CN103913801A - 一种新型光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型光子晶体光纤，其主体为正三角形排列的空气孔，背景材料为纯石英玻璃，且外部被与背景材料折射率相同的完美匹配层包裹，其特征在于：最内圈空气孔被椭圆和半椭圆空气孔取代，其中左右两个对称的空气孔被短轴分开的半椭圆形空气孔取代，其余四个空气孔被椭圆形空气孔取代，且椭圆空气孔的几何中心为原空气孔的圆心，除此外，椭圆形空气孔的长轴垂直于半椭圆形空气孔的长轴。本发明所提供的高非线性、高双折射和零色散光纤将在光孤子通信、光纤器件、光纤传感、高速光网络和超连续谱传输等方面发挥重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤领域，具体为一种高双折射高非线性多零色散波长的光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)，又称微结构光纤或多孔光纤，与普通光纤相比, 具有无限单模传输、高双折射、高非线性、色散管理等特性，被广泛应用于光纤传感、光通信及非线性光学等领域。
高双折射PCF在高性能光纤激光器及激光传感等方面具有重要的应用价值，因此其成为PCF领域的研究热点之一。PCF的主导结构是平行四边形晶格构成的六重对称结构，该结构下的光子晶体光纤的基模是简并的，因此破坏PCF的对称结构是其提高双折射的主导方法，如在包层中引入半径不同的孔，改变纤芯或包层空气孔形状等。Liang（参考文献Jian Liang, Maojin Yun, et al. 2011 Optik. 122 2151）等在纤芯处引入一排椭圆空气孔，该结构虽然获得了2.18×10-3的双折射，但是其非线性系数还需进一步提高。D. Chen（参考文献D. Chen, X.A. Liu, G. Wu. 2012 J. Electromagnet. Wave. 26 1864）设计了三空气孔结构的PCF，通过改变结构参数在1.55μm波长处实现了1.17×10-2的高双折射，并且降低了PCF的限制损耗。同年，So Eun Kim（参考文献So Eun Kim,Bok Hyeon Kim et al. 2012 Opt. Exp. 20 1385）等设计出了全椭圆结构的PCF，在1.55μm波长处，其双折射达到1.94×10-2，同时具有负色散平坦特性，但制备此种光纤异常困难。最近，Mohit Sharma（参考文献Mohit Sharma, Nitu Borogohain, S. Konar.2013 J. Lightw. Tech. 31 3339）等设计了一种类矩形纤芯PCF，其双折射约为2.22×10-2，但该光纤在可见光波长范围只有一个零色散波长，而且其色散平坦特性有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高双折射高非线性多零色散波长光子晶体光纤，以解决现有技术中光子晶体光纤存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种新型光子晶体光纤，其主体为正三角形排列的空气孔，背景材料为纯石英玻璃，且外部被与背景材料折射率相同的完美匹配层包裹，其特征在于：最内圈空气孔被椭圆和半椭圆空气孔取代，其中左右两个对称的空气孔被短轴分开的半椭圆形空气孔取代，其余四个空气孔被椭圆形空气孔取代，且椭圆空气孔的几何中心为原空气孔的圆心，除此外，椭圆形空气孔的长轴垂直于半椭圆形空气孔的长轴。在上述结构中，（1）圆形空气孔的直径为d，相邻空气孔间距为Λ；（2）两个半椭圆形空气孔的长轴为d 1，短轴为d，其距光纤的几何中心的距离均为L；（3）四个椭圆形空气孔的长轴为d，短轴为d 2。
所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤的背景材料为纯石英玻璃。
所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：最内圈空气孔被四个椭圆和两个半椭圆空气孔取代。
所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：椭圆形空气孔的长轴垂直于半椭圆形空气孔的长轴。
所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：四个椭圆空气孔的几何中心为原圆形空气孔的圆心。
所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：两个半椭圆空气孔关于该光纤的几何中心对称，且距该光纤的几何中心距离为L。
本发明设计了一种新型光子晶体光纤， 当Λ=1.2μm、d 2=0.5μm、d=d 1=1μm、L=0.6μm时，新型光纤在λ=1.55μm处获得2.54×10-2的高双折射。当Λ=1.2μm、d 2=0.6μm、d=d 1=1μm、L=0.6μm时，X、Y 偏振方向在λ=1.55μm的非线性系数高达50.22W -1 km -1 和54.61W -1 km -1 。另外，在近红外波段，X、Y偏振方向都出现了两个零色散波长，其中的一个零色散波长出现在1.55μm附近，同时，随着孔间距Λ的增大，零色散波长出现红移现象。本发明所提供的高非线性、高双折射和零色散光纤将在光孤子通信、光纤器件、光纤传感、高速光网络和超连续谱传输等方面发挥重要的作用。
附图说明
图1为本发明为本发明结构示意图，其中：
图1a为新型光子晶体光纤横截面图，图1b为虚框内的放大图及结构参数。
图2为本发明模场分布图，其中：
图2a为X偏振方向模场，图2b为Y偏振方向模场。
