CN103472528A - 一种带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，为一种具有二重对称性准的光子准晶光纤，背景材料优选为ZBLAN氟化物玻璃基。所述高双折射光子准晶光纤由相邻的正方形与正三角形构成外包层圆形空气孔，外加两个对称的类葡萄柚的空气孔组成了所有的空气孔，具有二重旋转对称性。所述光纤能够在很宽的波长范围内保持单模传输特性，模式折射率比普通保偏光纤高出两个数量级，达到和用椭圆空气孔实现高双折射一样的数量级，但葡萄柚空气孔比椭圆空气孔更容易实现的优良特点。所述光纤应用于制作保偏器件，温度影响性小，稳定性好。

Description

一种带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤

技术领域

本发明涉及一种带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤。

背景技术

光子准晶光纤（Photonic Quasicrystal Fiber，PQF）是在光子晶体光纤（PhotonicCrystal Fiber，PCF）的基础上发展起来的。有关光子晶体光纤的报道已经比较多了，可是光子准晶光纤的研究却是刚刚兴起。早在20世纪80年代中期，D.shechtman等在检测急速冷却凝固的Al—Mn合金时，首次发现了准晶体结构。通过研究这种结构的对称性得知，其格点的排列是:具有旋转对称性和长程指向性，但没有平移周期性的晶体，人们把它称为准晶体。这种结构很快就被应用到了光学领域，发明准光子晶体。目前已经发现，准光子晶体可以产生一些独特的现象，并得到了一些应用。光子准晶光纤是把准光子晶体的概念引入光纤而构成的一种光纤。其横截面的空气孔的排列呈二维准晶体结构,最基本单元有一个正方形和正三角形组成，而不同于传统光子晶体光纤的三角格子结构。研究表明，准晶体结构光纤具有普通光纤和传统光子晶体光纤所不具备的一些优良传输特性，比如，对单模操作具有较大的截止孔径比、具有近零的超平坦色散、有两个低损耗波导的光子带带隙、较大的负色散、较大的模场面积等。由于近年来其研究工作刚刚起步，因而准晶体结构光纤的特性还有较大的研究空间。目前关于双折射或者保偏的光子准晶光纤尚未有报道。目前报道的高双折射光纤集中于光子晶体光纤，数值上高达10^-2，所采用的背景材料大都是纯二氧化硅，通过椭圆孔实现高双折射特性的，波长集中于通讯波段。而采用纯二氧化硅背景材料去实现椭圆孔很难控制，此外，要实现大的高双折射，则需要更高的占空比及更高的椭圆离心率，这更加加大了实际制作难度。目前尚未实验报道实际制作出纯二氧化硅背景材料的椭圆空气孔。而对于柚子形的空气孔文献中已经有实验报道，并已经得到商业化，比如PERFOS(法国)公司制造的ACF36A3TM类型的葡萄柚光纤，而且本设计中葡萄柚类型的空气孔在数量上仅有两个，避免了大面积控制的难处。此外，由于硅材料熔点较高，利用传统的管束堆积法很难制作出硅基材料的光子准晶光纤。ZBLAN玻璃是一种重金属氟化物玻璃，成分为ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF。ZBLAN玻璃是氟化物玻璃中少数能拉制成光纤的一种，而且是氟化物玻璃中是最稳定的一种，有相对较好的机械强度，在紫外、可见光、红外都有很高的透过率。此外，单模ZBLAN光纤，非常适合中红外波段光传输和光谱分析，而硅基材料在大于两微米波段具有较大的损耗。此外，稀土掺杂BLAN光纤发光效率高，常用于光纤激光器和放大器的制作，尤其是近红外波段对稀土铥的吸收有一个很宽很高的吸收带，而发展两微米的激光器尤其是掺Tm光纤激光器在医学、超快光学、眼睛安全、近距离遥感和远程探测系统等方面具有非常良好的应用前景，已经成为人眼安全波长领域光纤激光器的研究热点，而目前两微米波段的光纤器件几乎没有，研究此波段的光纤器件具有很大的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种易于制作的高双折射光子准晶光纤。

