CN104166179B - 一种高双折射光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供的光子晶体光纤是一种矩形空气孔和圆形空气孔混合结构的三角晶格高双折射光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯(1)和包层(2)，该包层(2)包绕纤芯(1)；包层(2)包含按照三角晶格结构(3)周期性均匀分布的混合形状空气孔(4)；纤芯(1)为光纤背景材料的中心实心区域。纤芯为光纤背景材料的中心实心区域；包层为包围纤芯的均匀分布相同结构空气孔的外围区域，空气孔在光纤背景材料中呈周期性排列，每相邻的三个空气孔构成一个正三角形，组成三角晶格结构(3)，所述空气孔为混合形状空气孔(4)。所述的光纤背景材料为二氧化硅材料。本发明通过同时使用三角晶格结构(3)和混合形状空气孔(4)，从而实现较高的双折射效应。

Description

一种高双折射光子晶体光纤

技术领域

本发明的目的是提供一种光子晶体光纤结构，尤其是一种使用混合型空气孔进行三角晶格排列方式的光子晶体光纤结构，具有较强的双折射效应，涉及光通信与光纤传感的技术领域。

背景技术

光子晶体光纤(photonic crystal fiber，简称PCF)，又称为多孔光纤(holey fiber)或微结构光纤(microstructure fiber)，通常由单一物质SiO₂构成。从光纤截面看，其中包含了沿轴向分布的空气孔，且存在周期性的二维结构。如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光能够在缺陷内传播。光子晶体光纤中存在两种截然不同的导光原理。一是利用折射率的周期性排列形成的光子带隙效应来导光。当纤芯为空气孔时，在带隙中出现频率极窄的缺陷态，光子带隙缺陷态具有透光性，这样以此频率入射的光子只存在于缺陷区域，实现导光。在这种光子晶体光纤中，光能够传播到光子晶体的所有层中去，通过多次散射和干涉，在满足布拉格条件时形成导光，因此这种光子晶体光纤的导光机制是布拉格衍射。另一种光子晶体光纤的导光原理为全内反射，即空气孔缺失，以石英玻璃作为纤芯。它与作为包层的二维光子晶体的折射率形成反差，从而使光以全内反射的形式传输，并不依赖于周期性结构产生的光子禁带，这与传统光纤导光机制相类似。本发明公布的光纤是一种依靠全内反射机制进行导光的光子晶体光纤。

普通光纤对称性受到制作工艺的影响，改进制作工艺可以保证其对称性，但是，在实际应用中普通光纤对称性也会受到机械应力影响改变其对称性，产生双折射现象，因此光的偏振态在普通光纤中传输的时候就会毫无规律地变化。光子晶体光纤的空气孔的排列和大小有很大的控制余地，因此可以通过改变它们增加光子晶体光纤包层中空气孔的非对称性，产生更强烈的双折射效应，消除应力对入射光偏振态的影响。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种高双折射光子晶体光纤，尤其是一种使用矩形和圆形混合型空气孔进行三角晶格排列的光子晶体光纤结构。大大提高了双折射，保持了入射光的偏振态。

技术方案：本发明的一种高双折射光子晶体光纤是一种矩形空气孔和圆形空气孔混合结构的三角晶格高双折射光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯和包层，该包层包绕纤芯；包层包含按照三角晶格结构周期性均匀分布的混合形状空气孔；纤芯为光纤背景材料的中心实心区域。

所述包层内的混合形状空气孔是矩形空气孔和圆形空气孔。

所述包层中的混合形状空气孔沿XY截面方向呈周期性分布，组成最小周期单元的空气孔构成正三角形，属于简单三角晶格结构。

该光子晶体光纤的双折射性能与包层(2)中x方向的有效折射率n_effx和y方向的有效折射率n_effy相关；模式双折射 $B=\left|\frac{{\mathrm{\β}}_x-{\mathrm{\β}}_y}{2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ}}\right|=|\frac{{\mathrm{\β}}_x}{k_0}-\frac{{\mathrm{\β}}_y}{k_0}|=\left|\frac{\mathrm{\Δ\β}}{k_0}\right|=|n_{\mathrm{effx}}-n_{\mathrm{effy}}|;$ 式中B为模式双折射，β_x、β_y分别表示x和y方向的传播常数，λ为工作波长，k₀为波数，Δβ表示两个正交方向的相位延迟，n_effx为x方向的有效折射率，n_effy为y方向的有效折射率。

所述的光纤背景材料为二氧化硅材料。

物联网/传感网是继互联网之后国家发展的核心领域，传感器作为传感网的重要组成部分，是生产和自然领域中信息采集不可或缺的工具。为了适应蓬勃发展的物联网技术对传感灵敏度的更高要求，本发明提出了一种新型光子晶体光纤结构。目前可用于传感的光子晶体光纤结构从整体上考虑影响双折射的因素不多，他们的双折射都偏小，我们从X、Y个方向全面考虑影响双折射的因素，通过增大整体结构的非对称性使得光纤的模式双折射变得更加明显。

该光子晶体光纤结构包括纤芯和包层，完整光子晶体结构中心处缺失一个圆形空气孔形成的点缺陷为纤芯；围绕纤芯进行二维排列的空气孔构成的区域即为包层。空气孔在光纤背景材料中呈周期性分布，组成最小周期单元的空气孔构成正三角形，属于简单三角晶格结构。

