CN101923187B - 一种单偏振光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单偏振光子晶体光纤，涉及光纤通信制造领域，包括基质材料和空气孔组成的纤芯和包层，空气孔排布在正方形结构网格中，纤芯由网格中相邻的两个空气孔的缺失形成，缺陷也是由相邻的两个空气孔的缺失形成，且缺陷排布方向与纤芯排布方向相互垂直，缺陷区(2)与纤芯区(1)以外的其它空气孔为包孔(3)；缺陷区(2)与纤芯区(1)相邻，之间不存在包孔(3)；缺陷区(2)的邻外孔(5)的一侧无包孔(3)。本发明只采用一种材料就可实现，无需采用掺杂等方法改变材料的折射率，不但使制作工艺简单，并且光纤性能不易受环境温度变化的影响，具有更强的环境稳定性。

Description

一种单偏振光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信制造领域，具体分为可实现单偏振传输的单模单偏振光纤。

背景技术

理想单模光纤的横截面和折射率分布具有圆对称性。它可以传输偏振方向相互正交、传播常数相等的两个基模HE₁₁ ^x和HE₁₁ ^y。由于传播常数β_x和β_y相等，因此，这两个模式是相互简并的。它们在沿光纤轴传输时，彼此相位相同，偏振态保持不变，即既保持线偏振，又保持偏振面不旋转，这是理想的传输情况。然而，实际光纤是不完善的，横截面不是理想的圆，内部的折射率分布也因内部应力的不均匀而导致折射率的不均匀等。这就引起两个基模传播常数的变化，从而导致单模光纤中基模偏振态的扰动。单模光纤中两个模式的传播常数或相速与光偏振方向有关的这种现象，称为光纤中的双折射现象。

光纤的这种双折射现象会导致偏振模之间的耦合以及由于两偏振模传播常数的不同而导致的偏振模色散问题，常见的解决方法是采用保偏光纤。保偏光纤在通信、传感等领域都有着广泛的应用。由于保偏光纤的问世，在80年代中期光纤相干通信研究成为很长时间的热门话题。理论计算表明，光纤传输采用相干检测方法比直接幅度检测灵敏度要高近20dB。以保偏光纤为主体的相干式光纤传感器领域正在引起一场新的变革。

为了获得更好的传输性能，可以采用单偏振光纤。单偏振光纤中只有一个偏振模能够在光纤中传输，这样就完全避免了普通单模光纤中存在的偏振模耦合以及偏振模色散等问题。传统的单偏振光纤比较典型的为W型单偏振光纤。光子晶体光纤的出现为单偏振光纤的实现提供了新途径，通过调整光纤中空气孔的排布及尺寸，就可以获得单偏振传输的光子晶体光纤。例如，利用光纤两偏振模在有效折射率上的差异，使其中一个偏振模式因其有效折射率小于包层的有效折射率，从而无法在光纤的传输(J.Lightwave Technol.vol.24，825-830，2006)。但这种方法会导致另一个偏振模的传输损耗也较大。专利(一种高非线性的单偏振单模光子晶体光纤，申请号：200810225319.9)提出在纤芯中引入几个椭圆空气孔，利用两偏振基模截止波长不同的特点，可以实现宽带、单偏振的传输，但椭圆孔过小，会导致实际制作的困难。近期，我们(Opt.Lett.Vol.33，2542-2544，2008)提出采用三角结构光子晶体光纤通过纤芯模式与缺陷模的耦合的方法，实现单偏振的光传输，这种方法简单，易行。但这种方法采用了无双折射的缺陷，且缺陷与纤芯结构不同，无法实现纤芯模式与缺陷模的宽带耦合，而只能在某一光波长实现模式耦合，工作带宽仅为26nm。且在缺陷区引入了高掺杂材料，增加了制作的复杂度；同时，掺杂材料的引入会导致光纤的性能容易随工作环境温度发生变化，影响了其实际应用的效果。另外，纤芯要求高双折射越高越好，以避免在纤芯中的其中一个偏振模与缺陷模耦合的同时，另一个需要保留的偏振模也与缺陷模耦合。这就导致其纤芯形状不规则，传输的偏振模的模场分布变形较严重，不利于其与普通光纤的耦合及光信号的输入。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种新型单偏振光纤。

本发明的技术方案是，本发明的包层由基质材料和正方结构排布的空气孔所组成，纤芯位于光纤中心，由相邻的两个空气孔的缺失所形成，从而形成高双折射。缺陷也是由相邻的两个空气孔的缺失所形成。

