CN102565924A

CN102565924A - 具有非对称双芯结构的微结构光纤

Info

Publication number: CN102565924A
Application number: CN2010105964293A
Authority: CN
Inventors: 张霞; 任晓敏; 高静; 施雷; 石维蓬; 黄永清
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种具有非对称双芯结构的微结构光纤，包括包层和纤芯，所述包层由多层位于正六边形网格结点上的圆形空气孔构成，所述纤芯为两个，其中一个由所述网格结点上的m个空气孔的缺失形成的圆形纤芯，另一个是通过在位于所述网格结点上的n个空气孔的内壁沉积半导体材料而形成的环形纤芯。调节本发明双芯微结构光纤的结构参量，可使两个纤芯模式在1.55微米处实现共振，在共振波长处两纤芯间能发生完全耦合，其超模群折射率演化明显不同于单个纤芯导模的群折射率演化，从而可实现快慢光传输，且本发明具有皮秒级脉冲多比特光学延迟、带宽相对较大及结构简单等优点。

Description

具有非对称双芯结构的微结构光纤

技术领域

本发明涉及属于光纤通信和光信号处理领域，特别涉及一种具有非对称双芯结构的微结构光纤。

背景技术

目前，以全光信号处理为特征的全光网络智能化进程正在加速。实现全光信号处理的关键技术之一——光缓存技术，因其能有效地降低网络的阻塞率、提高网络的智能性，而成为光通信领域的关键技术。所谓光缓存就是用光学手段使光信号传输速度“慢下来”，即慢光传输。与之相对应的，利用光学手段也可使光信号“快起来”，也就是快光传输。快光技术在数据同步和光开关等光信息处理领域同样具有重要的应用。因此，对快光与慢光的研究具有重要的科学意义(可参见Science，326，1074，2009)。此外，快慢光技术还可应用在微波光子学、光存储、光学干涉仪等领域。

微结构光纤(可参见Opt.Lett.，21(19)，1547，1996)又称为光子晶体光纤或多孔光纤，是近年来迅速发展的一种具有较高科研价值并引起广泛关注的新型光纤，其沿光纤轴按照一定规律分布着延伸的空气孔。通过合理设计光子晶体光纤的横向结构，可以获得有别于传统光纤的许多优异特性。现有文献中报道的利用双芯微结构光纤基本是来实现波长和偏振的分离功能的，例如：Lin Zhang等人在“Polarization splitter based on photonic crystal fibers”，Optics Express，11(9)，1015-1020(2003)中实现了偏振分离功能；J.Laegsgaard等人在“Photonic crystal fiber design for broadband directional coupling”，Optics Letters，29(21)，2473-2475(2004)中设计了具有极宽频率范围的方向耦合器；A.Betlej等人在″All-optical switching andmultifrequency generation in a dual-core photonic crystal fiber，″Opt.Lett.，31，1480-1482(2006)中实现了全光开关的功能；X.Sun等人在″Wavelength-selective coupling of dual-core photonic crystal fiber with ahybrid light-guiding mechanism，″Opt.Lett.，32，2484-2486(2007)中设计了具有波长选择功能的耦合器。在公开号为CN100456061C和CN1170177C的中国专利申请中分别公布了一种双芯微结构光纤的结构。这些研究和应用充分体现了微结构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，上述双芯微结构光纤的两个纤芯都是由相同材料的全同纤芯组成的。对于具有非对称(材料和结构均不同)双芯结构的微结构光纤而言，其超模群折射率演化特性与独立纤芯的导模群折射率演化特性有明显不同。

然而，现有技术中还没有一种利用具有非对称双芯结构的微结构光纤实现可调谐快慢光传输的技术。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何实现可调谐快慢光的传输。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有非对称双芯结构的微结构光纤，包括包层和纤芯，所述包层由多层位于正六边形网格结点上的圆形空气孔构成，所述纤芯为两个，其中一个由所述网格结点上的m个所述圆形空气孔的缺失形成的圆形纤芯，另一个是通过在位于所述网格结点上的n个所述圆形空气孔的内壁沉积半导体材料而形成的环形纤芯，m、n均为正整数。

