CN101201432B

CN101201432B - 一种类熊猫型高双折射光子晶体光纤

Info

Publication number: CN101201432B
Application number: CN2007101884508A
Authority: CN
Inventors: 赵建林; 张晓娟; 杨德兴; 侯建平
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2027-12-03
Also published as: CN101201432A

Abstract

本发明公开了一种类熊猫型高双折射光子晶体光纤，用一对大空气孔分别代替与纤芯相连的7个小空气孔，同时包层空气孔横向间距和纵向间距大小不同，因此该结构光纤具有二重旋转对称性，正交偏振模式不再简并，表现出很高的双折射。该类熊猫型光子晶体光纤可以在很宽的波长范围内保持单模传输，其模式双折射比普通光纤至少高一个数量级，该结构光纤的限制损耗很低，数值孔径很大，色散可调。因此，这种结构的PCF可用于制作具有适当色散特性或偏振特性的保偏光纤及相关光纤器件，温度的影响很小，稳定性好。

Description

一种类熊猫型高双折射光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别是一种光子晶体光纤。

背景技术

在理想情况下，单模光纤传输两个相互正交的模式，它们有相同的传播常数，彼此简并，因此可以看成是单一的偏振电矢量。然而，实际的光纤多少会有一些不完善，例如纤芯的椭圆度、内部残余应力等。这时输入光纤的一个线偏振光，在光纤中也会分解为两个振动方向相互正交的偏振光。它们除了场形与理想的模式不同外，传播常数也不同，这样便很容易造成两个相互正交模式之间的耦合，主要表现在两个正交偏振模式由于传播速度不同，其总的偏振态将沿光纤长度方向变化，这就是所谓的光纤双折射。因此一般的单模光纤不能传输偏振光，为此发展了能维持光波偏振态的偏振保持光纤，即保偏光纤。高性能的保偏光纤被广泛应用于偏振光学器件、高速光通信系统、超连续谱产生及光传感等领域。随着高速光通信的发展，需要性能更高、更稳定的保偏光纤。目前的熊猫型、领结型保偏光纤的模式双折射仅能达到5×10^-4，已不能满足日益发展的需求，需要发展新型的高性能保偏光纤。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，缩写为PCF)是一种将光子晶体结构引入光纤中而形成的新型微结构光纤。光子晶体光纤包层中空气孔的特殊排列结构使其呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，如无截止波长的单模特性、可调的色散特性、大的模场面积、良好的非线性及高双折射特性等，因而引起了国内外广泛的关注，成为光纤通信、传感和光电器件领域的一个新的研究热点。相对于传统光纤，光子晶体光纤有很大的设计自由度，因此可以直接通过调整光子晶体光纤包层结构，设计出具有很大双折射(10^-3量级)的光子晶体光纤。现阶段光子晶体光纤的模式双折射已经可以达到10^-3量级，比普通保偏光纤至少高一个数量级。特殊结构的光子晶体光纤可以在极宽的波长范围内支持单模运行，且其单模特性与光子晶体光纤的绝对尺寸无关。灵活设置包层空气孔大小和形状，可以获得高性能的保偏光纤。目前，通过改变光纤横向结构来产生双折射的方法主要有：将空气孔做成椭圆形，将中心孔制成不对称状，将空气孔做成不规则状，或者将空气孔的分布调整为不对称状等。

