CN104808285B - 一种高双折射色散可调光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高双折射色散可调光子晶体光纤，包括基底材料、纤芯、矩形排列介质孔和正三角形栅格排列介质孔，纤芯、矩形排列介质孔和正三角形栅格排列介质孔由内至外分布；定义光纤端面的中心为圆心，X轴与矩形排列介质孔所对应矩形的长边方向平行，Y轴与矩形排列介质孔所对应矩形的短边方向平行，且X轴和Y轴均经过圆心，纤芯、矩形排列介质孔和正三角形栅格排列介质孔分别关于圆心对称，矩形的长边有五个介质孔，短边有三个介质孔，正三角形栅格排列介质孔中与矩形的长边的第二和第四个介质孔在Y轴方向相邻的位置无介质孔。所述光纤具有高双折射、低限制损耗的优点，且通过调节孔间距和介质孔大小可实现大负色散和零色散波长的调整。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤领域，尤其涉及一种高双折射、低限制损耗且色散可调的光子晶体光纤。
背景技术
传统的光子晶体光纤，通常由二氧化硅缺陷纤芯和一系列周期性空气孔排列的包层组成。包层的有效折射率可以看作是空气孔和二氧化硅背景材料的平均值，由于纤芯折射率大于包层折射率，光信号可以通过全内反射的形式在缺陷纤芯中传导。
在纤维光学中，高双折射可以有效地减小偏振耦合来保持光信号的线性偏振态。传统的保偏光纤通过在光纤中引入应力或几何不对称性产生双折射，通常产生的双折射小（约 10-4）、制作工艺复杂且稳定性差；光子晶体光纤因其结构灵活可控的优点，使用单一材料就可以产生极高的双折射，满足偏振依赖光学系统的进一步需求，近年来被广泛地研究。2000年英国Bath大学采用减少一排空气孔的方法制作出了首根高双折射光子晶体光纤，获得了高达3.7×10-3的双折射（Blanch A O. Opt Lett 2000; 25:1325-1327.）。随后接连出现多种方法实现光纤的非对称性结构，其中矩形栅格结构被认为比三角形栅格结构和蜂巢栅格结构具备潜在的更强的各向异性（Chen M Y. Opt A 2004; 6:997-1000.）。A. H.Bouk等人验证了传统矩形栅格光子晶光纤具备10-3量级的高双折射，并在波长1.55µm处获得了负色散和负色散斜率（Bouk A H. Opt Express 2004; 12:941-946.）。2009年韩国朝鲜大学通过在传统矩形栅格光子晶体光纤中相邻两行的每隔一个空气孔之间插入一个新的空气孔形成新型的光子晶体光纤（Kim S. Opt Lett 2009; 17:7952），理论研究表明该光子晶体光纤的双折射比传统矩形栅格光子晶体光纤高一个数量级，并且通过调节结构参数可获得-275ps/km∙nm的大负色散，但还是满足不了光学的进一步需求。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种高双折射、低限制损耗且色散可调的光子晶体光纤。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种高双折射色散可调光子晶体光纤，包括基底材料、纤芯和介质孔，基底材料填充在介质孔周围，所述介质孔包括矩形排列介质孔和正三角形栅格排列介质孔，纤芯、矩形排列介质孔和正三角形栅格排列介质孔由内至外分布；
定义光纤端面的中心为圆心，X轴与矩形排列介质孔所对应矩形的长边方向平行，Y轴与矩形排列介质孔所对应矩形的短边方向平行，且X轴和Y轴均经过圆心，所述纤芯、矩形排列介质孔和正三角形栅格排列介质孔分别关于圆心对称，矩形的长边有五个介质孔，短边有三个介质孔，正三角形栅格排列介质孔中与矩形的长边的第二和第四个介质孔在Y轴方向相邻的位置无介质孔，正三角形栅格排列介质孔中与矩形四个顶点处的介质孔在X轴方向相邻的位置无介质孔；
其中，矩形的长边方向相邻孔间距和正三角形栅格排列介质孔的相邻孔间距相等，矩形的短边方向相邻介质孔间距与长边方向相邻介质孔间距的比值为，且X轴上矩形排列介质孔和其相邻的正三角形栅格排列介质孔的间距与矩形的长边方向相邻介质孔间距相等，Y轴上矩形排列介质孔和其相邻的正三角形栅格排列介质孔的间距与矩形的短边方向相邻介质孔间距相等。
进一步的，所述介质孔是空气孔。
进一步的，所述介质孔是由高折射率材料填充的介质孔。
进一步的，所述介质孔形状是圆形或椭圆形。
进一步的，所述介质孔在光纤端面的水平对称轴上的数目为6-18个。
进一步的，光纤的基底材料采用纯石英、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃或聚合物材料。
采用上述方案后，本发明采用正三角形栅格排列介质孔和矩形排列介质孔的分布，实现高双折射、低限制损耗且色散可调的光子晶体光纤。
