CN102866456A - 一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，包括纤芯和包层。包层为包围纤芯均匀分布的结构相同的圆形空气孔构成的外围区域，所述的空气孔在光纤背景材料中呈周期性排列，每相邻的三个空气孔构成一个正三角形。所述的纤芯由位于中心部位的背景材料和两个小圆空气孔构成，两个小圆空气孔相外切且直径相等。本发明通过改变纤芯结构，在一定范围内调整两个小空气孔的直径可以引入高的模式双折射，同时使所述光纤具有很低的限制损耗，在一定波长范围内色散平坦。本发明的光子晶体光纤结构简单，具有高双折射、低限制损耗、色散平坦的优点，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。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，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，内部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。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，破坏了基模的相互简并特性，从而引起模式双折射。保偏光纤则是在光纤的横截面上人为地引入几何各向异性，使得光纤中的两基模的耦合系数减小，进而引起两正交传播常数βx与βy差的增大，即：Δβ=βx-βy越大，则模式双折射程度越高。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber,简称PCF)又称为微结构光纤或多孔光纤。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，如无截止的单模传输、高双折射、高非线性、色散可调节及大模面积等独特性质，成为当前研究的一个热点，并被广泛应用于光传感、光通信及非线性光学等领域。高双折射光纤在传感应用方面及对线偏振光的偏振保持能力方面有广泛的应用价值。传统高双折射光纤中，纤芯掺杂有GeO2，在核辐射情况下其传输损耗会增大，核爆耐受力及温度稳定性能低，而高双折射光子晶体光纤是由纯石英材料制作而成，并可设计不同的结构改进光纤性能，具有传统高双折射光纤无法比拟的优越性。高双折射光子晶体光纤的结构设计灵活，通过在包层中引入大小不一的空气孔、改变纤芯或者包层空气孔的形状，都可以得到性能优异的高双折射光子晶体光纤。
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,WadsworthW J et.al.Highly birefringence photonic crystal fiber[J].Optics Letter,2000,25(18):1325-1327),文中报道了双折射达3.7×10-3的石英双折射光子晶体光纤。
其后又有几种采用不同结构设计高双折射光子晶体光纤的报道。(Tianxun Gong;FengLuan;Hu,D.J.;Ping Shum,Photonic crystal fibers with high and flattened dispersion[J].Optics Communications,2011,284(18):4176-4179)以及(Mishra S S,Vinod K.Singh,Highlybirefringent photonic crystal fiber with low confinement loss at wavelength 1.55μm[J].Optic,2011,122,1975-1977)等文献报道了不同结构的高双折射光子晶体光纤。以上几种高双折射光子晶体光纤结构均采用在局部位置增加非对称性的方法来实现的。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，应该通过设计包层本身具有内在各向异性特点的光子晶体光纤的方法来实现。目前国际上已有文献(Sharma R,Janyani V，Bhatnagar S K,Low chromatic dispersion and high birefringence investigated in elliptical holephotonic crystal fiber[J].Journal of modern optics,2012,59(3):205-212)以及(Kim SE,KimBH,Lee CG,Lee S,Oh K,Kee CS,Elliptical defected core photonic crystal fiber with highbirefringence and negative flattened dispersion[J].Optics Express,2012,20(2):1385-1391)报道这种结构类型的光子晶体光纤，这种光纤中空气孔采用椭圆型，而空气孔位于正三角形或正方形的网格结点上。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10-2以上），并具有可调的色散特性。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，目前已制作的椭圆型空气孔光子晶体光纤的双折射在10-4量级，远未达到10-2。
发明内容
