CN105093400A - 一种高双折射混合型光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高双折射混合型光子晶体光纤，包括纤芯和包层，纤芯采用椭圆棒填充，包层背景材料折射率小于纤芯折射率，因此该结构光纤不具备对称性，不存在简并模式，可以表现出很高的双折射，同时较高的纤芯与包层之间的折射率差使得该光纤还具备高非线性及低限制损耗特性。通过改变包层空气孔的直径和椭圆纤芯的面积，该光子晶体光纤可在很宽范围内保持单模传输，模式双折射比普通光纤高两个数量级，非线性系数比普通光纤高四个数量级，同时具有低的限制损耗。该发明的光子晶体光纤采用传统包层结构和固体纤芯，结构简单，性能优秀，这种结构的PCF可用于光学通信系统及相关光纤器件。

Description

一种高双折射混合型光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及光纤领域，具体是一种高双折射混合型光子晶体光纤。
背景技术
近年来，由于光子晶体光纤(photoniccrystalfibers，PCFs)可以通过灵活变动横截面结构来实现很多传统光纤不具备的特性，越来越多的科研工作者开始从事光子晶体光纤的研究。PCFs可实现无限单模传输、高双折射、高非线性、超平坦色散、低限制损耗和大有效模场面积等特性。目前，PCFs被广泛用于光通信、非线性光学及光纤传感等领域。高双折射的PCFs在制作保偏光纤及高性能激光器等方面具有重要的应用，然而传统保偏光纤仅能获得10-4数量级的双折射，已无法满足光通信高速发展的需求，因此探寻高双折射的光纤成为PCFs领域的一个热点。高双折射光子晶体可由纯石英材料制作，并可设计不同的结构改进光纤的性能，具有传统高双折射光纤无法比拟的优越性。高双折射光子晶体光纤的结构设计灵活，通过在包层中引入大小不一的空气孔、改变纤芯或者包层空气孔的形状，都可以获得性能优越的高双折射光子晶体光纤。
一般情况下，光子晶体光纤主要是由三角晶格构成的六重对称结构，在理论上此类结构的PCFs的基模是简并的，因此通过破坏包层或纤芯对称性可以提高PCFs的双折射，其数值达10-3数量级。为了进一步提高PCFs的双折射，M.J.Steel（文献SteelMJ,OsgoodRM.Elliptical-holephotoniccrystalfibers[J].Opt.Lett.200126(4):229-231、文献SteelMJ,OsgoodRM.Polarizationanddispersivepropertiesofellipticalholephotoniccrystalfiber[J].J.Lightw.Tech.200119(4):495-503）提出了椭圆空气孔光子晶体光纤(Elliptical-holephotoniccrystalfibers，EPCFs),使得双折射达到了10-2数量级，但是光纤的束光能力不强，限制损耗较大。为了克服这个缺点，有人提出了包层采用圆形孔，纤芯引入椭圆孔的混合结构，虽然这种结构的PCFs可以同时获得高双折射和低限制损耗，但是制备难度较高，无法轻易实现。
近年来，软玻璃(亚碲酸盐、硫族化物、氟化物)材料制作的PCF被人们广泛地研究，因为这种PCF具有更高的等效折射率，超高的非线性系数，在中红外波段具有很宽的透射带等等。其中，硫族化物具有优良的机械稳定性和热膨胀系数。虽然第一根硫族化物PCF诞生于2000年，但是却无法导光。从那以后，如何获得可接受的限制损耗便成为设计硫族化物PCF的一个无法避免的难题。堆积拉制法、钻孔法、磨具铸造法都被用来研制这种光线。