附图说明
图1a为具体实施例的高双折射色散可调光子晶体光纤的横截面示意图。
图1b为图1a虚框内的矩形排列介质孔的结构放大图。
图2a为当基质材料和纤芯同为纯石英且Λ=1μm、d/Λ=0.8时，双折射随波长的变化曲线图。
图2b为当基质材料和纤芯同为纯石英且Λ=1μm、d/Λ=0.8时，本发明的基模X、Y偏振方向的限制损耗随波长的变化曲线图。
图3a为当基质材料和纤芯同为纯石英且Λ=0.8μm、d/Λ=0.8时，本发明的基模X、Y偏振方向的色散参数随波长的变化曲线图。
图3b为当基质材料和纤芯同为纯石英且Λ=1.2μm、d/Λ=0.7时基模X、Y偏振方向的色散参数随波长的变化曲线图。
图4a为当基质材料和纤芯同为碲酸盐且Λ=2.0μm、d/Λ=0.8时，本发明的双折射随波长的变化曲线图。
图4b为当基质材料和纤芯同为碲酸盐且Λ=2.0μm、d/Λ=0.8时，本发明的基模X、Y偏振方向的色散参数随波长的变化曲线图。
图5a为当基质材料和纤芯同为聚甲基丙烯酸甲酯且Λ=1.0μm、d/Λ=0.8时，本发明的双折射随波长的变化曲线图。
图5b为当基质材料和纤芯同为聚甲基丙烯酸甲酯且Λ=1.0μm、d/Λ=0.8时，本发明的基模X、Y偏振方向的色散参数随波长的变化曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1a所示，一种高双折射色散可调光子晶体光纤包括基底材料1、纤芯2和介质孔0，基底材料1填充在介质孔0周围，所述介质孔0包括矩形排列介质孔3和正三角形栅格排列介质孔4，纤芯2、矩形排列介质孔3和正三角形栅格排列介质孔4由内至外分布。
定义光纤端面的中心为圆心，X轴与矩形排列介质孔3所对应矩形的长边方向平行，Y轴与矩形排列介质孔3所对应矩形的短边方向平行，且X轴和Y轴均经过圆心，所述纤芯2、矩形排列介质孔3和正三角形栅格排列介质孔4分别关于圆心对称。矩形的长边有五个介质孔，短边有三个介质孔。正三角形栅格排列介质孔4中与矩形的长边的第二和第四个介质孔在Y轴方向相邻的位置无介质孔。其中，矩形的长边方向相邻孔间距和正三角形栅格排列介质孔4的相邻孔间距相等，矩形的短边方向相邻介质孔间距与长边方向相邻介质孔间距的比值为，且X轴上矩形排列介质孔3和其相邻的正三角形栅格排列介质孔4的间距与矩形的长边方向相邻介质孔间距相等，Y轴上矩形排列介质孔和其相邻的正三角形栅格排列介质孔4的间距与矩形的短边方向相邻介质孔间距相等。
如图1a、1b所示，光纤的介质孔0是圆形空气孔，孔直径为d，三角形栅格排列空气孔的相邻孔间距为Λ，矩形排列空气孔3所对应矩形的短边方向相邻空气孔间距为Λ1，并且介质孔在光纤端面的水平对称轴上的数目为10个。
根据所述光纤的基底材料和纤芯的材料的不同，分别给出以下三个实施例：
实施例1：所述光纤的基底材料1和纤芯2同为纯石英。
如图2a、2b所示，可以看出本发明双折射和限制损耗特性。双折射光子晶体光纤作为一种特种光纤，其应用早已超出了光通信的范畴，在光纤激光器、光纤传感、集成光学信息处理等领域也发挥出重要的作用，同时，低的限制损耗是光纤器件性能中至关重要的因素。当Λ=1μm、d/Λ=0.8时，本发明的双折射和偏振相关限制损耗随波长的变化分别如图2a和图2b所示。由图2a可知，双折射随波长的增大而增大，且在通信波段（1.26μm~1.675μm）中，双折射达到10-2量级以上；由图2b可知，限制损耗随着波长的增大而增大，同时，X偏振方向（即X轴方向）的限制损耗比Y偏振方向（即Y轴方向）的限制损耗小一个数量级。特别地，在波长λ=1.55μm处，双折射可达1.38×10-2，X、Y偏振模的限制损耗分别为0.62dB/km和5.92dB/km。
如图3a、3b所示，可以看出本发明色散特性。光纤色散在线性和非线性现象都发挥着重要的作用，近年来，反常色散和零色散在色散补偿光纤和零色散光纤中的应用引起人们广泛的重视。当Λ=0.8μm、d/Λ=0.8时，本发明的色散变化如图3a所示。由图3a可知，光纤呈现反常色散特性；典型地，X偏振模和Y偏振模在λ=1.55μm处的负色散分别达到-259ps/km∙nm和-472ps/km∙nm。当Λ=1.2μm、d/Λ=0.7时，本发明的色散变化如图3b所示。由图3b可知，X、Y偏振方向在近红外波段出现了零色散波长，并且X、Y偏振方向的零色散波长分别为1.53μm和1.43μm。
实施例2：所述光纤的基底材料1和纤芯2同为碲酸盐玻璃，其成分为90mol% Te2O，10mol% Al2O3（Takabe H. Am Ceram Soc 1994; 77:2455）。
