CN105022113A - 一种新型高双折射光子准晶光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高双折射光子准晶光纤，其背景材料为SiO₂，整个结构的散射子以十重Penrose型光子准晶结构排布，晶格常数为Λ，包层圆形空气孔直径分别为d₃和d₄，其中：d₃取自十重Penrose型光子准晶结构第三至五层的散射子，d₄取自十重Penrose型光子准晶结构第六至九层的散射子；在芯区引入六个圆形空气孔，其中：上下四个圆形空气孔直径为d₁，取自十重Penrose型光子准晶结构第二层靠近±Y轴四个散射子，左右两个圆形空气孔直径为d₂，取自十重Penrose型光子准晶结构第三层±X轴上两个散射子；为增强不对称性以提高双折射率，在±Y轴上1.3×Λ处引入两个直径为d₅的圆形空气孔。本发明具有模场能量分布集中以及降低现有工艺水平对光纤制备的限制的优势。

Description

一种新型高双折射光子准晶光纤

技术领域

本发明涉及一种半径小的高双折射光子准晶光纤，具体涉及一种基于SiO₂的高双折射光子准晶光纤。

背景技术

在光纤传感、光通讯、光学精密仪器等应用中，高双折射光纤具有极大的应用需求，如光纤通信、光子晶体光纤激光器、光子晶体光纤传感器等。高双折射可提高保偏能力，即可使光在超连续谱范围保持偏振。

为了达到高双折射，大多数光子晶体光纤结构基本上都引入了过小直径的圆孔、椭圆孔、螺旋结构或在空气孔充入其它液体使其制作难度加大。

在实际传感应用中，不仅要求光纤具有高双折射率，并且在其他方面也提出了较高要求，比如：为实现高精度光纤陀螺的微型化，一般要求保偏光纤具有更小的直径；为减少熔接损耗和传输时的模场失配，光纤场能量分布要尽可能集中。然而，现在提出的大多数高双折射光子晶体光纤半径一般大于10nm且场分布较为分散。

发明内容

为了保持光纤高双折射的同时模场能量分布集中且半径小、制作难度低，本发明提供了一种新型高双折射光子准晶光纤，具有模场能量分布集中以及降低现有工艺水平对光纤制备的限制的优势，在通讯传感等方面具有较高应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种新型高双折射光子准晶光纤，其背景材料为SiO₂，整个结构的散射子以十重Penrose型光子准晶结构排布，晶格常数为Λ，包层圆形空气孔直径分别为d₃和d₄，其中：d₃取自十重Penrose型光子准晶结构第三至五层的散射子，d₄取自十重Penrose型光子准晶结构第六至九层的散射子；在芯区引入六个圆形空气孔，其中：上下四个圆形空气孔直径为d₁，取自十重Penrose型光子准晶结构第二层靠近±Y轴四个散射子；左右两个圆形空气孔直径为d₂，取自十重Penrose型光子准晶结构第三层±X轴上两个散射子；为增强不对称性以提高双折射率，在±Y轴上1.3×Λ处引入两个直径为d₅的圆形空气孔。