本发明目的是解决现有光子晶体光纤的双折射低下的问题，提供一种结构简单且容易制作的高双折射低限制损耗光子晶体光纤，该光纤的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，并且限制损耗很低，色散平坦。
本发明所述的高双折射低限制损耗光子晶体光纤，包括纤芯和包层；所述光纤的包层与普通光子晶体光纤一致，是由包围纤芯（1）均匀分布且直径均为D的圆形空气孔（4）构成的外围区域，包层折射率低于纤芯（1）部分，所述空气孔（4）在背景材料中呈周期性排列，每相邻的三个空气孔（4）单元在光纤截面上构成一个正三角形。所述光纤的纤芯（1）是由位于光纤中心部位的背景材料（2）和两个直径为d的圆形小空气孔（3）共同构成的高折射率芯区，其中D＞d，所述两个小空气孔（3）在背景材料（2）中相外切。所述纤芯（1）的材料与包层的背景材料（2）相同，均为纯石英或聚合物材料。
本发明的优点和有益效果：
本发明提出了一种结构简单且容易制作的具有高双折射低限制损耗特性的光子晶体光纤结构，该结构通过改变纤芯结构设置，在纤芯处引入两个小的圆空气孔，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。该光子晶体光纤的模式双折射比普通光纤（10-4量级）至少高一个数量级，达到10-3量级，同时，该结构光纤的限制损耗很低（低于10-3dB/km数量级），在波长1450nm到1590nm之间具有良好的色散平坦特性，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，因而更适合实际的应用。
下面结合附图和实施利对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明光子晶体光纤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d的圆形小空气孔、（4）直径为D的圆形空气孔、Λ-相邻空气孔的间距。
图2是图1实施例光子晶体光纤的模场分布图，其中a是x偏振基模模场的振幅分布图样，b是y偏振基模模场的振幅分布图样；
图3是图1实施例光子晶体光纤计算得到的两个正交方向上的模式有效折射率随波长的变化关系图；
图4是图1实施例光子晶体光纤计算得到的两个正交方向上的模式有效折射率差，即双折射B随波长的变化关系图；
图5是图1实施例光子晶体光纤计算得到的两个正交方向上的限制损耗随波长的变化关系图；
图6是图1实施例光子晶体光纤计算得到的两个正交方向上的色散系数随波长的变化关系图；
下面结合附图对本发明作进一步的具体说明。
具体实施方式
实施例1
一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，横截面结构如图1所示，包括纤芯和包层。所述光纤的包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯（1）均匀分布、结构相同且直径均为D的圆形空气孔（4）构成的外围区域，包层的折射率低于纤芯（1）部分，所述空气孔（4）在背景材料中呈周期性排列，每相邻的三个空气孔（4）单元在光纤截面上构成一个正三角形。所述光纤的纤芯（1）是由位于光纤中心部位的背景材料（2）和两个直径为d的圆形小空气孔（3）共同构成的高折射率芯区，所述两个小空气孔（3）在背景材料（2）中相外切。所述纤芯（1）的材料与包层的背景材料（2）相同。
选择背景材料（2）为纯石英，包层空气孔（4）的直径D=1.54μm，纤芯处两个小圆空气孔（3）的直径d=0.426μm，空气孔的间距Λ=2.11μm。得到该参数下光子晶体光纤的基模模场分布、模式有效折射率、模式有效折射率差B、限制损耗，色散系数分别如图2至6所示。
图2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3结果表明，
模有效折射率大于
模有效折射率，且有效折射率随波长的增大而减小。
图4结果表明，双折射效应随波长的增大而线性增大，在波长λ=1550nm时，双折射B=3×10-3,比普通光纤的双折射高出一个数量级。
图5结果表明，该双折射光子晶体光纤具有很低的限制损耗，在波长λ=1550nm处，
模和模的限制损耗分别为0.0007dB/km和0.001dB/km。
图6结果表明，该双折射光子晶体光纤具有良好的色散平坦特性，在波长1450nm到1590nm之间色散趋于平坦。
实施例2
一种高双折射光子晶体光纤结构，选择背景材料（2）为聚合物材料，包层空气孔（4）的直径D=1.54μm，纤芯处两个小圆空气孔（3）的直径d=0.426μm，空气孔的间距Λ=2.11μm。
Claims (2)
1.一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，所述光纤包括纤芯和包层，其特征在于：所述光纤的包层是由包围纤芯（1）均匀分布且直径均为D的圆形空气孔（4）构成的外围区域，包层折射率低于纤芯（1）部分，所述空气孔（4）在背景材料中呈周期性排列，每相邻的三个空气孔（4）单元在光纤截面上构成一个正三角形；所述光纤的纤芯（1）是由位于光纤中心部位的背景材料（2）和两个直径为d的圆形小空气孔（3）共同构成的高折射率芯区，其中D＞d，所述两个小空气孔（3）在背景材料（2）中相外切；所述纤芯（1）的材料与包层的背景材料（2）相同。
2.根据利用权利要求1所述的一种高双折射低限制损耗光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯（1）的材料与包层的背景材料（2）均为纯石英或聚合物材料。
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