CN101281273A - 一种基于狭缝效应的超高非线性光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子晶体光纤，光纤的横断面包括纤芯和包层，包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯的均匀分布着相同结构的空气孔的外围区域，所述空气孔在光纤基底材料(1)中呈周期性排列，尺寸为波长量级，每相邻的三个空气孔(3)单元构成一个正三角形，所述的纤芯由位于光纤端面中心部位的由光纤基底材料(1)和另外一种实心材料(2)共同构成，所述的实心材料(2)的折射率高于光纤基底材料的折射率，两块实心材料(2)对称分布于光纤端面中心的两侧且其外缘的最小距离须小于400nm以产生狭缝(4)。所述的实心高折射率材料(2)的截面可以是圆形、椭圆形、方形或者长方形，圆形截面的直径、椭圆形截面的短轴直径、方形截面的边长、长方形截面的短边长度须小于400纳米。本发明通过改变光子晶体光纤的纤芯结构，利用狭缝(4)将光限制在纳米级尺寸的低折射率基底材料(1)区域中传播，极大的减小了有效模场面积，导致光子晶体光纤具有超高非线性和超低限制损耗。本发明利用简单且便于制作的结构解决了现有光子晶体光纤技术中，难以实现超高非线性的问题。

Description

一种基于狭缝效应的超高非线性光子晶体光纤

所属技术领域

本发明涉及一种光子晶体波导结构，具体涉及一种具有超高非线性的光子晶体光纤。

背景技术

光子晶体光纤又称为多孔光纤或微结构光纤。在光纤端面上，规则排列的许多尺寸在波长量级的空气孔在基底材料中延轴向伸长，在光纤的中心位置缺失一个空气孔，代之以实心的光纤基底材料，或者插入折射率高于基底材料的其他材料形成导光的芯，而外围空气孔在基底材料中呈均匀排列形成包层，光场基本被限定在中心位置高折射率区域，这类光纤也可以认为是通过全内反射原理导光，因此又称为全内反射型光子晶体光纤。通过调节包层空气孔大小，孔间距大小、中心实体的大小、中心实体的折射率，可以使光子晶体光纤具有灵活多样的双折射、非线性、色散特性。

狭缝波导结构于2004年被首次提出，它是一种由纳米级尺寸的低折射率材料构成的特殊光波导结构。在狭缝波导结构中，波导的芯结构由纳米宽度的高折射率材料和低折射率材料共同构成，波导的芯结构由纳米宽度的高折射率材料和低折射率材料共同构成，而光场可以被主要限制在其中的低折射率材料中。这种特殊的导光形式被称为狭缝效应。

随着光通信与光传感技术的飞速发展，超快光学非线性效应的研究与应用已经成为全光信号处理研究中不可或缺的关键技术，同时也为超高非线性的波导器件带来了日益强烈的应用需求。从波导设计的角度，提高波导非线性系数主要通过选用高非线性的基底材料和努力减小有效模场面积两种方法来实现。普通光子晶体光纤可以通过在一定范围内提高空气孔的占空比来增大光子禁带区域覆盖的面积，进而以达到压缩模场有效面积的目的。然而空气孔占空比提高的同时也减小了用于导光的光子带隙区域的覆盖面积，当光子带隙与禁带面积的差别达到一定程度时，纤芯处模场就被完全禁止，造成光纤不再导光。另一种情况是不改变包层空气孔的结构，直接在普通光子晶体光纤中心插入高射率的芯，这种光子晶体光纤的光场集中在纤芯中传播。此时，直接减小高射率芯区面积也可以有效的压缩模场面积。但高折射率芯区在面积减小同时，其对光场的束缚能力也会不断劣化，当芯区减小到一定程度时，光场就会开始发散。相比之下，狭缝波导可以有效的将光场限制在纳米级尺寸的区域内，因此可以方便的实现小模场面积从而具有高非线性。近年来，不同结构、不同材料的狭缝波导结构得到了大量的理论研究和实验验证。基于硅基的低折射率狭缝波导结构已被实现，并经过实验验证。相关研究也已证明，通过对狭缝结构的设计优化，例如采用不对称狭缝波导结构、优化狭缝和平板的几何结构和尺寸，能够实现对光功率的更好限制。但是狭缝波导作为一种平面波导，在传输损耗以及易用性等方面，与光纤波导相比还存在一定的不足。

