CN102778723B

CN102778723B - 一种短轴渐减椭圆空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤

Info

Publication number: CN102778723B
Application number: CN 201110134596
Authority: CN
Inventors: 郑宏军; 刘山亮; 于会山; 黎昕
Original assignee: Liaocheng University
Current assignee: Liaocheng University high and New Technology Industry Corporation
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: CN102778723A

Abstract

本发明涉及一种光子晶体波导结构，具体涉及一种短轴渐减椭圆空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤。本发明提出在光子晶体光纤结构中引入由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形阵列实现了宽带宽、色散平坦单模单偏振运用；该光纤能够在入射光波长1.4μm到2μm范围内实现宽带宽、单模单偏振运用；在入射光波长1.391μm至1.624μm范围内，光纤呈现出宽带宽、色散平坦特性；使其在超连续谱产生、脉冲传输、光通信等领域具有广阔应用前景。

Description

一种短轴渐减椭圆空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤

所属技术领域

本发明涉及一种光子晶体波导结构，具体涉及一种短轴渐减椭圆空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤，可应用于光纤通信、光学信息处理等领域。

背景技术

光子晶体光纤也称多空气孔光纤或者微结构光纤。光子晶体光纤就结构而言，可以分为实芯光纤和空芯光纤。实芯光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空芯光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。光子晶体光纤导光机理可以分为两类：折射率导光机理(实芯光纤)和光子能隙导光机理(空芯光纤)。光子晶体光纤结构设计很灵活，具有各种各样的小孔结构，导致光子晶体光纤具有奇异的特性，与普通单模光纤相比有着突出的优点：(1)单模传输带宽非常宽。(2)灵活可控的模场面积和非线性系数。(3)可灵活地设计光子晶体光纤色散和限制损耗。(4)优良的双折射效应。1996年，J.C.Knight等人研制出世界上第一根新型光波导-光子晶体光纤(photonic crystalfiber，PCF)[J.C.Knight等人，Opt.Lett.1996，21(19)：1547～1549]。1998年，J.C.Knight等人又研制出另一种新型光波导-光子带隙光子晶体光纤(Photonic Band Gap photonic crystalfiber，PBG-PCF)[J.C.Knight等人，Science，1998，282：1476～1478]。此后，光子晶体光纤具有的奇异特性引起了世界科技工作者的普遍关注和广泛研究[P.St.J.Russell，Science，2003，299：358～362]，使得光子晶体光纤广泛应用于原子和粒子引导捕获、非线性光学、超连续光谱产生、脉冲压缩与整形、高次谐波产生、四波混频、波长变换、激光产生、短脉冲变换与控制等，应用前景非常广阔。

近年来，通过恰当地设计光子晶体光纤，在一定的入射光波长范围内可以成功实现单模单偏振运作。文献[Daniel A.Nolan等人，Opt.Lett.，2004，29(16)：1855～1857]研制出具有椭圆芯和双圆空气孔包层的光子晶体光纤，在1550nm波段附近50nm带宽范围内实现了单模单偏振运用；文献[J.R.Folkenberg等人，Opt.Lett.，2005，30(12)：1446～1448]报道了具有三环圆空气孔包层的单模光子晶体光纤在波长727nm附近220nm波长范围支持单偏振运作；文献[JianJu等人，J.Lightwave Technol.，2006，24(2)：825～830]以完美匹配层为边界条件采用全矢量有限元方法研究了具有三角形点阵的圆空气孔包层单模单偏振光子晶体光纤，在1300nm波段和1550nm波段附近分别实现了84.7nm带宽和103.5nm带宽的单模单偏振运作；文献[FangdiZhang等人，J.Lightwave Technol.，2007，25(5)：1184～1189]设计了具有两排大中心空气孔的矩形格子点阵光子晶体光纤，实现了从1200nm到1660nm波长范围内的单模单偏振运作；文献[Ming-Yang Chen等人，J.Lightwave Technol.，2010，28(10)：1443～1446]提出了一种具有正方形格子点阵的宽带宽单模单偏振光子晶体光纤，实现了从1475nm到2035nm波长范围内的单模单偏振运作；文献[Dora Juan Juan Hu等人，Appl.Opt.，2009，48(20)：4038～4043]设计了具有三角形格子点阵椭圆空气孔包层和圆空气孔芯的光子晶体光纤，实现了从1350nm到1600nm波长范围内的单模单偏振运作；文献[Kunimasa Saitoh等人，IEEE Photonics Technology Letters，2003，15(10)：1384～1386]采用全矢量有限元方法研究了具有六角形格子点阵小圆空气孔外包层和大圆空气孔内包层的光子晶体光纤，低损耗单模单偏振运用带宽达到120nm。文献[NaderA.Issa等人，Opt.Lett.，2004，29(12)：1336～1338]研究表明具有椭圆空气孔的光子晶体光纤能够较容易的制备。单模单偏振光子晶体光纤能够有效消除偏振模色散和偏振模式耦合，在高功率光纤激光器、光纤陀螺、传感、光通信等各种领域得到了密切关注和广泛应用。单模单偏振光子晶体光纤研究的挑战在于实现更宽带宽、色散平坦的单模单偏振运作。