为此，本发明提供了一种带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其端面结构分布着空气孔，中心孔缺失而构成纤芯，纤芯的左右两侧分布一对类葡萄柚空气孔，其它空气孔为圆形空气孔。

具体来讲，所述葡萄柚空气孔的端面为葡萄柚形状的空气孔，每个所述葡萄柚形状为上下对称而左右不对称的类椭圆形，两个所述葡萄柚空气孔对称分布在纤芯的左右两侧。

优选地，两个所述葡萄柚空气孔的两条对称轴也是所有空气孔分布的对称轴。

优选地，相邻的圆形空气孔的孔间距相等，所有相邻的圆形空气孔的孔心间的连线构成了布满圆形空气孔分布区域的正方形和正三角形。

优选地，两个葡萄柚空气孔的上下各分布两个圆形空气孔，再往外围是多个分布圆形空气孔的圆形分布区域，相邻的圆形分布区域具有共用的圆形空气孔，位于所述圆形分布区域的中心具有一个中心圆形空气孔，一个圆形分布区域内，中心圆形空气孔外围的圆形空气孔呈同心圆分布。

优选地，所述圆形分布区域为6个，相邻的圆形分布区域共用的圆形空气孔为2个，一个圆形分布区域内，中心圆形空气孔外围的圆形空气孔呈2个同心圆分布，2个同心圆分布的圆形空气孔分别为6个和12个。

优选地，圆形空气孔孔径均为d=1.78μm，相邻的圆形空气孔的孔间距都为∧=2μm。

优选地，所述葡萄柚空气孔上下对称轴为线段AB，端点B临近纤芯，与所述上下对称轴垂直且两个端点都位于所述葡萄柚空气孔的孔周上的线段中最长者为线段CD，线段AB与线段CD垂直相交于O点，线段OA与线段OB的长度比0.625。

更优选地，线段AB的长度为2.06μm，线段CD的长度为2.678μm。

该光纤的背景可以是ZBLAN氟化物玻璃基材料，各成分优选的摩尔量相对值为55.8ZrF₄-14.4BaF₂-5.8LaF₃-3.8AlF₃-20.2NaF，也可以是其它在两微米窗口材料损耗较低的光纤材料。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种结构简单制作容易的高双折射光子准晶光纤结构，该结构通过改变紧挨纤芯的左右两个对立的包层空气孔，换成两个以中心左右对称的葡萄柚类型的空气孔，打破了基模模场的x和y方向的对称性，使模场在x方向受到挤压，在y方向的模场强度远大于x方向的模场强度，进而实现很高的双折射特性。

所述光纤在很宽的波长范围内（1800～2200nm）保持单模传输特性此光纤，其模式折射率差高达10^-2，远高于普通保偏光纤，而且数值和文献中报道的用椭圆孔实现的双折射最大值相当，且制作相对容易。基于此光纤的高双折射、低限制损耗特性，此光纤可用于制作保偏光纤或者相关光纤器件，填补了两微米光纤器件的空白。由于此光纤的双折射可以通过改变空气孔的几何尺寸以及空气孔间隔来实现，温度的影响性小，稳定性好，更适合实际应用。

附图说明

图1-1为本发明提供的一种带葡萄柚空气孔的ZBLAN高双折射光子准晶光纤的横截面示意图，图中灰色背景为背景材料，白色小孔为空气孔。

图1-2、图1-3、图1-4和图1-5分别是对图1-1所示结构的辅助解析图。

图2是图1-1所示光纤实施得到的双折射随波长的变化关系。

图3是图1-1所示光纤实施得到的两个正交模式的限制损耗随波长的变化关系。

图4是图1-1所示光纤实施得到的二阶模的限制损耗射随波长的变化关系。

具体实施方式

为了克服现有技术制作双折射数值低下以及椭圆孔很难实现的不足，本发明提出了一种结构简单的高双折射特性的光子准晶光纤，该结构具有二重对称性，可以获得比现有设计的带有椭圆空气孔的光子晶体光纤相当量级的双折射值，并且在较宽范围内保持单模操作特性，限制损耗较低。

