CN103728689B - 一种高双折射光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高双折射光纤，由纤芯和包层组成，所述纤芯由两个并排放置的高折射率介质柱组成，所述包层由基质材料和排布于纤芯两侧的两个空气孔的所组成；两个空气孔的中心位于两个高折射率介质柱的中心连线的垂直平分线上。本发明采用简单的两个空气孔和两个高折射率介质柱结构，获得高双折射。通过合适的纤芯参数选择，并经弯曲，实现单偏振传输的效果，从而有效扩大了光纤单偏振传输的工作带宽和允许的弯曲半径，并使光纤具有较大的模场面积，适合于光信号的输入与输出。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体分为可实现高双折射和单偏振传输的微结构光纤。
背景技术
光纤的这种双折射现象会导致偏振模之间的耦合以及由于两偏振模传播常数的不同而导致的偏振模色散问题、偏振模耦合问题，常见的解决方法是采用保偏光纤。保偏光纤在通信、传感等领域都有着广泛的应用。
为了获得更好的传输性能，可以采用单偏振光纤。单偏振光纤中只有一个偏振模能够在光纤中传输，这样就完全避免了普通单模光纤中存在的偏振模耦合以及偏振模色散等问题。传统的单偏振光纤比较典型的为W型单偏振光纤。光子晶体光纤的出现为单偏振光纤的实现提供了新途径，通过调整光纤中空气孔的排布及尺寸，就可以获得单偏振传输的光子晶体光纤。例如，利用光纤两偏振模在有效折射率上的差异，使其中一个偏振模式因其有效折射率小于包层的有效折射率，从而无法在光纤的传输(IEEE Photonics TechnologyLetters, 2003, 15(10): 1384-1386)。但这种方法会导致另一个偏振模的传输损耗也较大。专利“一种高非线性的单偏振单模光子晶体光纤（申请号：200810225319.9）”提出在纤芯中引入几个椭圆空气孔，利用两偏振基模截止波长不同的特点，可以实现宽带、单偏振的传输。专利“一种微结构保偏光纤（专利号：ZL 200710022275.5）”，在纤芯中引入矩形结构高折射率介质柱，可以实现宽带的单偏振光传输。以上光纤往往为了获得单偏振传输而采用小纤芯结构，模场面积较小，或者模场面积较大，但单偏振性能弱。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种新型高双折射光纤。
本发明的技术方案是，一种高双折射光纤，由纤芯和包层组成，所述纤芯由两个并排放置的高折射率介质柱组成，所述包层由基质材料和排布于纤芯两侧的两个空气孔的所组成；两个空气孔的中心位于两个高折射率介质柱的中心连线的垂直平分线上。
作为本发明的进一步改进，要求高折射率介质柱的直径dc应满足：，这里λ为光波长，ncore和nclad分别为高折射率介质柱和包层的折射率。高折射率介质柱与基质材料的折射率差Δ=ncore-nclad满足Δ>0.01。
作为本发明的进一步改进，要求空气孔的直径da满足da>2dc，空气孔与相邻高折射率介质柱的中心距离L满足：L<da+dc+0.4 μm。
作为本发明的进一步改进，要求光纤的弯曲半径为0.05~0.25 m。
本发明的有益效果是：采用简单的两个空气孔和两个高折射率介质柱结构，实现单偏振传输的效果。通过合适的纤芯参数选择，并经弯曲，实现单偏振传输的效果，从而有效扩大了光纤单偏振传输的工作带宽和允许的弯曲半径，并使光纤具有较大的模场面积，适合于光信号的输入与输出。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的横截面示意图；
图2为本发明光纤基模的模场分布图；
图3为图1所示实施例的模式有效折射率随纤芯折射率的变化曲线；
图4为图1所示实施例的模式双折射随纤芯折射率的变化曲线；
图5为图1所示实施例的弯曲损耗曲线图；
图6为图1所示实施例在弯曲半径为0.2 m时，光纤的弯曲损耗随波长的变化曲线。
图中，1，基质材料；2,高折射率介质柱；3，空气孔。
具体实施方式
本发明提出采用两个高折射率介质柱组成纤芯，由两个空气孔组成束缚机制的微结构光纤，其结构如图1所示。这种具有二重对称性的纤芯结构和包层折射率分布，导致光纤两个偏振模的双折射增大。同时，通过弯曲光纤的方法，使其中一个偏振模产生泄露，而另一偏振保持低损耗，从而实现单偏振传输的目的。这种结构同时利用具有二重对称性的纤芯（两个高折射率介质柱组成的纤芯）和具有二重对称性的包层（两个大空气孔组成的包层）结构，获得高双折射，同时增大光纤两偏振模的损耗差别，从而实现单偏振传输的目的。虽然采用椭圆形高折射率纤芯也可实现类似于这种纤芯的效果，但本发明结构采用圆对称的高折射率介质柱，避免了椭圆形高折射率纤芯制作时需要复杂的抛磨等工艺，因而更易于制作和实现，也可有效减小纤芯侧面光滑度对光纤传输损耗的影响。图2为本发明光纤基模的模场分布图，由图可见，虽然两个高折射率介质柱之间存在空隙，但仍可形成连续模场。
