CN102955198A - 一种新型圆形椭圆形混合空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种新型圆形椭圆形混合空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤。该光纤内包层由圆形空气孔呈正方形阵列排列，外包层由三层椭圆形空气孔呈六角形阵列排列。本发明提出在光子晶体光纤结构中引入圆形椭圆形空气孔混合阵列实现了宽带宽、色散平坦单模单偏振的运用；该光纤能够在入射光波长1.193μm至1.384μm范围内，该光纤呈现出宽带宽色散平坦特性；在长波长区500nm范围内呈现负色散特性；该特性可以使其在常规光纤长波长波段的色散补偿、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

一种新型圆形椭圆形混合空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤

所属技术领域

本发明涉及一种单模单偏振光子晶体光纤结构，具体涉及一种新型圆形椭圆形混合空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤，可广泛应用于非线性光学、光通信、传感等领域。

背景技术

自1996年英国科技工作者研制出第一条光子晶体光纤以来[1J.C.Knight，et al，Opt.Lett.1996，21(19)：1547～1549.]，光子晶体光纤以其结构设计灵活、具有普通光纤无法比拟的突出优点等特性得到了科技工作者的广泛关注和深入研究[1；2J.C.Knight，et al，Science，1998，282：1476～1478；3 P.St.J.Russell，Science，2003，299：358～362.]，并使得光子晶体光纤广泛应用于非线性光学、光通信、传感等领域，应用前景异常广阔。近年来，通过合理地改变光子晶体光纤设计结构，可以在一定带宽范围内成功实现单模单偏振运作。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、传感、光通信等各种领域得到了密切关注和广泛应用。相关研究小组相继研究了单模单偏振光子晶体光纤，在1550nm波段附近50nm带宽内实现了单模单偏振运用[4Daniel A.Nolan，et al，Opt.Lett.2004，29(16)：1855～1857.]，在波长727nm附近220nm带宽范围实现单偏振运作[5J.R.Folkenberg et al.Opt.Lett.2005，30(12)：1446～1448.]，在1300nm波段84.7nm带宽和1550nm波段103.5nm带宽范围实现了单模单偏振运作[6Jian Ju，et al.J.Lightwave Technol.2006，24(2)：825～830.]，实现了从460nm带宽的单模单偏振运作[7Fangdi Zhang et al.J.Lightwave Technol.2007，25(5)：1184～1189.]，实现了560nm带宽的单模单偏振运作[8Ming-Yang Chen et al.J.Lightwave Technol.2010，28(10)：1443～1446.]，实现了250nm带宽的单模单偏振运作[9DoraJuan Juan Hu，et al.Appl.Opt.2009，48(20)：4038～4043.]，低损耗单模单偏振运用带宽为120nm[10Kunimasa Saitoh et al，IEEE Photonics Technology Letters，2003，15(10)：1384～1386.]，研究了600nm带宽的单模单偏振运作[11 Hongjun Zheng et al.Optical Engineering，2011，50(12)，125003-1～6.]。本文提出了一种新型的圆形、椭圆形空气孔混合点阵包层的光子晶体光纤，目的在于实现更宽带宽的单模单偏振运作、色散平坦、负色散等特性，从而为光子晶体传输光纤及其相关器件等实用化提供理论支持，以弥补以往文献研究中单模单偏振光纤在更宽带宽方面和未涉及色散等方面的不足；并采用全矢量有限元方法和完美匹配层边界条件研究了所提出的单模单偏振光子晶体光纤的单偏振、色散平坦、负色散等特性随入射光波长变化情况。

专利申请内容

本发明提出了一种圆形椭圆形混合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圆形、椭圆空气孔点阵组成，光纤内包层由圆形空气孔呈正方形阵列排列，外包层由三层椭圆形空气孔呈六角形阵列排列。包层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，确保了x偏振模的限制损耗足够小，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。内包层圆形空气孔点阵使光纤具有较低的色散。

本发明的有益效果是：

实现了宽带宽单模单偏振的运用；在入射光波长1.193μm至1.384μm范围内，该光纤呈现出宽带宽、色散平坦特性，使其在光传输等领域具有广阔应用前景。该光纤具有500nm范围的负色散区域，可以用于常规光纤长波长波段的色散补偿。

附图说明

图1是本发明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随入射光波长的变化。

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圆形与椭圆形空气孔组成。光纤内包层由圆形空气孔呈正方形阵列排列，外包层由三层椭圆形空气孔呈六角形阵列排列。包层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，确保了x偏振模的限制损耗足够小，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。内包层圆形空气孔点阵使光纤具有较低的色散。图中灰色区域是纯二氧化硅，白色的圆和椭圆表示空气孔，外围的实线矩形区域表示完美匹配层边界。圆形空气孔的半径a＝0.45μm，圆形空气孔的间隔为Λ1＝1.0μm。大椭圆空气孔沿x和y轴的半径分别表示为a和b，空气孔的间隔为Λ2＝1.8μm，椭圆比率为η＝b/a＝2。其中，a＝0.45，b＝2a＝0.9μm。二氧化硅和空气孔的折射率分别是1.45和1。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；横向箭头表示x偏振模(a)，纵向箭头表示y偏振模(b)。从图2可以看到，两个偏振模的电场关于光纤中心x轴和y轴是对称分布的，x偏振模电场向包层的扩展明显比y偏振模电场向包层的扩展要小得多。这表明y偏振模的限制损耗比x偏振模的限制损耗大得多。此时，模式双折射为1.458×10^-2，拍长为0.106mm；x和y偏振模的限制损耗分别是3.10×10^-4dB/km和1.721dB/km。若按照目前常规通信系统发射功率0dBm、跨距80km计算，入射光在该光纤中传输80km后，x偏振模功率衰减到-2.48×10^-3dBm，y偏振模功率衰减到-137.680dBm，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；x偏振模的数值孔径是0.447，有效模场面积是3.066μm²，非线性系数是34.373W^-1/km。当入射光波长增加时，y偏振模在该光纤传输更短的距离就会被衰减掉；该光纤可广泛应用于不同的光纤器件中。