下面对本发明进行举例说明。图1-1为本发明提出的一种具有低限制损耗和高双折射的光子准晶光纤的截面图。由相邻的正方形与正三角形构成（如图1-3的结构解析图所示）,相邻圆形空气孔间距（两个孔心之间的距离）均相同，为∧=2μm。中心孔缺失形成缺陷,构成内纤芯，其中圆形空气孔的孔径为d=1.78μm，外加两个葡萄柚形状的空气孔，孔间距统一为Λ。该光纤的背景采用日本的FiberLabs.公司的ZBLAN基复合氟化物玻璃材料，成分为55.8ZrF₄-14.4BaF₂-5.8LaF₃-3.8AlF₃-20.2NaF，其折射率的数值为1.51。

下面结合附图对该实施例做详细说明。

如图1-4所示，所述葡萄柚空气孔为端面为葡萄柚形状的空气孔，每个所述葡萄柚形状为上下对称而左右不对称的类椭圆形。如图1-5所示，两个所述葡萄柚空气孔对称分布在纤芯的左右两侧。

如图1-5所示，两个所述葡萄柚空气孔的两条对称轴也是所有空气孔分布的对称轴。

如图1-3所示，相邻的圆形空气孔的孔间距相等，所有相邻的圆形空气孔的孔心间的连线构成了布满圆形空气孔分布区域的正方形和正三角形。

如图1-2所示，两个葡萄柚空气孔的上下各分布两个圆形空气孔，再往外围是多个分布圆形空气孔的圆形分布区域，相邻的圆形分布区域具有共用的圆形空气孔，位于所述圆形分布区域的中心具有一个中心圆形空气孔，一个圆形分布区域内，中心圆形空气孔外围的圆形空气孔呈同心圆分布。

如图1-2所示，所述圆形分布区域为6个，相邻的圆形分布区域共用的圆形空气孔为2个，一个圆形分布区域内，中心圆形空气孔外围的圆形空气孔呈2个同心圆分布，2个同心圆分布的圆形空气孔分别为6个和12个。

圆形空气孔孔径都为d=1.78μm，相邻的圆形空气孔的孔间距都为∧=2μm。

如图1-4所示，所述葡萄柚空气孔上下对称轴为线段AB，端点B临近纤芯，与所述上下对称轴垂直且两个端点都位于所述葡萄柚空气孔的孔周上的线段中最长者为线段CD，线段AB与线段CD垂直相交于O点，线段OA与线段OB的长度比为0.625。线段AB的长度为2.06μm，线段CD的长度为2.678μm。

和其它玻璃光纤拉制方法类似，都是从熔融状态拉制而成。对于制作氟化物光子准晶光纤来说，由于其复杂的结构，制作方法也区别于以往的氟化物光子晶体光纤。传统的管束堆积法很难在技术上实现。氟化物玻璃具有较低的熔点温度，为了降低结晶过程，缩棒过程通常都是在失重状态下。溶胶-凝胶法是2002年由R.T.Bise等人首次提出的，并以此方法成功地制备出微结构光纤。本实施例的光子准晶光纤就采用溶胶-凝胶法制备，其主要步骤如下：首先要根据设计制作铸造模具，内有一系列金属棒心轴；再在高pH值的环境下填充纳米量级(40nm左右)的氟化物胶状颗粒；然后，降低pH值使溶胶(sol)变为凝胶(gel)，并在凝胶过程中移去金属棒，在凝胶体内形成空气柱；而后，用热化学方法处理凝胶体，以去除水蒸气、有机物以及金属污染物：在约1600摄氏度的高温下，将干燥多孔的凝胶体烧结成胶状玻璃，并最终拉制成光纤。溶胶-凝胶法最大的优点在于，可以灵活地制造出模具中设计的任何结构，光纤的空气孔形状、大小、间距均可独立调节。因此，这种方法非常适合制备像准晶体结构光纤这样结构复杂的光纤。

