CN105589128B - 一种高非线性光子晶体光纤 - Google Patents

一种高非线性光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高非线性光子晶体光纤，涉及光子晶体波导结构领域，所述微孔区内设置沿光纤轴向分布且贯穿整根光纤的空气孔；若干所述空气孔以纤芯轴心为中心，环绕于所述纤芯周围设置至少六层环圈，从内到外依次为第一层环圈、第二层环圈、第三层环圈、第四层环圈、第五层环圈和第六层环圈，且每层环圈的截面呈正六边形，每层环圈分别由若干空气孔排列组成，所述第一层环圈至所述第六层环圈的空气孔的孔内径依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6，且D1＜D3＝D5＜D2＝D4＝D6。本发明具有一定的色散平坦特性，在一定范围内形成良好的非线性传输，为高非线性的应用提供更好的支撑。

Description

一种高非线性光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及光子晶体波导结构领域，具体涉及一种高非线性光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤又称为多孔光纤或微结构光纤。随着光子技术的深入发展，非线性效应这一以往认为对光纤通信不利的因素，现在也越来越受到人们的重视。传统光纤内的四波混频、受激拉曼散射以及受激布理渊散射等非线性效应可以在非线性光学器件的研制中发挥重要作用，从而为全光通信的发展做出贡献。传统光纤受制于制造工艺与结构，非线性效应的特性难以很好利用。光子晶体光纤可以通过改变光纤包层与纤芯的几何结构有效地控制和调节其中的非线性光学过程，诸如通过产生脉冲压缩和展宽、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强等效应，另外也有自相位调制、二次谐波和四波混频等参量过程。这使得光子晶体光纤的非线性效应独具特点，特别是利用激光脉冲通过光子晶体光纤产生的超连续谱的现象引起了人们的极大关注的许多特性与光纤的结构密切相关，使其具有了许多传统光纤所不具备的优点。
对于光通信和光传感应用领域而言，用于非线性效应的高非线性光子晶体光纤具有潜在的巨大需求，这方面的研究工作还处于较为前沿的研究阶段，尚未有具有实用化效果的相关产品。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高非线性光子晶体光纤，本发明具有一定的色散平坦特性，在一定范围内形成良好的非线性传输，为高非线性的应用提供更好的支撑。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种高非线性光子晶体光纤，由内到外依次为包括纤芯、微孔区和包层，所述微孔区内设置沿光纤轴向分布且贯穿整根光纤的空气孔；
若干所述空气孔以纤芯轴心为中心，环绕于所述纤芯周围设置至少六层环圈，从内到外依次为第一层环圈、第二层环圈、第三层环圈、第四层环圈、第五层环圈和第六层环圈，且每层环圈的截面呈正六边形，每层环圈分别由若干空气孔排列组成，所述第一层环圈至所述第六层环圈的空气孔的孔内径依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6，且D1＜D3＝D5＜D2＝D4＝D6；
所述纤芯为石英纤芯，所述第三层环圈和第五层环圈中空气孔的占空比均为30％～50％，所述第二层环圈、第四层环圈和第六层环圈中空气孔的占空比均为70％～90％。
在上述技术方案的基础上，所述微孔区共设有x层环圈，且第x层环圈空气孔的孔内径为Dx，且当x＞6时，Dx＝D6。
在上述技术方案的基础上，所述第一层环圈中空气孔的数量为6，第x层环圈的空气孔的数量Nx＝(x-1)*6，其中，x≥2。
在上述技术方案的基础上，所述第一层环圈中相邻空气孔的孔间距为1.0μm～2.0μm，空气孔的孔内径D1为0.4μm～1.4μm，占空比为40％～70％。
在上述技术方案的基础上，所述第三层环圈和第五层环圈中相邻空气孔的孔间距为3.0μm～6.0μm，空气孔的孔内径D3和D5为0.9μm～3.0μm，占空比为30％～50％。
在上述技术方案的基础上，第二层环圈、第四层环圈和第六层环圈中相邻空气孔的孔间距为3.0μm～6.0μm，空气孔的孔内径D2、D4和D6为2.5μm～5.4μm，占空比均为70％～90％。