13dB/m(文献Desevedavy,Frederic,Renversez,Gilles,Brilland,Laurent,ouizeot,Patrick,Troles,Johann,Coulombier,Quentin,Smektala,Frederic,Traynor,Nicholas,andAdam,Jean-Luc,“Small-corechalcogenidemicrostructuredfibersfortheinfrared,”Appl.Opt.200847(32),6014-6021)、9dB/m(文献Desevedavy,Frederic,Renversez,Gilles,Troles,Johann,Brilland,Laurent,Houizeot,Patrick,Coulombier,Quentin,Smekatala,Frederic,Traynor,NicholasandAdam,Jean-Luc,“Te-As-Seglassmicrostructuredopticalfiberforthemiddleinfrared,”Appl.Opt.200948(19),3860-3865)、1dB/m(文献Q.Coulombier,L.Brilland,P.Houizot,T.N.N’Guyue,T.Chartier,G.Renversez,A.Monteville,J.Fatome,F.Smektala,T.Pain,H.Orain,J.C.Sangleboeuf,andJ.Troles,“Fabricationoflowlosseschalcogenidephotoniccrystalfibermoldingprocess”Proc.SPIE20107598,75980O)的硫族化物PCF都已被研制出来。此外，一些特殊设计的微结构光纤也被提出，如，Toupin等人(文献P.Toupin,L.Brilland,G.Renversez,andJ.Troles,“All-solidall-chalcogenidemicrostructuredopticalfiber,”Opt.Express201321(12),14643–14648)制作全固体的硫族化物光纤，TongleiCheng等人(文献T.L.Cheng,Y.Kanou,D.Deng,X.J.Xue,M.Matsumoto,T.Misumi,T.Suzuki,andY.Ohishi,“Fabricationandcharacterizationofahybridfour-holeAsSe-2-As2S5microstructuredopticalfiberwithalargerefractiveindexdifference,”Opt.Express201422(11),13322–13329)以As2S5为包层背景材料，AsSe2为纤芯制作了固体纤芯的微结构光纤。
发明内容本发明的目的是提供一种高双折射混合型光子晶体光纤，以解决现有技术光子晶体光纤双折射低下的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种高双折射混合型光子晶体光纤，包括有包层和设置在包层中心的纤芯，其特征在于：所述包层由包围纤芯的背景材料和呈周期分布在背景材料中的多个空气孔构成，每相邻的三个空气孔构成一个正三角形，且包层中各个空气孔直径相同，所述纤芯为填充入包层背景材料中心的实芯椭圆棒，制成纤芯的材料其折射率高于包层背景材料的折射率。
所述的一种高双折射混合型光子晶体光纤，其特征在于：所述包层的背景材料其折射率大于空气折射率。
本发明的优点：
本发明提出了一种结构简单且具有高双折射高非线性低限制损耗特性的光子晶体光纤结构，通过以折射率低于纤芯材料折射率的材料为包层背景材料，采用高折射率的材料制作的椭圆棒填充纤芯，因此该结构光纤不具备旋转对称性，不存在简并的正交偏振模，表现出很高的双折射，同时纤芯与包层之前较高的折射率差不仅提高了光纤的双折射，还使得该光纤还具备高非线性及低限制损耗特性。该光子晶体光纤可在很宽范围内保持单模传输，模式双折射比普通光纤高两个数量级，非线性系数比普通光纤高四个数量级，同时具有较低的限制损耗。因此，这种结构的光子晶体光纤可用于光学通信系统及相关光纤器件，并且由于光纤的双折射是通过改变空气孔的几何尺寸实现的，温度的影响较小，稳定性好，因此更适合实际的应用。
附图说明