图3是单模单偏振光子晶体光纤有效折射率和模式双折射随着入射光波长的变化。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，图3(b)中带三角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的绝对值)随入射光波长的变化。图3可以得到，该光纤的x和y偏振模的有效折射率随入射光波长的减小而增加；x偏振模的有效折射率随波长减小由1.284增加到1.413，y偏振模的有效折射率随波长减小由1.409增加到1.256；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小，两者之差的绝对值(即模式双折射)随入射光波长的增加近似直线增加。

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)中带三角的实线是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；x偏振模的限制损耗随波长增加由3.854×10^-7dB/km迅速增加到1.757×104dB/km，y偏振模的限制损耗随波长增加由8.951×10^-7dB/km迅速增加到到1.806×10⁷dB/km。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；入射光波长1.1μm至2μm范围内，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近似指数迅速增加，由入射光波长1.1μm时对应的损耗差值5.097×10^-7dB/km增加到入射光波长2.5μm时对应的1.804×10⁷dB/km。这表明，当入射光波长稍小于光纤中空气孔尺寸时，空气孔阻碍入射光向包层扩展的作用加强，光纤的限制损耗减小；当入射光波长稍大于光纤中空气孔尺寸时，入射光通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扩展上的作用减弱，光纤的限制损耗增加；同时，y方向的椭圆空气孔阵列有效地增加了y偏振模的损耗，使y偏振模比x偏振模更容易衰减掉，从而在该光纤中实现单模单偏振运用。按照单模单偏振运用的理论，可使入射光波长从1.55μm至2.5μm范围内在该光纤中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随入射光波长的变化。图5中点线为材料色散，点划线是波导色散，实线是单模单偏振光子晶体光纤的总色散。光纤的色散平坦特性是目前光通信系统及其器件研究工作者需要努力探索研究的一个热点话题。图5可以看出，材料色散随入射光波长增加近似线性增加，波导色散在入射光波长1.1μm至2.5μm范围内随波长增加而迅速减小；这种色散分布导致了该光纤总色散出现了较大范围内的色散平坦特性和较大范围内的负色散特性。在1.193μm处的色散值为83.482ps/(km·nm)，在1.286μm处光纤具有色散最大值85.477ps/(km·nm)，在1.384μm处的色散值为83.480ps/(km·nm)；可见，该光纤从1.193μm至1.384μm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2.039ps/(km·nm)，优于文献[12苑金辉，侯蓝田，周桂耀等，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[13周会丽，张霞，高健等.光电子·激光，2009，20(1)：28-31]的1.480μm至1.620μm范围内的色散平坦度1.8ps/(km·nm)稍差，该光纤的色散平坦范围191nm与文献[12]的190nm几乎相同、优于文献[13]的140nm和文献[14 T.Yamamoto，H.Kubota，S.Kawanishi，M.Tanaka，andS.Yamaguchi，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。当入射光波长大于2.015μm时总色散为负值；当入射光波长为2.5μm时，总色散达到-125.1417ps/(km·nm)。这表明该光纤可以用于常规光纤长波长波段的色散补偿。

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。当入射光波长1.550μm时，模式双折射为1.458×10^-2，拍长为0.106mm；x和y偏振模的限制损耗分别是3.10×10^-4dB/km和1.721dB/km，比较两种偏振模损耗情况，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。研究结果表明，提出的新型单模单偏振光子晶体光纤能够在入射光950nm的较宽范围内实现单模单偏振运用。在入射光波长1.193μm至1.384μm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。该光纤具有500nm范围的负色散区域，可以用于常规光纤长波长波段的色散补偿。

Claims (4)

1.设计了新型一种圆形椭圆形空气孔混合阵列的单模单偏振光子晶体光纤，该光纤内包层由圆形空气孔呈正方形阵列排列，外包层由三层椭圆形空气孔呈六角形阵列排列，其横截面整体上是由纯二氧化硅基质、圆形空气孔正方形阵列、三环椭圆形空气孔点阵组成。

2.根据权利要求1所述的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤的六角形格子椭圆空气孔点阵中，椭圆空气孔的间隔为1.8μm。

3.根据权利要求1所述的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤中，外包层椭圆空气孔短轴直径为0.9μm，长轴直径为1.8μm。

4.根据权利要求1所述的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤的中间包层圆形空气孔正方形点阵中，圆形空气孔半径为0.45μm，空气孔间隔为1.0μm。

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