为方便描述，做如下定义：

纤芯排布方向：纤芯所缺失的两个空气孔的孔中心的连线。

缺陷排布方向：缺陷所缺失的两个空气孔的孔中心的连线。

孔周期：排布在正方周期结构中相距最近的两个空气孔的孔中心之间的距离，用Λ表示。

纤芯区孔：空气孔的孔中心与纤芯缺失的两个空气孔中的至少一个的孔中心的间距小于1.5倍孔周期的10个空气孔。

缺陷区孔：空气孔的中心与缺陷缺失的两个空气孔中的至少一个的孔中心的间距小于1.5倍孔周期的10个空气孔。

包孔：纤芯区和缺陷区以外的其它空气孔。

纤芯区：包含且仅包含纤芯区孔的矩形区域。

缺陷区：包含且仅包含缺陷区孔的矩形区域。

角孔：缺陷区四个角上的空气孔。

邻芯孔：缺陷区中与纤芯区相邻的3个空气孔中的中间的那个空气孔。

邻外孔：缺陷区中与纤芯区不相邻的一侧的3个空气孔中的中间的那个空气孔。

侧孔：缺陷区除角孔、邻芯孔和邻外孔以外的4个空气孔。

另外，称两个空气孔的孔中心的距离为一个孔周期的两个空气孔为相邻的两个空气孔。

本发明要求纤芯排布方向与缺陷排布方向相互垂直。且当纤芯区的10个空气孔直径相同，缺陷区的10个空气孔直径也相同时，要求纤芯区空气孔直径d_c和缺陷区空气孔直径d_e的关系为：d_c≠d_e。为了增大缺陷模的损耗，缺陷区邻外孔的一侧不存在包孔。同时，为了实现有效的耦合，缺陷区与纤芯区之间不存在包孔。本发明的单偏振光子晶体光纤，只需要采用一种材料，无需采用掺杂等方法改变材料的折射率，从而不易受环境温度变化的影响，具有更强的环境稳定性。且采用常规的光子晶体光纤制作技术即可实现。引入的缺陷同样具有双折射，且缺陷区与纤芯区结构类似，这种方法可以使光纤基模的其中一偏振模损耗大，而同时保持另一偏振模在低损耗的水平，并可在很宽的频率范围内实现单偏振传输。

这种正方结构单偏振光纤的纤芯由相邻的两个空气孔的缺失所形成，从而形成高双折射，即其x和y两个偏振方向的偏振基模具有不同的折射率。由于缺陷区相当于纤芯区旋转90度形成，因此缺陷中的模式与纤芯中模式的区别在于：若纤芯中的模式折射率是n_eo，x＜n_eo，y，这里n_eo，x，n_eo，y分别是纤芯中的x和y偏振模的模式有效折射率；则缺陷中的模式有n_ed，x＞n_ed，y，这里n_ed，x，n_ed，y分别是缺陷中的x和y偏振模的模式有效折射率。显然，如果纤芯区孔的直径d_c小于缺陷区孔的直径d_e，通过调整d_c或d_e的值，可以使n_eo，x＝n_ed，x，则纤芯区的x偏振模将与包层缺陷的x偏振模发生强耦合，由于缺陷区邻外孔一侧没有包孔，因此，耦合到包层缺陷的光很容易被泄漏出去，从而被衰减掉。同时由于纤芯与缺陷均具有双折射，且纤芯区孔和缺陷区孔的直径相近，假设两者的双折射均为B，则纤芯的y偏振模与缺陷的y偏振模的有效折射率之差就等于2B。因此，两个偏振模的有效折射率相差较大，从而有利于保证纤芯的y偏振模与缺陷的y偏振模之间不发生耦合，避免纤芯区y偏振模的损失。同样，若取d_c的值大于d_e的值，则可以使n_eo，y＝n_ed，y，即纤芯的y偏振模被衰减，而x偏振模被保留。

需要说明的是，并不是缺陷区也引入双折射就可以使单偏振工作的带宽增加，因为要使单偏振的带宽较宽，必须使得纤芯的一个偏振模与缺陷的一个偏振模在很宽的波长范围内匹配(即折射率值相近)，而一般情况下，当纤芯与缺陷结构不同时，很难使得两者的某个偏振模在很宽的波长范围内匹配。所以此处就利用了正方结构可以将缺陷区设计成与纤芯区相似且两者在排布上又刚好相互垂直的特点，因此，这种思想采用常用的三角结构就很难实现。由于纤芯区与缺陷区的结构相似，只存在空气孔尺寸的不同，因此纤芯与包层缺陷的模式的有效折射率在形状、斜率上都相近，因此，调整两者的空气孔大小，相当于使偏振模的有效折射率曲线发生平移，从而可以使纤芯与包层缺陷两者的x偏振模或y偏振模在很宽的频率范围内匹配，从而可以实现宽带的单偏振传输。

