

本发明提供一种高双折射矩形光子晶体光纤，其结构本身具有二阶对称性，可获得比已制作出的双折射型光子晶体光纤更高的双折射，并且易于制作。

这种高双折射矩形光子晶体光纤，其光纤包层是由均匀网格结点上的孔结构形成低折射率区域，其特征在于：高双折射矩形结构光子晶体光纤孔的中心位于均匀矩形网格的结点上；高双折射矩形结构光子晶体光纤的芯区是由位于矩形网格结点上缺失一个孔形成的高折射率芯区，或由位于矩形网格结点上一个孔的减小所形成的高折射率芯区；所述高双折射矩形结构光子晶体光纤的包层是由空芯棒与实芯棒堆积而成的，棒的中心位于正六边形网格的结点上；高双折射矩形光子晶体光纤的孔为圆孔或椭圆孔，为椭圆孔时，椭圆孔的长轴方向与网格中矩形的长或宽方向平行；外包层由一粗管组成，以使结构坚固耐用。

本发明可为制作高双折射光子晶体光纤提供一种新的结构及其制作方法。

附图说明

图1是由位于矩形网格结点上缺失一个孔形成的高折射率芯区的高双折射矩形结构光子晶体光纤横截面示意图；

图2是由位于矩形网格结点上一个孔的减小所形成的高折射率芯区的高双折射矩形结构光子晶体光纤横截面示意图；

图3椭圆孔高双折射矩形结构光子晶体光纤横截面示意图；

图4为图1所示光纤的堆积原理图；

图5为图2所示光纤的堆积原理图。

具体实施方式

实施例1

图1是由位于矩形网格结点上缺失一个孔形成的高折射率芯区的高双折射矩形结构光子晶体光纤横截面示意图。矩形光子晶体光纤的材料1通常采用SiO₂或PMMA等，孔中心位于矩形网格的结点上，各个节点的横向间距为1.15μm，纵向间距为2μm，所有孔的直径均为0.80μm，纤芯2是由矩形网格中一个孔的缺失形成的。由于此结构是二重旋转对称的，因而具有双折射特性。

实施例2

图2是由位于矩形网格结点上一个孔的减小所形成的高折射率芯区的高双折射矩形结构光子晶体光纤横截面示意图。所述矩形光子晶体光纤孔中心位于矩形网格的结点上，包层中各个节点的横向间距为1.15μm，纵向间距为2μm，包层中孔的直径均为0.80μm。纤芯3由直径为0.40μm的孔及周围材料组成。上述纤芯结构可使芯区场强向外扩展，从而更易获得高双折射。

实施例3

图3是由位于矩形网格结点上缺失一个孔形成的高折射率芯区的高双折射矩形结构光子晶体光纤横截面示意图。椭圆孔中心位于矩形网格的结点上，各个节点的横向间距为1.15μm，纵向间距为2μm，所有孔的长轴长均为0.80μm、短轴长为0.40μm；纤芯4是由矩形网格中一个孔的缺失形成的。这种结构使光纤包层具有更大的不对称性，因而可获得更高的双折射。采用椭圆孔结构虽可获得更高的双折射，但不如圆孔易于实现。

制造SiO₂任意结构光子晶体光纤，通常都采用堆积-拉制法，而制造PMMA任意结构光子晶体光纤除堆积-拉制法外，还可采用注塑法、挤出法等技术。制造任意结构光子晶体光纤的方法，原则上都可用于制造矩形光子晶体光纤。采用堆积-拉制法制造矩形光子晶体光纤时的工艺方法为：首先制备出直径为2～4mm的空芯棒、实芯棒和几十毫米的外包层管(矩形或圆形)。然后在外包层管中，将空芯棒和实芯棒按一定规律进行堆积。图4为图1所示结构的堆积示例。其中所有实芯棒外径均为2.3mm，所有空芯棒外径均为2.3mm，内径为1.6mm。纤芯由外径为2.3mm的实芯棒5组成。堆积完成后，为防止拉丝过程中发生形变，在四周空隙处可填入形状相宜的实芯棒。然后放到拉丝塔中拉制成外径约2mm的丝；并将其放入内径约2mm的外包层中，拉制成外径约2mm的丝；再将其放入内径约2mm的外包层管中拉制成所需尺寸的光子晶体光纤。材料为SiO₂时炉温控制在1800～2000℃，材料为PMMA时炉温控制在140～180℃。

图5为图2所示结构的堆积示例。其中所有实芯棒外径均为2.3mm，包层区空芯棒外径均为2.3mm、内径为1.6mm。纤芯由外径为2.3mm、内径为0.80mm的空芯棒6组成。堆积和拉制过程与图4类同。

改变堆积方式，还可形成不同特性的矩形结构光子晶体光纤。

Claims (2)

1.一种高双折射矩形结构光子晶体光纤，所述光纤的包层是由均匀网格结点上的孔结构形成低折射率区域，光纤芯区是由规则网格结点上一个孔的孔径的减小而形成高折射率芯区，其特征在于：所述的矩形结构光子晶体光纤孔的中心位于矩形网格的节点上，所述矩形结构光子晶体光纤的芯区是由位于矩形网格节点上一个孔的减小形成的高折射率芯区(3)。

2.根据权利要求1所述的高双折射矩形结构光子晶体光纤，其特征在于：矩形光子晶体光纤包层的空气孔为圆孔或椭圆孔，椭圆孔的长轴方向与网格中矩形的长或宽方向平行。

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