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2000年光学快报第25卷18期1325-1327页发表的“高双折射光子晶体光纤”(Ortigosa B A，Knight J C，Wadsworth W Jet.al.Highly birefringence photonic crystal fiber[J].Opt.Lett，2000，25(18)：1325-1327)，文中报道了模式双折射达3.7×10-3，拍长为0.4mm的石英双折射光子晶体光纤。其后2001年光电子快报第13卷6期588-590页发表的“折射率传导型高双折射光子晶体光纤”(Hansen，T.P..Broeng，J..Libori，S.E.B.Knudsen，E.Bjarklev，A.Jensen，J.R.Simonsen，H.Highlybirefringent index-guiding photonic crystal fibers，IEEE photon.Technol.Lett.，2001，13(6)：588-590)，报道研制出了模式双折射为9.3×10-4的高双折射光子晶体光纤，该光纤采用了不对称空气孔结构。以上高双折射光子晶体光纤结构均是采用局部位置增加非对称性的方法来实现的。由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，需要通过设计包层本身具有内在各向异性结构的光子晶体光纤来实现。目前已有2001年光学快报第26卷4期229-231页发表的“椭圆型光子晶体光纤”(M.J.Steel，P.M.Osgood.Jr，“Elliptic-holephotonic crystal fibers，”Opt.Lett.26，229-231(2001).)，报道了这种类型的光子晶体光纤结构，这种光纤中的空气孔采用椭圆型，而空气孔位于正三角形和正方形的网格节点上。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(可达到10^-2以上)。然而椭圆空心棒难以制作，并且要获得高双折射率差，则需要更高的占空比和更大的椭圆离心率，这更加增大了制作工艺上的困难。因此，目前已制作的椭圆孔光子晶体光纤的双折射在10^-4量级，远未达到其上限。我们曾在文献【物理学报，2007，56(8)：4668-4676】中报道了一种高双折射光子晶体光纤结构，这种结构光纤可以在800nm-1600nm范围内保持单模传输，模式双折射可以达到10^-3量级，并具有可调的色散。然而，该结构是将纤芯左右对称位置的5个空气孔去掉，代之一大空气孔。该结构的不足之处主要有两点。其一是结构上有4个小空气孔分别与两个大空气孔距离太近，以至于很容易在拉制过程中发生大小空气孔相互接合的情况。其二是所能获得的双折射在10^-3数量级。

发明内容

为了克服现有技术双折射低下的不足，本发明提出了一种结构简单且容易制作的具有高双折射特性的光子晶体光纤结构，该结构本身具有二重旋转对称性，可以获得比现有的双折射型光子晶体光纤更高的双折射，并且在宽波长范围内保持单模传输，限制损耗较低，数值孔径大，色散特性可调。

为此，本发明采取以下技术方案：一种类熊猫型光子晶体光纤，包括纤芯和包层。所述光纤的纤芯1是由中心位于规则网格结点上的一个半径为d₁的小空气孔3的缺失形成的高折射率芯区。所述光纤的包层是由在背景材料2的规则网格结点上的空气孔结构形成的等效低折射率区域，由内包层和外包层组成，位于纤芯1的周围。所述外包层由在背景材料2中规则排布的直径为d₁的小空气孔3及周边的背景材料构成，每相邻三个小空气孔(横向两空气孔和纵向一空气孔3)呈等腰三角形排布，等腰三角形的顶角θ大于60度而小于120度(60°＜θ＜120°)。所述内包层由位于外包层和纤芯1之间的一对直径为d₂的大空气孔4及周边的背景材料构成。所述一对大空气孔4对称位于纤芯两侧并分别取代了相邻的7个格点上的小空气孔3。所述大空气孔4的直径d₂大于小空气孔3的直径d₁的2倍(d₂＞2d₁)。相邻小空气孔3的中心横向间距为Λ，大小等于一对大空气孔4的中心间距的二分之一。所述纤芯1的材料与包层的背景材料2相同，为石英玻璃或聚合物材料。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种结构简单且容易制作的具有高双折射特性的光子晶体光纤结构，该结构通过改变包层空气孔结构设置，用一对大空气孔分别代替与纤芯相连的7个小空气孔，同时包层空气孔横向间距和纵向间距大小不同，因此该结构光纤具有二重旋转对称性，正交偏振模式不再简并，表现出很高的双折射。该类熊猫型光子晶体光纤可以在很宽的波长(1100nm-1800nm)范围内保持单模传输，其模式双折射比普通光纤至少高一个数量级，达到10^-2量级。同时，该结构光纤的限制损耗很低(低于10^-4dB/m量级)，数值孔径很大，色散可调。因此，这种结构的PCF可用于制作具有适当色散特性或偏振特性的保偏光纤及相关光纤器件。并且由于光纤的双折射是通过改变空气孔的几何尺寸实现的，温度的影响很小，稳定性好，因而更适合实际应用。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明一个实施例的横截面示意图；