专利申请内容

本发明提出了一种新型的由外向内短轴渐减椭圆空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤，实现了更宽带宽、色散平坦的单模单偏振运作，从而为光纤偏振器、光子晶体传输光纤等实用化提供了支持，以补充上述文献研究在带宽方面和未涉及色散等方面的不足；并给出了所提出的单模单偏振光子晶体光纤的各种特性及各种参量随入射波长变化规律。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出的单模单偏振光子晶体光纤横截面整体上是由纯二氧化硅基质和五环六角形格子椭圆空气孔点阵组成，其中中间包层具有三排大椭圆空气孔点阵，外包层具有由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形点阵。六角形格子椭圆空气孔点阵使得光纤具有单模双折射特性，中间包层具有三排大椭圆空气孔点阵确保了x偏振模的限制损耗足够小；外包层引入由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形阵列有效地增加了y偏振模的限制损耗，使y偏振模得到足够的衰减，从而实现了更宽带宽、色散平坦单模单偏振运用。

本发明的有益效果是：

实现了更宽带宽、色散平坦单模单偏振运用。在入射光波长1.391μm至1.624μm范围内，该光纤呈现出宽带宽、色散平坦特性，使其在超连续谱产生、脉冲传输等领域具有广阔应用前景。该光纤能够在入射光1.4μm到2μm的较宽范围内实现单模单偏振运用，覆盖了较宽的光纤通信波段范围。

附图说明

图1是本发明单模单偏振光子晶体光纤的横截面示意图。

图2是入射光波长1.550μm时x和y偏振模的电场分布，箭头表示偏振方向；横向箭头表征x偏振模电场(a)，纵向箭头表征y偏振模电场(b)。

图3所示是单模单偏振光子晶体光纤的有效折射率和模式双折射随入射光波长的变化。图3(a)中带小圆圈和小方块的实线分别表示x和y偏振模的有效折射率随入射光波长的变化，图3(b)中带小三角形的实线表示模式双折射(即y和x偏振模的有效折射率之差)随入射光波长的变化。

图4所示是限制损耗及其差值随入射光波长的变化。图4(a)中带小圆圈和小方块的实线分别是x和y偏振模的限制损耗随入射光波长的变化，图中采用半对数坐标；图4(b)中实线是y偏振模和x偏振模的限制损耗差值随入射光波长的变化，图中限制损耗差值采用半对数坐标。

图5所示是单模单偏振光子晶体光纤色散(a)、有效模场面积(b)、数值孔径(c)和非线性系数(d)随入射光波长的变化。图5(a)中点线所示为材料色散，点划线所示是波导色散，实线所示是单模单偏振光子晶体光纤的总色散。