图1为本发明实施例的混合型高双折射高非线性低限制损耗晶体光纤横截面示意图。
图2为具体实施例中光子晶体光纤的模场分布图，其中：
图2a为X偏振基模模场的振幅分布图，图2b为Y偏振基模模场的振幅分布图。
图3为具体实施例中光子晶体光纤计算得到的模式双折射B随波长以及孔间距的变化关系图。
图4为具体实施例中光子晶体光纤两个正交方向上的非线性系数γ随波长以及孔间距的变化关系图，其中：
图4a为X偏振基模非线性系数的分布图，图4b为Y偏振基模非线性系数的分布图。
具体实施方式
如图1所示，一种高双折射混合型光子晶体光纤，包括有包层和设置在包层中心的纤芯1，包层由包围纤芯1的背景材料2和呈周期分布在背景材料2中的多个空气孔3构成，每相邻的三个空气孔3构成一个正三角形，且包层中各个空气孔3的直径相同，纤芯1为填充入包层背景材料2中心的实芯椭圆棒，制成纤芯1的材料其折射率高于包层背景材料2的折射率，包层的背景材料2其折射率大于空气折射率。
本发明包括纤芯和包层，包层设置在纤芯外围区域，包层折射率低于纤芯折射率，在背景材料2上按照周期布置有一组空气孔结构，每相邻的三个空气孔单元构成一个正三角形；包层中圆形空气孔3的直径为d；纤芯1由折射率高与背景材料折射率的材料制作的椭圆棒填充；椭圆芯1的面积为S，椭圆率为η，长轴和短轴分别为dy和dx；包层由在背景材料2中周期排列的空气孔及周边的背景材料2构成；包层中空气孔的中心间距均为Λ。该光纤的背景材料为折射率大于空气折射率的材料，纤芯采用折射率高于包层背景材料折射率的材料。
具体实施例：
以As2S5为背景材料，AsSe2为纤芯材料设计了一种混合型的椭圆形实芯光子晶体光纤。包括纤芯和包层，所述包层设置在纤芯外围区域，包层折射率低于纤芯折射率，在背景材料2上按照周期布置有一组空气孔结构，每相邻的三个空气孔单元构成一个正三角形；包层中圆形空气孔3的直径为d；纤芯1由AsSe2材料制作的椭圆棒填充；椭圆芯1的面积为S，椭圆率为η，长轴和短轴分别为dy和dx；包层由在背景材料2中周期排列的空气孔及周边的背景材料2构成；包层中空气孔的中心间距均为Λ。
在本实施例中包层中空气孔3的直径d=0.3Λ，实芯椭圆纤芯的长轴和短轴分别为dy=0.3Λ和dx=0.15Λ，包层中空气孔间距Λ分别取2μm、2.5μm、3μm。在该参数下得到的光子晶体光纤的基模模场分布、模式双折射B、非线性系数γ、限制损耗分别如图2至4所示。
由图2可以看出，由于此结构不具有旋转对称性，因此光子晶体光纤基模的两个正交偏振态不再简并，分离成X偏振基模和Y偏振基模。X偏振基模的X方向分量振幅远大于Y方向分量振幅，呈现出很强的X偏振特性；而Y偏振基模X方向分量振幅远小于Y方向分量振幅，呈现出很强的Y偏振特性。
由图3可以看出，此光子晶体光纤的双折射随波长的增大而增大，最大双折射点随着Λ增大发生红移，在孔间距Λ=2.5μm波长λ=1550nm时，双折射B=5.0×10-2,比普通保偏光纤的双折射高出两个数量级。
由图4可以看出，此光子晶体光纤具有较高的非线性系数且非线性系数随着波长的增大而减小，在孔间距Λ=2.5μm波长λ=1550nm时，X和Y偏振方向上的非线性系数γ分别为7.7×104W-1·km-1和9.8×104W-1·km-1。
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 (2)

1.一种高双折射混合型光子晶体光纤，包括有包层和设置在包层中心的纤芯，其特征在于：所述包层由包围纤芯的背景材料和呈周期分布在背景材料中的多个空气孔构成，每相邻的三个空气孔构成一个正三角形，且包层中各个空气孔直径相同，所述纤芯为填充入包层背景材料中心的实芯椭圆棒，制成纤芯的材料其折射率高于包层背景材料的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种高双折射混合型光子晶体光纤，其特征在于：所述包层的背景材料其折射率大于空气折射率。
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