由于空气孔尺寸大时，模式的双折射高，这样可以使需要保留的偏振模不容易与缺陷模发生耦合，从而有利于单偏振传输的实现。但同时，空气孔尺寸大会导致纤芯出现高阶模。为避免高阶模的产生，保证光纤是单模传输的，可以将包孔的直径取较小的值，从而使高阶模的泄漏损耗较高；同时，为保证光纤中需要传输的那个偏振基模具有低的传输损耗，包孔直径不能过小；综合考虑，包孔的直径d_b应在0.3～0.45倍的孔周期Λ之间，即0.3Λ≤d_b≤0.45Λ。

采用与纤芯区类似的缺陷区，并且缺陷排布方向与纤芯排布方向相互垂直，可以达到下述两个目的：(1)纤芯与缺陷不匹配的两个偏振模的有效折射率之差约等于2B，这里B为纤芯的双折射。因此，两者的有效折射率相差较大，从而可以使纤芯中需要保留的这个偏振模更不容易与缺陷模发生耦合，其损耗较低；同时，有效降低了对纤芯的双折射的要求，本发明仅需纤芯双折射率在10^-4量级即可，避免了引入过高的高双折射后，会导致的纤芯中的偏振模的模式场的变形；(2)由于纤芯区与缺陷区结构相似，因此两者的有效折射率曲线在斜率、形状、大小方面也比较接近，这样，需要匹配的两个偏振模就更加容易实现在很宽波长范围的匹配，从而可以达到宽带单偏振传输的目的。

本发明由纤芯和包层组成，空气孔排布在正方形结构网格中，纤芯由网格中缺失的两个的相邻的空气孔所形成，缺陷也是由缺失的两个空气孔所形成，纤芯由网格中相邻的两个空气孔的缺失形成，纤芯左右两侧各有一个缺陷，缺陷也是由相邻的两个空气孔的缺失形成，且缺陷排布方向与纤芯排布方向相互垂直，缺陷区与纤芯区之间不存在包孔；缺陷区邻外孔的一侧不存在包孔。当纤芯区孔的直径均相同，缺陷区孔的直径也相同时，纤芯区孔的直径d_c与缺陷区孔的直径d_e之间关系为：d_c≠d_e，且|d_c-d_e|＜0.05Λ。如果纤芯区孔的直径与缺陷区孔的直径相同，则两者的偏振模就无法实现折射率的匹配，而如果d_c、d_e值相差过大，则同样无法实现匹配。

由于纤芯是由两个缺失的空气孔所形成的，且围绕纤芯区空气孔的尺寸较大，容易导致高阶模的出现。为避免纤芯中高阶模的产生，包孔的直径取值范围是0.3～0.45倍的孔周期。

为保证纤芯中模式与缺陷中模式之间的折射率匹配，纤芯区空气孔的直径d_c与缺陷区空气孔的直径d_e之差的绝对值要小于0.05倍的孔周期，即有|d_c-d_e|＜0.05Λ。

为了进一步提高缺陷模的损耗，从而提高匹配模式的损耗，还可以采用以下方法：使邻芯孔和邻外孔的直径均小于纤芯区空气孔的直径，同时使缺陷区其余或若干空气孔的直径大于纤芯区孔的直径，如可保持角孔直径不变，只增大侧孔的直径。这样既保证了缺陷模的有效折射率基本不变，又使得纤芯区的光更容易与缺陷发生耦合，且缺陷模更容易被泄漏出去。空气孔的其具体调整方式要求为：邻芯孔和邻外孔的直径小于纤芯区空气孔的直径，且一个缺陷区的所有10个空气孔的面积之和S₁与纤芯区的所有10个空气孔的面积之和S₂之间的关系为S₁≥S₂且S₂/S₁＞99％。

应理解，纤芯区周围可以出现两个或更多的缺陷区，每个缺陷区的具体参数设置可以是独立的，且每个缺陷区的参数设置及每个缺陷区与纤芯区及包孔之间的位置关系仍然需要符合上述说明。