具体实施方式

下面结合附图和实施对本发明进一步说明。

图1是本发明单模单偏振光子晶体光纤的横截面示意图。该光纤整体上是由纯二氧化硅基质和五环六角形格子椭圆空气孔点阵组成，其中中间包层具有三排大椭圆空气孔点阵，外包层具有由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形点阵。六角形格子椭圆空气孔点阵使得光纤具有单模双折射特性，中间包层具有三排大椭圆空气孔点阵确保了x偏振模的限制损耗足够小，外包层的短轴渐减椭圆空气孔双三角形点阵有效地增加了y偏振模的限制损耗，使y偏振模得到足够的衰减，从而实现单模单偏振运用。图中灰色区域是纯二氧化硅，椭圆表示空气孔，外围的实线矩形区域表示完美匹配层边界，虚线区域内是外包层中由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形点阵。大椭圆空气孔沿x和y轴的直径分别表示为a和b，空气孔的间隔为Λ＝1.8μm，椭圆比率为η＝b/a＝2。其中，a＝0.5Λ＝0.9μm，b＝2a＝1.8μm。二氧化硅和空气孔的折射率分别是1.45和1。短轴渐减椭圆空气孔沿x轴的直径分别表示为c₁、c₂、c₃和c₄，沿y轴的直径表示为d，其中c₁＝0.65μm、c₂＝0.55μm、c₃＝0.45μm、c₄＝0.35μm和d＝b＝1.8μm。在光纤中传输电磁场的模场特性可以通过改变这些空气孔的形状和空间分布来改变。

图2是入射光波长1.550μm时x和y偏振模的电场分布，箭头表示偏振方向；横向箭头表征x偏振模电场(a)，纵向箭头表征y偏振模电场(b)。由图2可以得到，x和y偏振模的电场关于光纤中心x和y轴是对称分布的，y偏振模电场向包层的扩展比x偏振模电场向包层的扩展更明显。这表明x偏振模的限制损耗比y偏振模的限制损耗小，也进一步表明我们采用由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形点阵增加y偏振模衰减的有效性。在入射光波长1.550μm时，模式双折射为2.852×10^-3，拍长为0.563mm；x和y偏振模的限制损耗分别是9.041×10^-2dB/km和21.087dB/km；若按照目前常规通信系统跨距80km、发射功率0dBm计算，经过该光纤传输80km后，x偏振模功率衰减至-7.233dBm，y偏振模功率衰减到-1.687×10³dBm，而常规光谱仪等探测器件的实际背景噪声为-60dBm左右，这样，x偏振模可以被探测并再放大，y偏振模在光纤传输中被衰减掉，从而实现单模单偏振运用；或者，经过该光纤传输2.85km后，y偏振模功率衰减超过60dB，y偏振模被衰减掉，从而实现单模单偏振运用；入射光波长1.550μm时，x偏振模的数值孔径为0.415，有效模场面积为3.674μm²，非线性系数为28.685W^-1/km。随着入射波长的增加，y偏振模在更短的光纤传输后被衰减掉，可广泛应用于不同的光纤器件中。

图3所示是单模单偏振光子晶体光纤的有效折射率和模式双折射随入射光波长的变化。图3(a)中带小圆圈和小方块的实线分别表示x和y偏振模的有效折射率随入射光波长的变化，图3(b)中带小三角形的实线表示模式双折射(即y和x偏振模的有效折射率之差)随入射光波长的变化。图3可以得到，单模单偏振光子晶体光纤的x和y偏振模的有效折射率随入射光波长的增加而减小；在图3所示入射光波长范围内，x、y偏振模的有效折射率随波长增加而减小；对应同一入射光波长，y偏振模的有效折射率比x偏振模的有效折射率要大，两者之差随入射光波长的增加而增加。也就是说模式双折射随入射光波长的增加而增加；当入射光波长2μm时，模式双折射可高达6.258×10^-3。

图4所示是限制损耗及其差值随入射光波长的变化。图4(a)中带小圆圈和小方块的实线分别是x和y偏振模的限制损耗随入射光波长的变化，图中采用半对数坐标；图4(b)中实线是y偏振模和x偏振模的限制损耗差值随入射光波长的变化，图中限制损耗差值采用半对数坐标。由图4可得，x和y偏振模的限制损耗随入射光波长增加迅速增加；在图4所示入射光波长范围内，x、y偏振模的限制损耗随波长增加而增加。对应同一入射光波长，y偏振模的限制损耗比x偏振模的限制损耗明显要大；y偏振模的限制损耗与x偏振模的限制损耗的差值随入射光波长的增加而呈指数迅速增加。该光纤是折射率引导型光子晶体实芯光纤，其导光机制与传统光纤的全内反射机制类似。通过在包层中引入空气孔，降低包层的有效折射率n_clad，使得纤芯折射率n_core大于包层折射率n_clad，其导光模式折射率n_mode满足n_core＞n_mode＞n_clad，从而光纤对导光模式形成全内反射。当入射光波长小于包层中空气孔尺寸时，空气孔阻碍入射光向包层的泄露作用加强，光纤的限制损耗减小；当入射光波长大于包层中空气孔尺寸时，入射光经过空气孔向包层的衍射作用加强，空气孔阻碍入射光向包层的泄露作用减弱，光纤的限制损耗增大；同时，在y方向的外包层短轴渐减椭圆空气孔双三角形点阵有效地增加了y偏振模的限制损耗，使y偏振模得到足够的衰减，从而实现单模单偏振运用。按照图2介绍中关于单模单偏振运用原理的讨论，可在入射光波长从1.4μm至2μm范围内容易地实现单模单偏振运用。