如图4a、4b所示，可以看出本发明双折射和色散特性。碲酸盐玻璃因其特有的光学性质和物理化学性质成为研究中远红外光纤器件的重要材料。当Λ=2μm、d/Λ=0.8时，本发明的双折射和色散随波长的变化分别如图4a和图4b所示。由图4a可知，双折射随波长的增大而增大。典型地，在波长λ=2.94μm处，双折射可达1.53×10-2，由此可知，本发明将在中红外激光器件发挥重要的应用。由图4b可知，随着波长的增大，光纤偏振模色散逐渐增加到一个最大值然后逐渐减小。典型地，在波长λ=2.94μm处，X偏振方向的色散参数和色散斜率分别为82.2ps/km∙nm和-0.008ps/km∙nm2，光纤呈现正常色散且色散平坦。
实施例3：所述光纤的基底材料1和纤芯2的材料同为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）。
如图5a、5b所示，可以看出本发明双折射和色散特性。聚合物光子晶体光纤由于其在紫外和可见光区域的透过率远高于传统石英光子晶体光纤，且易于制备和成本低，目前已有多种聚合物光子晶体光纤设计和工艺研究被相继报道。当Λ=1μm、d/Λ=0.8时，本发明的双折射和色散随波长的变化分别如图5a和图5b所示。由图5a可知，双折射随着波长的增大而增大，当波长增至0.478μm时，双折射达到10-3量级（目前聚合物高双折射光子晶体光纤的双折射值一般为10-4量级）。由图5b可知，偏振模色散随着波长的增大而增大，光纤呈现正常色散。
在其他实施例中，所述介质孔0由高折射率材料填充；所述介质孔形状可以是椭圆形。
所述介质孔在光纤端面的X轴上的数目为6-18个。光纤的基底材料采用纯石英、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃或聚合物材料。
本发明的光子晶体光纤结构简单，具有高双折射、低限制损耗的优点，并且通过调节孔间距和介质孔大小可实现大负色散和零色散波长的调整。特别地，当基质材料和纤芯材料为纯石英，介质孔为圆形空气孔且在X轴上的数目为10个时，研究表明：当三角形栅格排列相邻孔间距为1μm且空气孔直径与孔间距的比值为0.8时，光纤在波长1.55μm处获得了1.38×10-2的高双折射，同时，X偏振模和Y偏振模的限制损耗分别为0.62dB/km和5.92dB/km，约小于传统矩形栅格光子晶体光纤4个数量级；并且通过合理地调节孔大小和孔间距，在波长1.55μm处可获得X偏振模和Y偏振模的大负色散分别为-259ps/km∙nm和-472ps/km∙nm以及零色散波长为1.53μm的偏振态。
本发明所提供的高双折射、低限制损耗和色散可调的光子晶体光纤将在光纤器件、光纤传感、光纤激光器和保偏传输系统等方面发挥重要的作用。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高双折射色散可调光子晶体光纤，包括基底材料、纤芯和介质孔，基底材料填充在介质孔周围，其特征在于：所述介质孔包括矩形排列介质孔和正三角形栅格排列介质孔，纤芯、矩形排列介质孔和正三角形栅格排列介质孔由内至外分布；
定义光纤端面的中心为圆心，X轴与矩形排列介质孔所对应矩形的长边方向平行，Y轴与矩形排列介质孔所对应矩形的短边方向平行，且X轴和Y轴均经过圆心，所述纤芯、矩形排列介质孔和正三角形栅格排列介质孔分别关于圆心对称，矩形的长边有五个介质孔，短边有三个介质孔，正三角形栅格排列介质孔中与矩形的长边的第二和第四个介质孔在Y轴方向相邻的位置无介质孔，正三角形栅格排列介质孔中与矩形四个顶点处的介质孔在X轴方向相邻的位置无介质孔；
其中，矩形的长边方向相邻孔间距和正三角形栅格排列介质孔的相邻孔间距相等，矩形的短边方向相邻介质孔间距与长边方向相邻介质孔间距的比值为，且X轴上的矩形排列介质孔和其在X轴方向相邻的正三角形栅格排列介质孔的间距与矩形的长边方向相邻介质孔间距相等，Y轴上矩形排列介质孔和其在Y轴方向相邻的正三角形栅格排列介质孔的间距与矩形的短边方向相邻介质孔间距相等。
2.如权利要求1所述的高双折射色散可调光子晶体光纤，其特征在于：所述介质孔是空气孔。
3.如权利要求1所述的高双折射色散可调光子晶体光纤，其特征在于：所述介质孔是由高折射率材料填充的介质孔。
4.如权利要求1所述的高双折射色散可调光子晶体光纤，其特征在于：所述介质孔形状是圆形或椭圆形。
5.如权利要求1所述的高双折射色散可调光子晶体光纤，其特征在于：所述介质孔在X轴上的数目为6-18个。
6.如权利要求1所述的高双折射色散可调光子晶体光纤，其特征在于：光纤的基底材料采用纯石英、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃或聚合物材料。
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