图中，1-纤芯；2-背景材料；3-直径为d₁的小空气孔；4-直径为d₂的大空气孔；Λ-横向相邻小空气孔3的间距；θ-相邻空气孔3所构成的等腰三角形的顶角。

图2为相邻三个空气孔(横向两空气孔和纵向一空气孔3)所呈等腰三角形的放大图。

图3是由图1实施例计算得到的x偏振和y偏振基模模场的振幅分布图样；

其中，图3(a)是x偏振基模模场的x分量，图3(b)是x偏振基模模场的y分量。

图4是由实施例一计算得到的归一化频率V随波长的变化关系图。

图5是由实施例一计算得到的两个正交模式的有效折射率差Δn随波长的变化关系图。

图6是由实施例一计算得到的两个正交模式的限制损耗图。

具体实施方式

实施例一：

一种类熊猫型光子晶体光纤，端面结构如图1所示，包括纤芯和包层。光纤的纤芯1是由中心位于规则网格结点上的一个半径为d₁的小空气孔3的缺失形成的高折射率芯区，所述光纤的包层是由规则网格结点上的空气孔结构形成的等效低折射率区域。所述包层由内包层和外包层组成，位于纤芯1的周围。所述外包层由在背景材料2中规则排布的直径为d₁的小空气孔3及周边的背景材料构成。所述相邻三个小空气孔(横向两空气孔和纵向一空气孔3)如图2所示，呈等腰三角形排布，等腰三角形的顶角θ大于60度小于120度(60°＜θ＜120°)。所述内包层由位于外包层和纤芯1之间的一对直径为d₂的大空气孔4及周边的背景材料构成。所述一对大空气孔4对称位于纤芯两侧并分别取代了相邻的7个格点上的小空气孔3。所述大空气孔4的直径d₂大于小空气孔3的直径d₁的2倍(d₂＞2d₁)。相邻小空气孔3的中心横向间距为Λ，大小等于一对空气孔4的中心间距的二分之一。

选择背景材料2为石英玻璃，内包层大空气孔4的直径d₂＝2.96μm，外包层小空气孔3的直径d₁＝0.8μm，由小空气孔3构成的等腰三角形的顶角θ＝118°，小空气孔3以及小空气孔3与大空气孔4的横向间距Λ＝2μm，一对大空气孔4的间距为2Λ＝4μm。得到该结构参数下光子晶体光纤的基摸模场分布、归一化频率V、模式折射率差Δn、限制损耗等分别如图3、4、5、6所示。

图3结果表明，由于此结构具有二重旋转对称性，因此光纤基模的两个正交偏振态不再简并，分离成两个不简并的模式——x偏振基模和y偏振基模，且每个基模都存在x和y方向分量。x偏振基模的x方向分量振幅远大于y方向分量振幅，呈现出很强的x偏振特性；而y偏振基模x方向分量振幅远小于y方向分量振幅，呈现出很强的y偏振特性。

图4结果表明，在实施例一给出的结构参数下，光波可以在波长1100nm-1800nm范围内保持单模传输。

图5结果表明，双折射效应随波长的增大而线性增大，在λ＝1550nm时Δn＝0.01656，比普通光纤的双折射至少高出一到两个数量级。

图6结果表明，两个正交模式的限制损耗低于10^-4dB/m。随着波长的增大，光场向包层延伸，因而限制损耗明显增大。

实施例二：

一种类熊猫型光子晶体光纤结构，选择背景材料2为聚合物材料，内包层大空气孔4的直径d₂＝2.8μm，外包层小空气孔3的直径d₁＝0.8μm，由小空气孔3构成的等腰三角形的顶角θ＝96°，小空气孔3以及小空气孔3与大空气孔4的横向间距Λ＝2μm，一对大空气孔4的间距为2Λ＝4μm。

Claims

1.一种类熊猫型高双折射光子晶体光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述光纤的纤芯是由中心位于规则网格结点上的一个直径为d₁的小空气孔的缺失形成的高折射率芯区；所述光纤的包层是由在背景材料的规则网格结点上的空气孔结构形成的等效低折射率区域，由内包层和外包层组成，位于纤芯的周围；所述外包层由在背景材料中规则排布的直径为d₁的小空气孔及周边的背景材料构成，每相邻横向两空气孔和纵向一空气孔(3)呈等腰三角形排布，等腰三角形的顶角θ大于60度而小于120度；所述内包层由位于外包层和纤芯之间的一对直径为d₂的大空气孔及周边的背景材料构成；所述一对大空气孔对称位于纤芯两侧并分别取代了相邻的7个格点上的小空气孔；所述大空气孔的直径d₂大于小空气孔的直径d₁的2倍；相邻小空气孔的中心横向间距为Λ，大小等于一对大空气孔的中心间距的二分之一；所述纤芯的材料与包层的背景材料相同。

2.根据利用权利要求1所述的一种类熊猫型高双折射光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯的材料与包层的背景材料均为石英玻璃或聚合物材料。