图3为本发明不同d 2下的有效模面积，其中：
图3a为X偏振方向的有效模面积，图3b为Y偏振方向的有效模面积。
图4为本发明不同d 2下的非线性系数，其中：
图4a为X偏振方向的非线性系数，图4b为Y偏振方向的非线性系数。
图5为本发明不同孔间距下的色散曲线，其中：
图5a为X偏振方向色散曲线，图5b为Y偏振方向色散曲线。
图6为本发明不同孔间距Λ下的双折射。
具体实施方式
一种新型光子晶体光纤，其主体为正三角形排列的空气孔1，背景材料2为纯石英玻璃，且外部包裹与背景材料折射率相同的完美匹配层3，最内圈空气孔被半椭圆4和椭圆空气孔5取代，其中左右两个对称的空气孔被短轴分开的半椭圆形空气孔4取代，其余四个空气孔被椭圆形空气孔5取代，且椭圆空气孔5的几何中心为原空气孔的圆心，除此外，椭圆形空气孔5的长轴垂直于半椭圆形空气孔4的长轴。在上述结构中，（1）圆形空气孔1的直径为d，相邻空气孔间距为Λ；（2）两个半椭圆形空气孔4的长轴为d 1，短轴为d，其距光纤的几何中心的距离均为L；（3）四个椭圆形空气孔5的长轴为d，短轴为d 2。
背景材料2为纯石英玻璃。
两个半椭圆空气孔4关于该光纤的几何中心对称，且距该光纤的几何中心距离为L。
椭圆形空气孔5的长轴垂直于半椭圆形空气孔4的长轴。
本发明可以采用限元法并结合完美匹配层边界吸收条件进行理论计算，得到本发明的模场分布特性、有效模面积、非线性特性、色散特性、双折射特性。
如2图所示，可以看出本发明模场分布特性。在PCF中，光波的能量集中在纤芯传播，即以基模的形式进行传输，因此基模模场分布是衡量光纤特性的重要标准。图2给出了在λ=1.55μm处，Λ=1.2μm，L=0.6μm，d=d 1=1μm，d 2=0.5μm的不同偏振方向的基模模场分布情况。从图中可以看出，对于X、Y偏振方向模场能量集中在纤芯，满足光纤单模传输的要求。
如3图所示，可以看出本发明有效模面积。图3给出了Λ=1.2μm、L=0.6μm、d=d 1=1μm、d 2=0.6μm时PCF X、Y偏振方向的有效模面积Aeff的变化情况。由图3可知，相同的Λ下，A eff 随着波长和 的增加而增大，但X偏振方向A eff 的增加速度略大，波长λ=1.55μm处，X、Y偏振方向的有效模面积A eff 分别为2.583μm 2和2.375μm 2，具有比现有技术更小的模场面积。
如4图所示，可以看出本发明非线性特性。不同孔间距PCF的非线性系数γ随波长的变化如图所示，从图4中可以得出，光纤的γ值随着波长的增加而逐渐减小。当Λ=1.2μm、L=0.6μm、d=d 1=1μm、d 2=0.6μm时，在波长λ=1.55μm处X、Y偏振方向的非线性系数γ分别为50.22W -1 km -1和54.61W -1 km -1，与现有技术的非线性相比较，采用本发明结构的PCF具有更高的非线性，其在光孤子通信、光纤器件和超连续光谱的产生等方面具有重要的作用。
如5图所示，可以看出本发明色散特性。光纤色散会导致光脉冲在传播过程中展宽，使前后脉冲互相交叠，引起信号的码间串扰，色散是限制光通信速率进一步提高的因素之一。图为不同孔间距Λ下的X、Y偏振方向的色散特性，从图5中可以看出，当Λ=1.2μm、L=0.6μm、d=d 1=1μm、d 2=0.5μm时，在近红外波段，X、Y偏振方向都出现了两个零色散波长。同时，随着孔间距Λ的增加，零色散波长出现红移，更重要的是，在波长λ=1.55μm处的总色散非常小，完全可以通过结构参数的设置使该光纤通信波长处的总色散为零。
如图6所示，可以看出本发明双折射特性。高双折射的PCF在光通信和光纤传感器中有重要的应用。本发明设计PCF的双折射B随波长的变化如图6所示，由图可知，双折射B随波长的增大而增大，随孔间距的增大而减小。在波长λ=1.55μm，当Λ=1.2μm、L=0.6μm、d=d 1=1μm、d 2=0.5μm时，其双折射可达2.54×10-2，是目前报道的具有最高双折射的全内反射型光子晶体光纤。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种新型光子晶体光纤，其主体为正三角形排列的空气孔，背景材料为纯石英玻璃，且外部被与背景材料折射率相同的完美匹配层包裹，其特征在于：最内圈空气孔被半椭圆和椭圆空气孔取代，其中两个左右对称的空气孔被短轴分开的半椭圆形空气孔取代，其余四个空气孔被椭圆形空气孔取代，且椭圆空气孔的几何中心为原空气孔的圆心，除此外，椭圆形空气孔的长轴垂直于半椭圆形空气孔的长轴，在上述结构中，（1）圆形空气孔的直径为d，相邻空气孔间距为Λ；（2）两个半椭圆形空气孔的长轴为d 1，短轴为d，其距光纤几何中心的距离均为L；（3）四个椭圆形空气孔的长轴为d，短轴为d 2。
2.根据权利要求1所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：所述光纤的背景材料为纯石英玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：最内圈空气孔被四个椭圆和两个半椭圆空气孔取代。
4.根据权利要求1所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：椭圆形空气孔的长轴垂直于半椭圆形空气孔的长轴。
5.根据权利要求1所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：四个椭圆空气孔的几何中心为原圆形空气孔的圆心。
6.根据权利要求1所述的一种新型光子晶体光纤，其特征在于：两个半椭圆空气孔关于该光纤的几何中心对称，且距该光纤的几何中心距离为L。
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