本发明提出了一种基于狭缝效应的光子晶体光纤结构。在光子晶体周期性包层结构局域光场的基础上，利用纳米级尺寸的狭缝进一步压缩光场，从而获得一种超高非线性光纤波导。计算表明由于光纤包层的作用，所述高非线性光纤中发生狭缝效应所要求的狭缝宽度大于普通的平面狭缝波导，这为实际制作提供了方便。本发明提出的基于狭缝效应的光子晶体光纤，与普通高非线性光子晶体光纤相比，彻底突破了后者在减小有效模场面积上的局限性；与普通平板狭缝波导相比，所具有的光纤波导的形式可以进一步降低传输损耗，从而能够大大提高其在实际应用中的有效长度和便利性。本发明提出的超高非线性光子晶体光纤在全光信号处理等方面有着广阔而重要的应用前景。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是在纤芯处对称分布两块横截面为椭圆形或者方形的高折射率材料，通过高折射率材料形成的狭缝，对模场有效面积进一步压缩进而获得超高非线性系数。从便于实际制作的角度，优化设计高折射率材料的尺寸和形状，获得具有超高非线性的光子晶体光纤。

本发明的目的是解决目前在普通光纤和光子晶体光纤中都难以实现超高非线性的困难，提供一种结构简便并容易制作的超高非线性的基于狭缝效应的光子晶体光纤。

技术方案

本发明的基本原理为：光子晶体光纤利用其周期性结构的包层，将光场集中到光纤端面中心区域传输。而在此中心区域对称放置的两块高折射率材料，与光纤基底材料在光子晶体纤芯又共同形成了宽度为几十至几百纳米的狭缝。在此中心区域的高折射率材料以及狭缝结构内，利用在不同介电常数材料界面上电场矢量的垂直分量不连续，且其大小与材料介电系数的平方成反比的原理，低折射率的光纤基底材料狭缝中的电场分布将大大高于其旁边的高折射率材料中的电场，从而实现将光进一步限制在由低折射率材料构成的狭缝中传输的作用。在这种情况下，两种材料折射率的对比度越大，电场就越不连续，导致低折射率的狭缝部分中的电场强度越强。

本发明提出的一种基于狭缝效应的光子晶体光纤，光纤的横断面包括纤芯和包层。所述的包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯的均匀分布着相同结构空气孔的外围区域，所述的空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，尺寸为波长量级，每相邻的三个空气孔单元构成一个正三角形。所述的纤芯由位于光纤端面中心部位的由光纤基底材料和另外一种实心材料共同构成，所述的实心材料的折射率高于光纤基底材料的折射率，两块实心材料对称分布于光纤端面中心的两侧且其外缘的最小距离须小于400nm以产生狭缝效应。

所述的两块高折射率实心材料，其横截面可以为圆形、椭圆形、方形或长方形。圆形截面的直径、椭圆形截面的短轴直径、方形截面的边长、长方形截面的短边长度须小于400纳米，以避免形成大面积的高折射率区域，确保光场被束缚在狭缝中。

所述的光纤基底材料可以为石英玻璃，也可以为其他高非线性硅酸盐玻璃材料。

有益效果

本发明所述的光子晶体光纤的有益效果主要体现在：在光子晶体周期性包层结构局域光场的基础上，高折射率材料与光纤基底材料共同形成狭缝将光限制在纳米级尺寸的低折射率基底材料区域中传播，极大的减小了有效模场面积，导致光子晶体光纤具有高非线性系数。进一步，如果使用高非线性硅酸盐玻璃材料作为光纤基底材料，可以获得超高非线性的光子晶体光纤。