本发明提出光纤具有以下优点：

(1)双折射率高，与采用椭圆空气孔或小孔径空气孔的光纤具有相同数量级；

(2)全部采用圆形空气孔，制造工艺简单；

(3)模场能量分布集中，熔接损耗小；

(4)光纤半径小(6.5μm)，更加适合微型传感通讯设备。

附图说明

图1为高双折射光子准晶光纤横截面结构图；

图2为波长λ＝1.55μm时的Ex偏振模基模模场分布；

图3为波长λ＝1.55μm时的Ey偏振模基模模场分布；

图4为有效折射率随波长的变化关系；

图5为芯层空气孔大小对光纤的影响(双折射)；

图6为芯层空气孔大小对光纤的影响(拍长)；

图7为外包层圆形空气孔大小对光纤的影响(双折射)；

图8为外包层圆形空气孔大小对光纤的影响(拍长)；

图9为晶格常数大小对光纤的影响(双折射)；

图10为晶格常数大小对光纤的影响(拍长)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

经典Penrose型光子准晶，即二维八重、十重、十二重Penrose型。本发明高双折射光子准晶横截面如图1所示，其背景材料为SiO₂，整个结构的散射子(即图中以不同灰度标注的空气孔)以十重Penrose型光子准晶结构排布，晶格常数为Λ，包层圆形空气孔(取十重Penrose型光子准晶结构第三至九层的散射子)直径分别为d₃和d₄，其中：d₃取自十重Penrose型光子准晶结构第三至五层的散射子，d₄取自十重Penrose型光子准晶结构第六至九层的散射子；在芯区引入六个圆形空气孔，上下四个圆形空气孔(取十重Penrose型光子准晶结构第二层靠近±Y轴四个散射子)直径为d₁，左右两个圆形空气孔(取十重Penrose型光子准晶结构第三层±X轴上两个散射子)直径为d₂；为增强不对称性以提高双折射率，在±Y轴上1.3×Λ处引入两个直径为d₅的圆形空气孔。

具体实施算例：

束传播法(BPM)是目前模拟集成光波导器件最广泛采用的方法之一。有限差分束传播法(FD-BPM)利用电磁场理论，在横向采用时域有限差分法(FDTD)代替波动方程，将计算区域设置为电场和磁场交叉的网格空间，用具有二阶精度的中心差分格式把各场分量满足的微分方程转化为差分方程从而得到离散场的数值解，在纵向仍逐步计算各个横截面上的场分布。该方法具有原理简单，精度高及应用广等优点。基于本方法对光纤结构进行理论计算，得到了各项性能参数与波长、结构的变化关系。

模式双折射B：两个正交偏振模之间的有效折射率差。双折射率越高，保偏能力越强。

$B=|n_{eff}^y-n_{eff}^x|---\left(1\right)$

其中：表示y偏振方向基模的有效折射率，表示x偏振方向基模的有效折射率。

拍长L_B：高双折射光纤中两个正交偏振模之间的相位差达到2π时所传输的长度，定义为波长λ与双折射B的比值，量纲为mm。一般来说，拍长越短，保偏能力越强。

$L_B=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\β}}_y-{\mathrm{\β}}_x}=\frac{\mathrm{\λ}}{B}---\left(2\right)$

二氧化硅的材料折射率n随波长的变化可由Sellmeier方程计算得到：

$n^2\left(\mathrm{\λ}\right)=1+\underset{k=1}{\overset{3}{\Σ}}\frac{B_k\×{\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-C_k}---\left(3\right)$

其中：

B₁＝0.696166300  B₂＝0.4079422600  B₃＝0.897479400

C₁＝0.004679148  C₂＝0.013512060   C₃＝97.933980000

光纤基模模场分布：

经模拟和计算所得的最优结构(d₁＝1.55μm，d₂＝1.6μm，d₃＝1.4μm，d₄＝0.85μm，d₅＝0.66μm，Λ＝1.5μm)在波长λ＝1.55μm处的基模模场分布见图2-3。光在传输中主要以基模形式传播，从图2-3中可以明显看出基模能量几乎完全被限制在纤芯中，且E_x和E_y两个不同偏正方向的模场分布差异较大。因芯层光纤空气孔破坏了其结构对称性，X轴和Y轴方向上正交偏振态的简并被打破，呈现出各向异性特点，获得两个不同偏振模E_x和E_y。因四个大圆距离纤芯较近，Y轴方向对场的挤压程度较大，导致X与Y轴方向有效折射率不同且模场呈沿X轴延伸的椭圆形。与传统熊猫型保偏光纤及高双折射光子晶体光纤相比，其模场能量分布更加集中且更近似于圆形。

光纤基模有效折射率特性：

当d₁＝1.55μm，d₂＝1.6μm，d₃＝1.4μm，d₄＝0.85μm，d₅＝0.66μm，Λ＝1.5μm时，两个正交偏振模之间的有效折射率，见图4。可以看出和与波长近似呈线性减小关系。波长较小时，波长与纤芯尺寸相差较大，故能量几乎完全被限制在芯层中，随着波长的增加，能量逐渐向包层扩散，芯层对模式能量限制减弱从而使有效折射率降低。从光纤结构图可知，Y轴方向占空比大于X轴，且芯层能量分布的不对称性随波长增加而增强，故有效折射率在X轴方向大于Y轴方向且两方向上的差值随波长增加而增大。