其中，m取值为1或7，n取值为1。

其中，相邻两个所述圆形空气孔的间距为Λ，圆形空气孔的直径为d，且取值满足d/Λ＝0.2～0.85。

其中，所述半导体材料为Si，相应地，所形成的环形纤芯为Si环，Si环的外径为d₁，内径为d₂，且满足d₁＝d、0≤d₂＜d。

其中，圆形纤芯与环形纤芯中心之间的距离为d₀，且满足d₀为Λ的3～6倍。

其中，所述包层由6～10层圆形空气孔构成。

优选地，当m取值为7、n取值为1时，满足Λ＝2.4μm、d/Λ＝0.3、d₁＝d、d₂＝0.6596μm，d₀＝4d。当m取值为1、n取值为1时，满足Λ＝2μm、d/Λ＝0.3、d₁＝d、d₂＝0.5414μm，d₀＝4d。选用该优选参数，可使两个纤芯模式在1.55微米处实现共振，在共振波长处两纤芯间能发生完全耦合。上述参数可根据光信号的载波波长来调整。

其中，所述微结构光纤还包括基底。所述基底由纯石英材料制成。

(三)有益效果

本发明基于非对称双芯耦合机制实现了可调谐快慢光的传输，其优点如下：(1)该双芯微结构光纤中两个纤芯区域的材料和有效模场面积均不相同，从而构成了不对称的双芯结构。调节双芯微结构光纤的结构参量，可使两个纤芯模式在1.55微米处实现共振，在共振波长处两纤芯间能发生完全耦合。该耦合结构的超模群折射率演化明显不同于单个纤芯导模的群折射率演化，从而可实现快慢光传输，且具有皮秒级脉冲多比特光学延迟、带宽相对较大及结构简单等优点。(2)通过调整入射至双芯微结构光纤环形纤芯中的光功率，可以方便地调谐脉冲的延迟时间。

附图说明

图1是本发明第一实施例的双芯微结构光纤横截面示意图；其中：空气孔直径为d，Si沉积形成的Si环内径为d₂，外径为d₁，空气孔间距为Λ；

图2是本发明第一实施例中双芯微结构光纤的超模群折射率曲线图；

图3是本发明第一实施例中双芯微结构光纤的超模色散曲线图；

图4是本发明第二实施例的双芯微结构光纤横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明第一实施例的双芯微结构光纤横截面的示意图，其中示出的多个小圆圈代表圆形空气孔，分布有小黑点的背景代表基底。该双芯微结构光纤的基底材料为纯石英材料，即二氧化硅，在所述基底材料中形成光纤的包层和纤芯。该光纤的包层由6～10层位于正六边形网格结点上的圆形空气孔构成(图1中包层的最外层空气孔未构成正六边形的原因是：图1仅示出了整个光纤结构的一部分)，形成低折射率区域，空气孔的直径为d，相邻空气孔的中心距为Λ，且满足Λ＝2.4μm和d/Λ＝0.3。光纤芯区由两个纤芯构成，一个纤芯是由正六边形网格节点上的7个空气孔的缺失形成的高折射率的圆形纤芯(位于图1中最内层空气孔所形成的正六边形中)，也就是说该圆形纤芯的材料是所述基底材料；另一个纤芯是通过在位于正六边形网格结点上的1个空气孔(即图1中的空气孔k)内壁沉积半导体材料Si形成的高折射率的环形纤芯，环形纤芯，即Si环(即图1中空气孔k上的粗线圈)的外径为d₁，内径为d₂，且满足d₁＝d＝0.72μm、d₂＝0.6596μm。圆形纤芯与环形纤芯中心之间的距离为d₀，满足d₀＝4Λ＝9.6μm。

当低功率的光脉冲入射到图1所示的双芯微结构光纤中时，可以忽略由于光功率改变引起的Si材料的折射率改变。在微结构光纤中激发的奇、偶模式的群折射率如图2所示。其中，1为偶模式的群折射率曲线，2为奇模式的群折射率曲线。奇模式和偶模式的群折射率曲线在1550nm波长处相交，在此共振波长1550nm处两纤芯间能发生完全耦合。奇、偶模式相应的色散曲线如图3所示，其中，1是奇模式的色散曲线，2是偶模式的色散曲线。共振波长处的奇偶模式色散取得极值，约±3.4×10⁴ps/nm/km。