图5所示是单模单偏振光子晶体光纤色散(a)、有效模场面积(b)、数值孔径(c)和非线性系数(d)随入射光波长的变化。图5(a)中点线所示为材料色散，点划线所示是波导色散，实线所示是单模单偏振光子晶体光纤的总色散。光纤色散在光通信系统中具有重要作用，色散平坦特性是波分复用系统一个重要特性。图5可以得到，材料色散随入射光波长增加逐渐增加，波导色散在入射光波长1μm至1.3μm范围内随波长增加几乎不变，在1.3μm至2μm随波长增加而减小，导致光纤总色散在入射光波长从1.391μm至1.624μm的233nm范围内非常平坦；在1.391μm处的色散值为119.010ps/(km·nm)，在1.507μm处光纤具有色散最大值121.003ps/(km·nm)，在1.624μm处的色散值为119.028ps/(km·nm)；该光纤从1.391μm至1.624μm范围内的色散平坦度(研究波段范围内最大值与最小值之差)为1.993ps/(km·nm)，优于文献[苑金辉等人，光电子·激光，2008，19(8)：1007～1010]的0.83μm至1.02μm范围内的色散平坦度9ps/(km·nm)，比文献[T.Yamamoto等人，Opt.Express，2003，11(13)：1537～1540]的1.480μm至1.580μm范围内的色散平坦度2ps/(km·nm)要好；该光纤的色散平坦范围233nm远大于文献[苑金辉等人，光电子·激光，2008，19(8)：1007～1010]的190nm和文献[T.Yamamoto等人，Opt.Express，2003，11(13)：1537～1540]的100nm。这种宽带宽、色散平坦特性使得该光纤在通信系统中具有重要应用价值，如脉冲传输和超连续谱产生等。光纤的有效模场面积随入射光波长增加而增加。光纤的数值孔径随入射光波长增加而增加。光纤的非线性系数随入射光波长增加而减小。

总之，本发明提出的光子晶体光纤结构是实现宽带宽、色散平坦单模单偏振运用的有效方案。在入射光波长1.550μm时，单模单偏振光子晶体光纤的模式双折射高达2.852×10^-3，拍长为0.563mm；x偏振模的限制损耗是9.041×10^-2dB/km，y偏振模的限制损耗为21.087dB/km；对比x偏振模损耗情况，y偏振模可以在很短的光纤中被衰减掉，从而实现单模单偏振运用；x偏振模的数值孔径为0.415，有效模场面积为3.674μm²，非线性系数为28.685W^-1/km。在入射光波长1.391μm至1.624μm范围内，该光纤呈现出宽带、色散平坦特性，使其在超连续谱产生、脉冲传输等领域具有广阔应用前景。该光纤能够在入射光1.4μm到2μm的较宽范围内实现单模单偏振运用，覆盖了较宽的光通信波段。

Claims

1.一种由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形阵列的单模单偏振光子晶体光纤，其横截面整体上是由纯二氧化硅基质和五环六角形格子椭圆空气孔点阵组成，其中中间包层具有三排大椭圆空气孔点阵，外包层具有由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形点阵；所述光纤的五环六角形格子椭圆空气孔点阵中，椭圆空气孔的间隔为1.8μm；大椭圆空气孔短轴直径为0.9μm，长轴直径为1.8μm；由外向内短轴渐减椭圆空气孔双三角形点阵中，长轴直径仍为1.8μm，短轴直径依次渐减为0.65μm、0.55μm、0.45μm和0.35μm。