(1)芯层空气孔大小对光纤的影响

当d₂＝1.6μm，d₃＝1.4μm，d₄＝0.85μm，d₅＝0.66μm，Λ＝1.5μm时，改变四个大圆直径d₁，其双折射和拍长的变化见图5-6。由图5-6可知，二者都与波长近似呈线性关系。当波长增加时，基模模场能量向包层空气孔渗透，因芯层排布结构的二重性使X轴与Y轴方向占空比相差较大故引起渗透速度不同，有效折射率减小速度也不同。芯层空气孔直径增大时，模场所受挤压程度增强且X轴与Y轴方向占空比之差增大，从而双折射与拍长也越来越大。

(2)外包层空气孔大小对光纤的影响

当d₁＝1.55μm，d₂＝1.6μm，d₄＝0.85μm，d₅＝0.66μm，Λ＝1.5μm时，改变d₃大小，外包层圆形空气孔直径变化对双折射和拍长的影响见图7-8。由图7-8可知，尽管d₃变化较大，但其双折射变化却极小，几乎可以忽略不计。这是因为模场能量主要集中在芯层且外包层空气孔为规则十重结构，其对称性没有遭到破坏，对双折射与拍长影响不大。

(3)晶格常数大小对光纤的影响

当d₁＝1.55μm，d₂＝1.6μm，d₃＝1.4μm，d₄＝0.85μm，d₅＝0.66μm时，改变晶格常数Λ的值，其双折射和拍长的变化，见图9-10。由图9-10可知，当Λ＝1.5μm时，双折射率最大，当Λ增大时，双折射逐渐减小且减小的幅度也越来越小。随着Λ增加，芯层的面积随之增加，从而基模模场与芯层空气孔的作用减弱，双折射与拍长减小。随着Λ增大，模场能量向外包层的扩散率增加，其双折射受芯层与外包层空气孔共同影响，芯层不对称性影响相对减小，故双折射减小幅度降低。

由以上算例分析知d₁＝1.55μm，d₂＝1.6μm，d₃＝1.4μm，d₄＝0.85μm，d₅＝0.66μm，Λ＝1.5μm为最优结构，在通讯传感波长处获得了高双折射。其在λ＝1.55μm时其双折射值可达1.4207×10^-2，高于普通保偏光纤两个数量级。

Claims (8)

1.一种新型高双折射光子准晶光纤，其特征在于所述光纤的背景材料为SiO₂，整个结构的散射子以十重Penrose型光子准晶结构排布，晶格常数为Λ，包层圆形空气孔直径分别为d₃和d₄，其中：d₃取自十重Penrose型光子准晶结构第三至五层的散射子，d₄取自十重Penrose型光子准晶结构第六至九层的散射子；在芯区引入六个圆形空气孔，其中：上下四个圆形空气孔直径为d₁，取自十重Penrose型光子准晶结构第二层靠近±Y轴四个散射子，左右两个圆形空气孔直径为d₂，取自十重Penrose型光子准晶结构第三层±X轴上两个散射子；为增强不对称性以提高双折射率，在±Y轴上1.3×Λ处引入两个直径为d₅的圆形空气孔。

2.根据权利要求1所述的一种新型高双折射光子准晶光纤，其特征在于所述d₁＝1.55μm。

3.根据权利要求1所述的一种新型高双折射光子准晶光纤，其特征在于所述d₂＝1.6μm。

4.根据权利要求1所述的一种新型高双折射光子准晶光纤，其特征在于所述d₃＝1.4μm。

5.根据权利要求1所述的一种新型高双折射光子准晶光纤，其特征在于所述d₄＝0.85μm。

6.根据权利要求1所述的一种新型高双折射光子准晶光纤，其特征在于所述d₅＝0.66μm。

7.根据权利要求1所述的一种新型高双折射光子准晶光纤，其特征在于所述Λ＝1.5μm。

8.根据权利要求1所述的一种新型高双折射光子准晶光纤，其特征在于所述光纤半径为6.5μm。