CN103454720A

CN103454720A - 一种具有高双折射特性的光子晶体光纤

Info

Publication number: CN103454720A
Application number: CN2013104475927A
Authority: CN
Inventors: 曹晔; 王江昀; 童峥嵘
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2013-12-18

Abstract

一种具有高双折射特性的光子晶体光纤，包括纤芯和包层，纤芯位于光纤中心部位并不设空气孔；包层由内包层和外包层组成，包围纤芯的内包层包括由八个对称分布的圆形大空气孔和四个呈矩形排列并对称分布的圆形小空气孔，包围内包层的外包层包括按网格结点布置的圆形空气孔，即每三个相邻的圆形空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列。本发明的优点是：该光子晶体光纤结构新颖，通过改变光纤结构设置使光子晶体光纤具有二重旋转对称性，双折射很高，且非线性系数高；该光子晶体光纤可用于制作具有非线性或偏振特性的保偏光纤及相关光纤器件，由于光纤的双折射是通过改变空气孔的几何尺寸实现的，温度和压力的影响很小，稳定性好，更适于应用。

Description

一种具有高双折射特性的光子晶体光纤

技术领域

本发明属于光纤技术领域，特别是一种具有高双折射特性的光子晶体光纤。

背景技术

在单模光纤中，基模是由两个相互正交的偏振模式组成的，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，实际的光纤在生产、成缆、铺设等过程中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。这些因素将造成光纤在不同的方向上折射率不相等，即两个正交偏振模传播常数存在差异，破坏了基模的相互简并特性，从而导致了模式双折射。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，使实际光纤产生的随机双折射不会对偏振方向产生显著影响，光纤中的两基模的耦合系数减小，导致两正交传播常数β_x与β_y的差增大，即：△β=β_x－β_y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与传统光纤相比，呈现出许多奇异的特性，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。高双折射光纤在高速光通信系统、光纤传感和精密光学仪器等领域都有着重要的应用，而双折射是影响光纤通信系统性能的重要特性。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，受温度和压力的影响比较小，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，为得到性能优异的高双折射光子晶体光纤，主要通过破坏结构的对称性获得，如改变纤芯的形状和纤芯周围的空气孔直径，也可以改变包层空气孔的形状。

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”，参见：Ortigosa B A, Knight J C, Wadsworth W 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。

文献M.A.Hossain,Y.Namihira,M.A.Islam,Y.Hirako.Polarization maintaining highly nonlinear photonic crystal fiber forsupercontinuum generation at 1.55

Figure 2013104475927100002DEST_PATH_IMAGE002

[J].Optics&Laser Technology, 2012,44:1261-1269中，报道了在纤芯引入小椭圆孔，其双折射达到10^-4量级。在文献1）Jian Liang, Maojin Yun,Weijin Kong,Xin Sun,Wenfei Zhang,Sixing Xi. Highly birefringent photonic crystal fibers with flattened dispersion and low effective mode area[J]. Optik, 2011 , 122 :2151-2154和文献2）王伟，杨博，宋鸿儒，范岳，八边形高双折射双零色散点光子晶体光纤特性分析[J].物理学报,2012,61(14):144601中，报道的光纤是在包层的局部引入椭圆孔，这两种结构均采用在局部位置增加非对称性的方法来实现高双折射，其双折射可达到10^-3量级。2012年,So Eun Kim,Bok Hyeon Kim,Chung Ghiu Lee,Sejin Lee, Kyunghwan Oh,and Chul-Sik Kee. Elliptical defected core photonic crystal fiber with high birefringence and negative flattened dispersion[J]. OPTICS EXPRESS, 2012,20(2):1385-1391文献中，通过在包层和纤芯中同时引入椭圆孔，其双折射可达到10^-2量级。上述分析可得，为了得到高双折射，常在包层或者纤芯中引入椭圆孔，但椭圆孔在实际拉制过程中存在一定的困难，且能量容易向包层泄露导致限制损耗增大，从而不利于光的远距离传输，另外椭圆孔也不易与其他光纤耦合。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有光纤拉制技术导致双折射低下的不足，提供一种结构简单且容易制作的具有高双折射特性的光子晶体光纤，该光子晶体光纤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，并且非线性系数比较高。

本发明的技术方案：

一种具有高双折射特性的光子晶体光纤，包括纤芯和包层，纤芯与包层的背景材料相同，包层的折射率低于纤芯的折射率；纤芯位于光纤中心部位并不设空气孔；包层由内包层和外包层组成，其中包围纤芯的内包层由12个空气孔和周边的背景材料构成，所述12个空气孔包括由八个对称分布的圆形大空气孔和四个呈矩形排列并对称分布的圆形小空气孔，包围内包层的外包层由按网格结点布置的圆形空气孔和周边的背景材料构成，所述圆形空气孔按网格结点布置的结构为每三个相邻的圆形空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列；内包层中位于中心部位的八个对称分布的圆形大空气孔的位置为替换八个原圆形空气孔的位置而得，而四个对称分布的圆形小空气孔的位置为替换两个原圆形空气孔的位置而得；圆形空气孔的直径为D，相邻圆形空气孔的孔中心间距为Λ，圆形大空气孔的直径为Da，圆形小空气孔的直径为Db，相邻圆形小空气孔的孔中心间距为S。