所述空气孔为混合形状空气孔。混合形状空气孔由矩形空气孔和圆形空气孔组成。

所述的光纤背景材料为二氧化硅(SiO₂)材料。

有益效果：本发明提出的一种新型光子晶体光纤结构，尤其是一种高双折射的混合型光子晶体光纤结构。空气孔在X、Y方向上分别进行周期性分布，矩形空气孔和圆形空气孔的混合使用使得结构不仅在芯区附近存在局部非对称性，在包层本身也存在各向异性。此结构使得光能量很好地集中在芯区传输，且由于芯区处两个横向正交方向有效折射率的差异，光纤可获得比传统单一结构光子晶体光纤更大的双折射效应。

此结构的光子晶体光纤可通过灵活改变三角晶格排列空气孔的各参数(如晶格常数、矩形空气孔长宽比，圆形空气孔大小等)，使得光纤模式双折射性能得到进一步的优化。本结构提供的高双折射性能使得在实际传感中产生的输出信号更容易被探测到，从而可大大降低传感过程中对探测设备精度的要求，节约成本。

附图说明

图1是本发明实施例一的横截面示意图；图1中有，纤芯1，和包层2，空气孔构成的三角晶格结构3，混合形状空气孔4，圆形空气孔41，矩形空气孔42。

图2(a)是图1示例纤芯x方向偏振基模的电场分布图；

图2(b)是图1示例纤芯y方向偏振基模的电场分布图；

图3是图1示例中光子晶体光纤双折射参数随波长的变化情况。

具体实施方式

本发明的一种高双折射光子晶体光纤是一种矩形空气孔和圆形空气孔混合结构的三角晶格高双折射光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯1和包层2，该包层2包绕纤芯1；包层2包含按照三角晶格结构3周期性均匀分布的混合形状空气孔4；纤芯1为光纤背景材料的中心实心区域。

所述包层2的混合形状空气孔4矩形空气孔41形空气孔42

所述包层2的混合形状空气孔4中Y截面方向呈周期性分布，组成最小周期单元的空气孔构成正三角形，属于简单三角晶格结构3

该光子晶体光纤的双折射性能与包层2中x方向的有效折射率n_effx和y方向的有效折射率n_effy相关；紧缩的包层排列和较大的空气填充率可有效提升两个正交偏振方向的有效折射率之差从而使模式双折射 $B=\left|\frac{{\mathrm{\β}}_x-{\mathrm{\β}}_y}{2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ}}\right|=|\frac{{\mathrm{\β}}_x}{k_0}-\frac{{\mathrm{\β}}_y}{k_0}|=\left|\frac{\mathrm{\Δ\β}}{k_0}\right|=|n_{\mathrm{effx}}-n_{\mathrm{effy}}|$ 增大；式中B为模式双折射，β_x、β_y分别表示x和y方向的传播常数，λ为工作波长，k₀为波数，Δβ表示两个正交方向的相位延迟，n_effx为x方向的有效折射率，n_effy为y方向的有效折射率。

所述的光纤背景材料为二氧化硅材料。

实例：提供的一种高双折射光子晶体光纤结构由纤芯和包层两部分组成。光纤的背景材料为二氧化硅(SiO₂)，折射率为1.45。衬底材料上分布着二维周期性排列的空气孔，折射率为1.0。完整光子晶体结构中心处缺失一个空气孔形成的点缺陷为纤芯；围绕纤芯进行二维排列的空气孔构成的区域为包层。此结构中有两种形状的空气孔，分别是矩形空气孔和圆形空气孔，它们以本技术领域公认的简单三角晶格的排列方式进行混合排列。

纤芯为光纤背景材料的中心实心区域；包层为包围纤芯的均匀分布相同结构空气孔的外围区域，空气孔在光纤背景材料中呈周期性排列，每相邻的三个空气孔构成一个正三角形，组成三角晶格结构3所述空气孔为混合形状空气孔4所述的光纤背景材料为二氧化硅材料。本发明通过同时使用三角晶格结构3混合形状空气孔4从而实现较高的双折射效应。

传统的高双折射光子晶体光纤结构都没有从整体上考虑影响双折射的因素，因此它们所能获得的双折射并不理想，本结构在整体上采用混合型空气孔排列，进一步增大结构的非对称性，不仅可以将光波能量很好地集中在纤芯进行传输，同时会在芯区产生很强的双折射效应，模式双折射的大小随工作波长的增大而增大。

结构的具体参数为，晶格常数(即相邻空气孔间距)Λ＝1μm，圆形空气孔直径D＝0.96μm，矩形空气孔长a＝0.8μm、宽b＝0.2μm，当工作波长为1550nm时，模式双折射可以达到3×10^-2。

Claims (5)

1.一种高双折射光子晶体光纤，其特征在于该光纤是一种矩形空气孔和圆形空气孔混合结构的三角晶格高双折射光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯(1)和包层(2)，该包层(2)包绕纤芯(1)；包层(2)包含按照三角晶格结构(3)周期性均匀分布的矩形空气孔和圆形空气孔混合结构组成的混合形状空气孔(4)；纤芯(1)为光纤背景材料的中心实心区域。

2.根据权利要求1所述的高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述包层(2)内的混合形状空气孔(4)是矩形空气孔(41)和圆形空气孔(42)。

3.根据权利要求1所述的高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述包层(2)中的混合形状空气孔(4)沿XY截面方向呈周期性分布，组成最小周期单元的空气孔构成正三角形，属于简单三角晶格结构(3)。

4.根据权利要求1所述的高双折射光子晶体光纤，其特征在于该光子晶体光纤的双折射性能与包层(2)中x方向的有效折射率n_effx和y方向的有效折射率n_effy相关；模式双折射式中B为模式双折射，β_x、β_y分别表示x和y方向的传播常数，λ为工作波长，k₀为波数，Δβ表示两个正交方向的相位延迟，n_effx为x方向的有效折射率，n_effy为y方向的有效折射率。

5.根据权利要求2所述的高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述的光纤背景材料为二氧化硅材料。