附图说明

图1是本发明一个实施例的横截面示意图，其中有：光纤基底材料1、长方形截面高折射率材料2、包层中的空气孔3；狭缝4；

图2是图1示例的TE模场分布图；

图3是本发明另一个实施例的横截面示意图，其中有：光纤基底材料1、椭圆形截面高折射率材料2、包层中的空气孔3；狭缝4；

图4是图3示例的TE模场分布图；

具体实施方式

实施例一：

参照附图1～2，一种基于狭缝效应的光子晶体光纤，截面结构如图1所示，光纤的基底材料1为石英，1.55μm处折射率为1.45，非线性系数n₂＝2.6x10^-20m²/W，包层中空气孔3按照本技术领域公认的普通光子晶体光纤通常采用的正三角形规则在基底材料1中均匀排列，相邻空气孔的间距为Λ＝2μm，包层中每个空气孔3的直径为d＝0.8Λ。纤芯区域与基底材料1共同形成狭缝4的两块高折射率材料2为硅，1.55μm处折射率为3.46。每块高折射率材料2的横截面为长方形，其长边长为a＝0.3Λ，短边长为b＝0.1Λ，两块高折射率材料2中心间距为w＝0.15Λ。高折射率材料2与光纤基底材料1共同构成纤芯，并在光纤端面中心区域形成狭缝4，其1.55μm波长处的TE模场分布如图2所示，有效折射率为2.128。利用狭缝4对模场的进一步束缚，该光子晶体光纤具有极小的有效模场面积和极低的限制损耗，其有效模场面积在1.55μm波长处仅为0.1785μm²，非线性系数Γ约为590W^-1km^-1。

实施例二：

参照附图3～4，另一种基于狭缝效应的光子晶体光纤，截面结构如图3所示，光纤的基底材料1为高非线性硅酸盐玻璃Schott SF57，1.55μm处折射率为1.8，非线性系数n₂＝4.1x10^-19m²/W，包层中空气孔3按照本技术领域公认的普通光子晶体光纤通常采用的正三角形规则在基底材料1中均匀排列，相邻空气孔的间距为Λ＝2μm，包层中每个空气孔3的直径为d＝0.8Λ。纤芯区域与基底材料1共同形成狭缝4的两块高折射率材料2为硅，1.55μm处折射率为3.46。每块高折射率材料2的横截面为椭圆形，其长轴为a＝0.3Λ，短轴为b＝0.1Λ，两块高折射率材料2中心间距为w＝0.15Λ。高折射率材料2与光纤基底材料1共同构成纤芯，并在光纤端面中心区域形成狭缝4，其1.55μm波长处的TE模场分布如图4所示，有效折射率为2.188。利用狭缝4对模场的进一步束缚，其有效模场面积在1.55μm波长处仅为0.2189μm²，非线性系数Γ约为7593W^-1km^-1。

Claims (10)

1.一种光子晶体光纤，光纤的横断面包括纤芯和包层，包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯的均匀分布着相同结构的空气孔的外围区域，所述空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，其尺寸为波长量级，每相邻的三个空气孔单元构成一个正三角形，其特征在于，由光纤基底材料和另外一种实心材料共同构成纤芯，所述的实心材料为两块，分布于光纤横断面中心两侧且关于光纤横断面中心对称，其折射率高于光纤基底材料的折射率。

2.如权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于所述的两块高折射率材料的外缘在光纤横断面中心的最短距离须小于400纳米。

3.如权利要求1-2所述的一种光子晶体光纤，其特征在于所述的两块高折射率材料的横截面为椭圆形。

4.如权利要求1-2所述的一种光子晶体光纤，其特征在于所述的两块高折射率材料的横截面为长方形或方形。

5.如权利要求1-2所述的一种光子晶体光纤，其特征在于所述的两块高折射率材料的横截面为圆形。

6.如权利要求1-3所述的一种光子晶体光纤，其特征在于所述的高折射率材料椭圆形截面的短轴直径须小于400纳米。

7.如权利要求1-2，4所述的一种光子晶体光纤，其特征在于所述的高折射率材料方形截面的短边长须小于400纳米。

8.如权利要求1-2，5所述的一种光子晶体光纤，其特征在于所述的高折射率材料圆形截面的直径须小于400纳米。

9.如权利要求1-8所述的一种光子晶体光纤，其特征在于光纤的基底材料为石英玻璃材料。

10.如权利要求1-8所述的一种光子晶体光纤，其特征在于光纤的基底材料为高非线性硅酸盐材料。

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