所述实施例采用圆形空气孔孔径d=1.78μm，∧=2μm。采用有限元的分析方法得到该结构参数下的双折射

限制损耗随波长的变化关系，如图2、图3和图4所示。图2表示，双折射效应随着波长增加而增加，双折射高达10^-2，远高于传统的普通保偏光纤，而且数值和用文献中报道的用椭圆孔实现的双折射最大值相当。

图3表示，限制损耗在10^-3较低的数量级，而且x方向偏振模式的损耗远高于y方向偏振模式的损耗，这是因为y方向紧邻芯区的占空比大于x方向紧邻芯区的有效占空比，挤压基模模场，使模场在柚子形空气孔和其近零的圆形空气孔中间泄露，进而使x方向的限制损耗高于y方向的。此外，随着波长的增加，光场向包层延伸，限制损耗增大。

图4表示，二阶模的损耗大于1dB/m，所以此光纤在此波段，此背景材料下，满足单模运行的限制损耗条件：基模限制损耗小于0.1dB/m，二阶模的限制损耗大于1dB/m。

Claims (10)

1.一种带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，端面结构分布着空气孔，中心孔缺失而构成纤芯，纤芯的左右两侧分布一对葡萄柚空气孔，其它空气孔为圆形空气孔。

2.根据权利要求1所述的带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，所述葡萄柚空气孔为端面为葡萄柚形状的空气孔，每个所述葡萄柚形状为上下对称而左右不对称的类椭圆形，两个所述葡萄柚空气孔对称分布在纤芯的左右两侧。

3.根据权利要求2所述的带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，两个所述葡萄柚空气孔的两条对称轴也是所有空气孔分布的对称轴。

4.根据权利要求1所述的带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，相邻的圆形空气孔的孔间距相等，所有相邻的圆形空气孔的孔心间的连线构成了布满圆形空气孔分布区域的正方形和正三角形。

5.根据权利要求1所述的带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，两个葡萄柚空气孔的上下各分布两个圆形空气孔，再往外围是多个分布圆形空气孔的圆形分布区域，相邻的圆形分布区域具有共用的圆形空气孔，位于所述圆形分布区域的中心具有一个中心圆形空气孔，一个圆形分布区域内，中心圆形空气孔外围的圆形空气孔呈同心圆分布。

6.根据权利要求1所述的带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，所述圆形分布区域为6个，相邻的圆形分布区域共用的圆形空气孔为2个，一个圆形分布区域内，中心圆形空气孔外围的圆形空气孔呈2个同心圆分布，2个同心圆分布的圆形空气孔分别为6个和12个。

7.根据权利要求1-6任一项所述的带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，圆形空气孔孔径为d=1.78μm，相邻的圆形空气孔的孔间距为∧=2μm。

8.根据权利要求1所述的带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，所述葡萄柚空气孔上下对称轴为线段AB，端点B临近纤芯，与所述上下对称轴垂直且两个端点位于所述葡萄柚空气孔的孔周上的线段中最长者为线段CD，线段AB与线段CD垂直相交于O点，线段OA与线段OB的长度比为0.625。

9.根据权利要求7所述的带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，所述葡萄柚空气孔上下对称轴为线段AB，端点B临近纤芯，与所述上下对称轴垂直且两个端点都位于所述葡萄柚空气孔的孔周上的线段中最长者为线段CD，线段AB与线段CD垂直相交于O点，线段OA与线段OB的长度比为0.625，线段AB的长度为2.06μm，线段CD的长度为2.678μm。

10.根据权利要求1-6任一项所述的带葡萄柚空气孔的高双折射光子准晶光纤，其特征在于，所述光纤的背景是ZBLAN氟化物玻璃基材料。

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