本发明的有益效果是，本发明的单偏振光子晶体光纤，具有工作波长宽、两偏振模的损耗比大的特点。因而其性能更优，应用范围更广。同时，只采用一种材料就可实现，无需采用掺杂等方法改变材料的折射率，不但使制作工艺简单，并且光纤性能不易受环境温度变化的影响，具有更强的环境稳定性。这种光纤采用常规的光子晶体光纤制作技术即可实现，从而保证了产品的成品率。此外，光纤纤芯更为规则，从而使传输的模式场分布更加规则，有利于其与普通光纤的耦合及光信号的输入。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的横截面示意图。

图2为本发明的第二种实施例的横截面示意图。

图3为图1所示实施例的纤芯与包层缺陷模的有效折射率曲线。

图4为图1所示实施例的模场分布示意图，(a)为x偏振模，(b)为y偏振模。

图5为图1所示实施例的模式的损耗曲线。

图6为图1所示实施例包孔直径与高阶模的损耗曲线图。

图7为图1所示实施例纤芯区孔取不同的直径时纤芯区两偏振模的有效折射率曲线。

图8为图2所示实施例的纤芯与包层缺陷模的有效折射率曲线。

图9为图2所示实施例的模式的损耗曲线。

图中，1，纤芯区；2，缺陷区；3，包孔；4，邻芯孔；5，邻外孔；6，角孔；7，侧孔。

具体实施方式

实施例一：

纤芯区1孔的直径取为1.566μm，缺陷区2孔的直径为1.62μm，包孔3的直径取为1.08μm，孔周期(相邻两个孔的中心间距)取为2.7μm。此处，引入了两个缺陷区2孔直径完全相同的缺陷区2，目的是提高x偏振模的损耗。图3给出了其有效折射率曲线图。从图中可见纤芯区1的x偏振模与缺陷区2的x偏振模的有效折射率在很宽的波长范围内都很接近，从而有利于两者的耦合；由于纤芯区1的x偏振模的有效折射率小于纤芯区1的y偏振模的有效折射率，而缺陷区2的x偏振模的有效折射率大于缺陷区2的y偏振模的有效折射率，因此使得纤芯区1的y偏振模和缺陷区2的y偏振模相差较大。纤芯区1的x偏振模和y偏振模的有效折射率相差在10^-4量级，这种对双折射较低的要求，避免了引入过高的双折射会导致的传输的模式场的严重变形。其模场分布图如图4所示。图4给出了模场分布图，x偏振模由于发生耦合而被扩展到了缺陷区2，从而具有较大的损耗，而y偏振模仍然被很好地束缚在纤芯区1，因而损耗较小。两个偏振模的损耗曲线如图5所示。其x偏振模的损耗大于1dB而y偏振模的损耗小于0.02dB的范围可达300nm。这种光纤可适用于中长距离的光传输系统。由图6可见，当包孔3的直径较大时，高阶模的损耗较低，而当包孔3直径较小时，高阶模的损耗可达100dB/m以上，从而避免了高阶模在光纤中的传输。本实施例中，包孔3的直径取为孔周期的0.4倍，既保证了高阶模损耗较高，也保证了传输的偏振模损耗较低。图7给出纤芯区1孔取不同直径时，纤芯区1偏振模的有效折射率曲线。由图可见，取相邻的任意两组直径(如d_c/Λ＝0.56和d_c/Λ＝0.58，或d_c/Λ＝0.58和d_c/Λ＝0.6，或d_c/Λ＝0.6和d_c/Λ＝0.62)，分别作为纤芯区1孔直径和缺陷区2孔直径时，且取纤芯区1孔直径小于缺陷区2孔直径时，均可使纤芯区1的x偏振模和缺陷区2的x偏振模的有效折射率在很宽带宽匹配，从而发生有效耦合。反之，同样取相邻的任意两组直径，分别作为纤芯区1孔直径和缺陷区2孔直径时，且取纤芯区1孔直径大于缺陷区2孔直径时，均可使纤芯区1的y偏振模和缺陷区2的y偏振模的有效折射率在很宽带宽匹配，从而发生有效耦合。由图7可见，纤芯区1和缺陷区2的空气孔直径相差0.02个孔周期即可达到折射率匹配的目的。