对于这种光纤来说，即使空气孔不存在，由于纤芯由高折射率介质柱组成，其也可以形成全内反射传导机制。即纤芯模式的有效折射率高于光纤包层基质材料的折射率，而低于高折射率介质柱（即纤芯）的折射率。空气孔的出现，使光纤两偏振基模的有效折射率都减小，由于模场分布的不同，其中一个偏振模的有效折射率减小较多，从而导致光纤具有较高的双折射。当其中一个偏振模的有效折射率低至基质材料折射率以下时，其不再满足全内反射条件，虽然空气孔也可起到一定的束缚光作用，但由于空气孔较少，且在出现在纤芯两侧，无法形成有效的传导机制，因此，这个偏振模将无法在纤芯中传输，从而只留下一个偏振模，使光纤以单偏振形式传输。若空气孔进一步增大或者高折射率介质柱折射率减小，则最终另一个偏振模的有效折射率也会低至基质材料折射率以下。此时，光纤无法传导基模。对于参数一定的这种光纤，将存在两个偏振模截止的两个波长点。则这两个波长点之差即为光纤的单偏振工作带宽。这种方法下单偏振传输的带宽较窄，原因是当其中一个偏振模的有效折射率较低时，即空气孔使光纤模式受到挤压，从而向无空气孔的基质材料区域扩展。这样，另一个偏振模的有效折射率也会降低。即在两偏振模都存在时，其双折射较高，而当其中一个偏振模不存在或接近不存在时，其双折射会快速减小。图3和图4给出其它参数一定，高折射率介质柱的折射率变化时，光纤两偏振模的有效折射率和双折射值。由图可见，随着高折射率介质柱的折射率的减小，其双折射也减小。因此，即使实现了将其中一个偏振模截止（即有效折射率降至基质材料折射率以下），另一个偏振模与基质材料的折射率差也较小，从而随着波长的增大，其有效折射率进一步减小，最终导致这个偏振模也截止。
另一方面，即使在直光纤时两个偏振模都存在，当其中一个偏振模的有效折射率较低，接近于基质材料折射率时，若将光纤弯曲，则亦很容易将这个偏振模泄露掉，从而形成单偏振传输。由图5可见，当发生弯曲时，其中一个偏振模的弯曲损耗明显增大，而另一个偏振模的弯曲损耗仍可保持在较低的水平。这种方法更容易形成单偏振传输，原因是在直光纤时两个偏振模的有效折射率都大于基质材料的折射率，从而其双折射可以较大。而通过弯曲的方法使其中一个偏振模去除以后，另一个偏振模仍可保持较低损耗的光传输。由图6可见，在一定的弯曲半径下，其两个偏振模具有较大的弯曲损耗差别。因此，光纤可在宽带范围内实现单偏振传输。
显然单偏振光纤须为单模光纤，即不存在高阶模，由光纤模式理论，这里a为纤芯半径，λ为光波长，ncore为纤芯折射率，nclad为包层折射率。由此可得，对于阶跃光纤，其纤芯半径应满足：。对于由两个高折射率介质柱组成的光纤结构，由于还需要去除其中一个偏振模，其高折射率介质柱的半径应更小。研究表明，其纤芯半径至少应满足：，即其直径dc满足。
空气孔的直径da满足da>2dc，同时，空气孔与相邻高折射率介质柱的中心距离L满足：L<da+dc+0.4 μm。即空气孔与相邻高折射率介质柱之间的间隙要足够小，从而使纤芯模式与空气孔发生强作用。
实施例一：
光纤横截面如图1所示。高折射率介质柱的直径为2.8 μm ，与基质材料的折射率差为1.469。空气孔直径为5 μm，空气孔与相邻高折射率介质柱的中心距离L满足：L=da+dc+0.34 μm。当光纤的弯曲半径为20 cm时，光纤的X偏振模的损耗大于100 dB/m。当光纤的弯曲半径大于5 cm时，光纤的Y偏振模的损耗小于0.1 dB/m。当弯曲半径为20 cm时，光纤在1.55~1.595 μm的波长范围保持单偏振传输。光纤在1.55 μm时的模场面积为23 μm2。
实施例二：
光纤横截面如图1所示。高折射率介质柱的直径为3 μm ，与基质材料的折射率差为1.47。空气孔直径为9 μm，空气孔与相邻高折射率介质柱的中心距离L满足：L=da+dc+0.18μm。当光纤的弯曲半径为15 cm时，光纤的X偏振模的损耗大于100 dB/m。当光纤的弯曲半径大于2 cm时，光纤的Y偏振模的损耗小于0.1 dB/m。当弯曲半径为20 cm时，光纤在1.55~1.61 μm的波长范围保持单偏振传输。光纤在1.55 μm时的模场面积为19 μm2。
上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
Claims (1)
1.一种高双折射光纤，包括纤芯和包层，其特征在于，所述纤芯由两个并排放置的高折射率介质柱组成，所述包层由基质材料和排布于纤芯两侧的两个空气孔的所组成；两个空气孔的中心位于两个高折射率介质柱的中心连线的垂直平分线上，高折射率介质柱的直径dc应满足：，这里λ为光波长，ncore和nclad分别为高折射率介质柱和包层的折射率，高折射率介质柱与基质材料的折射率差Δ=ncore-nclad满足Δ>0.01，空气孔的直径da满足da>2dc，空气孔与相邻高折射率介质柱的中心距离L满足：L<da+dc+0.4 μm，光纤的弯曲半径为0.05~0.25 m。
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