所述纤芯与包层的背景材料为石英；圆形空气孔的直径D为0.588μm，相邻圆形空气孔的孔中心间距Λ为1μm；圆形大空气孔的直径Da为0.941μm；圆形小空气孔的直径Db为0.36μm，相邻圆形小空气孔的孔中心间距S为0.4μm。

本发明的优点和有益效果：

该具有高双折射特性的光子晶体光纤，通过改变包层空气孔结构设置，在包层中引入八个对称分布的圆形大空气孔，在纤芯周围引入四个呈矩形排列的圆形小空气孔，因此该结构光纤具有二重旋转对称性，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至少高两个数量级，可达到10^-2量级；该光子晶体光纤的非线性系数高；该光子晶体光纤可用于制作具有非线性或偏振特性的保偏光纤及相关光纤器件，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，温度和压力的影响很小，稳定性好，因而更适合实际的应用。

附图说明

图1为该光子晶体光纤的横截面示意图。

图中：1.纤芯 2.包层 3.圆形空气孔 4.圆形大空气孔 5.圆形小空气孔

图2 为该光子晶体光纤的的模场分布图，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 为该光子晶体光纤经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为该光子晶体光纤经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为该光子晶体光纤经计算得到的两个正交方向上的非线性系数γ随波长的变化关系图。

具体实施方式

实施例：

一种具有高双折射特性的光子晶体光纤，如图1所示，包括纤芯1和包层2，纤芯1与包层2的背景材料相同，包层2的折射率低于纤芯1的折射率；纤芯1位于光纤中心部位并不设空气孔；包层2由内包层和外包层组成，其中包围纤芯1的内包层由12个空气孔和周边的背景材料构成，所述12个空气孔包括由八个对称分布的圆形大空气孔4和四个呈矩形排列并对称分布的圆形小空气孔5，包围内包层的外包层由按网格结点布置的圆形空气孔3和周边的背景材料构成，所述圆形空气孔3按网格结点布置的结构为每三个相邻的圆形空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列；内包层中位于中心部位的八个对称分布的圆形大空气孔4的位置为替换八个原圆形空气孔3的位置而得，而四个对称分布的圆形小空气孔5的位置为替换两个原圆形空气孔3的位置而得；圆形空气孔3的直径为D，相邻圆形空气孔3的孔中心间距为Λ，圆形大空气孔4的直径为Da，圆形小空气孔5的直径为Db，相邻圆形小空气孔5的孔中心间距为S。

该实施例中，纤芯1与包层2的背景材料为石英；圆形空气孔3的直径D为0.588μm，相邻圆形空气孔3的孔中心间距Λ为1μm；圆形大空气孔4的直径Da为0.941μm；圆形小空气孔5的直径Db为0.36μm，相邻圆形小空气孔5的孔中心间距S为0.4μm。

该制得的光子晶体光纤的基模模场分布、两个偏振模的模式有效折射率、模式有效折射率差B、非线性系数γ分别如图2至5所示。

图2 为该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。图中表明：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 为该光子晶体光纤经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3结果表明：x偏振模有效折射率大于y偏振模有效折射率，且有效折射率随波长的增大而减小，x偏振模有效折射率减小的趋势比y偏振模的慢。

图4为该光子晶体光纤经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，图中表明：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=2.45×10^-2,比普通光纤的双折射高出两个数量级。

图5为该光子晶体光纤经计算得到的两个正交方向上的非线性系数γ随波长的变化关系图，图中表明：该双折射光子晶体光纤具有高的非线性系数，在波长λ=1550nm处，x偏振模和y偏振模的非线性系数γ分别为52W^-1km^-1和36 W^-1km^-1。

Claims

1.一种具有高双折射特性的光子晶体光纤，其特征在于：包括纤芯和包层，纤芯与包层的背景材料相同，包层的折射率低于纤芯的折射率；纤芯位于光纤中心部位并不设空气孔；包层由内包层和外包层组成，其中包围纤芯的内包层由12个空气孔和周边的背景材料构成，所述12个空气孔包括由八个对称分布的圆形大空气孔和四个呈矩形排列并对称分布的圆形小空气孔，包围内包层的外包层由按网格结点布置的圆形空气孔和周边的背景材料构成，所述圆形空气孔按网格结点布置的结构为每三个相邻的圆形空气孔在光纤截面上呈正三角形结构排列；内包层中位于中心部位的八个对称分布的圆形大空气孔的位置为替换八个原圆形空气孔的位置而得，而四个对称分布的圆形小空气孔的位置为替换两个原圆形空气孔的位置而得；外包层的圆形空气孔的直径为D，相邻圆形空气孔的孔中心间距为Λ，内包层的圆形大空气孔的直径为Da，圆形小空气孔的直径为Db，相邻圆形小空气孔的孔中心间距为S。

2.根据权利要求1所述具有高双折射特性的光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯与包层的背景材料为石英；圆形空气孔的直径D为0.588μm，相邻圆形空气孔的孔中心间距Λ为1μm；圆形大空气孔的直径Da为0.941μm；圆形小空气孔的直径Db为0.36μm，相邻圆形小空气孔的孔中心间距S为0.4μm。