实施例二：

其横截面结构如图2所示。纤芯区1孔的直径取为1.62μm，缺陷区2孔直径为：角孔6的直径为1.62μm，邻芯孔4的直径取为1.08μm，邻外孔5的直径取为1.08μm，侧孔7的直径取为1.836μm，孔周期(相邻的孔的中心间距)取为2.7μm。这种结构采用了较小的邻芯孔4，从而有利于纤芯和缺陷的x偏振模的耦合，同时邻外孔5直径也较小，从而使耦合到缺陷区2的x偏振模从这一侧被泄露出去。同时，采用较大的侧孔7，以保证纤芯和缺陷的x偏振模的有效折射率曲线匹配。图8给出了图2所示结构的有效折射率曲线。可以看出纤芯和缺陷各自的x偏振模的有效折射率曲线的很接近。由于纤芯和缺陷的x偏振模相差小而y偏振模相差较大，因此结构参数的少量制作误差对光纤性能影响较小。其损耗曲线如图9所示。x偏振的损耗大于10dB而y偏振模的损耗小于0.1dB的范围可达500nm以上。这种光纤适合用作偏振控制器。

实施例三：

其横截面结构如图2所示。纤芯区1孔的直径取为1.566μm，缺陷区2孔的直径为：角孔6的直径为1.62μm，邻芯孔4的直径取为1.08μm，邻外孔5的直径取为1.08μm，侧孔7的直径取为1.755μm，孔周期(相邻的孔的中心间距)取为2.7μm。这种结构其x偏振的损耗大于20dB而y偏振模的损耗小于0.1dB的范围可达500nm以上。这种光纤同样适合用作偏振控制器。

Claims (4)

1.一种单偏振光子晶体光纤，包括基质材料和空气孔组成的纤芯和包层，其特征在于，所述空气孔排布在正方形结构网格中，纤芯由网格中相邻的两个空气孔的缺失形成，缺陷也是由相邻的两个空气孔的缺失形成，且缺陷排布方向与纤芯排布方向相互垂直，缺陷区(2)与纤芯区(1)以外的其它空气孔为包孔(3)；缺陷区(2)与纤芯区(1)相邻，之间不存在包孔(3)，纤芯区(1)左右两侧各有一个缺陷区(2)；缺陷区(2)的邻外孔(5)的一侧无包孔(3)；其中，作如下定义：

纤芯排布方向：纤芯所缺失的两个空气孔的孔中心的连线；

缺陷排布方向：缺陷所缺失的两个空气孔的孔中心的连线；

孔周期：排布在正方周期结构中相距最近的两个空气孔的孔中心之间的距离，用Λ表示；

纤芯区孔：空气孔的孔中心与纤芯缺失的两个空气孔中的至少一个的孔中心的间距小于1.5倍孔周期的10个空气孔；

缺陷区孔：空气孔的中心与缺陷缺失的两个空气孔中的至少一个的孔中心的间距小于1.5倍孔周期的10个空气孔；

包孔：纤芯区和缺陷区以外的其它空气孔；

纤芯区：包含且仅包含纤芯区孔的矩形区域；

缺陷区：包含且仅包含缺陷区孔的矩形区域；

角孔：缺陷区四个角上的空气孔；

邻芯孔：缺陷区中与纤芯区相邻的3个空气孔中的中间的那个空气孔；

邻外孔：缺陷区中与纤芯区不相邻的一侧的3个空气孔中的中间的那个空气孔；

侧孔：缺陷区除角孔、邻芯孔和邻外孔以外的4个空气孔；

另外，称两个空气孔的孔中心的距离为一个孔周期的两个空气孔为相邻的两个空气孔。

2.根据权利要求1所述的单偏振光子晶体光纤，其特征在于，所述包孔(3)的直径d_b与孔周期Λ之间关系为：0.3Λ≤d_b≤0.45Λ。

3.根据权利要求1或2所述的单偏振光子晶体光纤，其特征在于，所述纤芯区(1)孔的直径均相同，且缺陷区(2)孔的直径也都相同，纤芯区(1)孔的直径d_c与缺陷区(2)孔的直径d_e之间关系为：d_c≠d_e，且|d_c-d_e|＜0.05Λ。

4.根据权利要求1或2所述的单偏振光子晶体光纤，其特征在于，所述缺陷区(2)中与纤芯区(1)相邻的3个空气孔中的中间的空气孔为邻芯孔(4)，所述邻芯孔(4)和邻外孔(5)的直径均小于纤芯区(1)空气孔的直径，且缺陷区(2)的十个空气孔的面积之和S₁与纤芯区(1)的十个空气孔的面积之和S₂之间的关系为S₁≥S₂且S₂/S₁＞99％。

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