当峰值功率为90W的脉冲光入射到Si环形纤芯中时，引起的非线性折射率Δn＝0.0056。此时，在微结构光纤中激发的奇、偶模式的群折射率如图2中的曲线3和4所示，其中3为偶模式的群折射率曲线，4为奇模式的群折射率曲线。随着入射到Si材料环形纤芯中的脉冲光功率的增加，群折射率曲线向长波长方向移动，偶模式在共振波长处的群折射率减小，奇模式在共振波长处的群折射率增加。对于2ps的高斯信号脉冲，5cm长的传输距离可实现约2.5个脉宽的延迟，延迟后脉冲展宽为原来的1.8倍；对于10ps的高斯信号脉冲，1m长的传输距离可实现约10.2个脉宽的延迟，脉冲展宽比仅为1.5625。基于以上原理，可实现可调谐的快慢光传输。

图4是本发明第二实施例的双芯微结构光纤横截面的示意图。双芯微结构光纤的基底材料采用纯石英材料，该光纤的包层由多层位于正六边形网格结点上的圆形空气孔构成(图4中包层的最外层空气孔未构成正六边形的原因是：图4仅示出了整个光纤结构的一部分)，空气孔的直径为d，相邻空气孔的中心距为Λ，满足Λ＝2μm和d/Λ＝0.3。光纤芯区由两个纤芯集成构成，一个纤芯是由正六边形网格节点上的1个空气孔的缺失形成的圆形纤芯；另一个纤芯是通过在位于正六边形网格结点上的1个空气孔内壁沉积高折射率半导体材料Si形成的环形纤芯，Si环的外径为d₁，内径为d₂，且满足d₁＝d＝0.6μm、d₂＝0.5414μm。两个纤芯中心之间的距离为d₀，满足d₀＝4Λ＝8μm。满足上述光纤参数时，可使共振波长位于1550nm波长处。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种具有非对称双芯结构的微结构光纤，包括包层和纤芯，其特征在于，所述包层由多层位于正六边形网格结点上的圆形空气孔构成，所述纤芯为两个，其中一个由所述网格结点上的m个所述圆形空气孔的缺失形成的圆形纤芯，另一个是通过在位于所述网格结点上的n个所述圆形空气孔的内壁沉积半导体材料而形成的环形纤芯，m、n均为正整数。

2.如权利要求1所述的具有非对称双芯结构的微结构光纤，其特征在于，其中，m取值为1或7，n取值为1。

3.如权利要求2所述的具有非对称双芯结构的微结构光纤，其特征在于，相邻两个所述圆形空气孔的间距为Λ，圆形空气孔的直径为d，且取值满足d/Λ＝0.2～0.85。

4.如权利要求3所述的具有非对称双芯结构的微结构光纤，其特征在于，所述半导体材料为Si，相应地，所形成的环形纤芯为Si环，Si环的外径为d₁，内径为d₂，且满足d₁＝d、0≤d₂＜d。

5.如权利要求4所述的具有非对称双芯结构的微结构光纤，其特征在于，圆形纤芯与环形纤芯中心之间的距离为d₀，且满足d₀为Λ的3～6倍。

6.如权利要求5所述的具有非对称双芯结构的微结构光纤，其特征在于，所述包层由6～10层圆形空气孔构成。

7.如权利要求6所述的具有非对称双芯结构的微结构光纤，其特征在于，当m取值为7、n取值为1时，满足Λ＝2.4μm、d/Λ＝0.3、d₁＝d、d₂＝0.6596μm，d₀＝4d。

8.如权利要求6所述的具有非对称双芯结构的微结构光纤，其特征在于，当m取值为1、n取值为1时，满足Λ＝2μm、d/Λ＝0.3、d₁＝d、d₂＝0.5414μm，d₀＝4d。

9.如权利要求1～8任一项所述的具有非对称双芯结构的微结构光纤，其特征在于，所述微结构光纤还包括基底。

10.如权利要求9所述的具有非对称双芯结构的微结构光纤，其特征在于，所述基底由纯石英材料制成。