在上述技术方案的基础上，该光纤的传输波段范围为800nm～1560nm，在800nm时最大非线性系数为563W-1km-1。
在上述技术方案的基础上，所述纤芯直径为1.0μm～2.0μm。
在上述技术方案的基础上，所述包层直径为80μm～160μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的一种高非线性光子晶体光纤，由极小空气孔围成的第一层环圈先包围纤芯从而形成良好光波导结构，可以有效避免单纯大空气孔包围小纤芯带来的纤芯变形，从而可有效形成单模传输。
(2)本发明的一种高非线性光子晶体光纤，通过极小空气孔和多重大空气孔的组合结构，可以在800nm～1550nm的宽范围内形成良好非线性传输，光纤的色散控制也可良好实现。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：10-纤芯10，21-第一层环圈，22-第二层环圈，23-第三层环圈，24-第四层环圈，25-第五层环圈，26-第六层环圈，27-第七层环圈。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种高非线性光子晶体光纤，由内到外依次为包括石英纤芯10、微孔区和包层，微孔区内设置沿光纤轴向分布且贯穿整根光纤的空气孔；
若干空气孔以纤芯10轴心为中心，环绕于纤芯10周围截面呈正六边形，微孔区共设有x层环圈，且第x层环圈空气孔的孔内径为Dx，本实施例中共设置七层环圈，由内至外依次为第一层环圈21、第二层环圈22、第三层环圈23、第四层环圈24、第五层环圈25、第六层环圈26和第七层环圈27，每层环圈的截面呈正六边形，每层环圈分别由若干空气孔排列组成，第一层环圈21至第七层环圈26的空气孔的孔内径依次为为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，且D1＜D3＝D5＜D2＝D4＝D6＝D7；第一层环圈21中空气孔的数量为6，第x层环圈的空气孔的数量Nx＝(x-1)*6，其中，x≥2。
石英纤芯10的直径为1.0μm～2.0μm。
第一层环圈21中的6个空气孔围绕纤芯10，相邻空气孔的孔间距为1.0μm～2.0μm，空气孔的孔内径D1为0.4μm～1.4μm，占空比为40％～70％。
第二层环圈22、第四层环圈24、第六层环圈26和第七层环圈27中每层环圈的空气数量分别6个、18个、30个和36，每一层环圈中相邻空气孔的孔间距为3.0μm～6.0μm，空气孔的孔内径D2、D4、D6和D7为2.5μm～5.4μm，占空比均为70％～90％。
第三层环圈23和第五层环圈25中每层环圈的空气孔数量分别为12个和24个，相邻空气孔的孔间距为3.0μm～6.0μm，空气孔的孔内径D3和D5为0.9μm～3.0μm，占空比为30％～50％。
在本发明中微孔区共设有x层环圈，且当x＞6时，第六层以外第x层环圈的空气孔内径、相邻孔间距和占空比均与第六层环圈26的相同，其中孔间距为3.0μm～6.0μm，空气孔的孔内径Dx为2.5μm～5.4μm，占空比均为70％～90％，且第x层环圈的空气孔的数量Nx＝(x-1)*6，其中，x≥2。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步说明。
表1为根据石英包层直径从80μm～160微米的不同尺寸规格，本发明的高非线性光子晶体光纤的具体规格。
实施例1
高非线性光子晶体光纤的包层直径为80μm、纤芯10直径为1.00μm，第一层环圈21中空气孔的孔内径为0.4μm，相邻空气孔的孔间距为1μm，占空比为40％。
第二层环圈22、第四层环圈24、第六层环圈26和第七层环圈27每圈中空气孔的孔内径为2.50μm，相邻空气孔的孔间距为3.00μm，占空比为83％。
第三层环圈23和第五层环圈25中空气孔的孔内径为0.9μm，每层环圈中相邻空气孔的孔间距为3.00μm，占空比为30％。
本发明的石英高非线性光子晶体光纤在包层直径为80μm时，其纤芯1010直径最小为1.0μm，模场直径可达0.7μm，其800nm的非线性系数为536W-1km-1，其1550nm的非线性系数为291W-1km-1。
实施例2
高非线性光子晶体光纤的包层直径为125μm、纤芯10直径为1.56μm，第一层环圈21中空气孔的孔内径为1.00μm，相邻空气孔的孔间距为1.56μm，占空比为64％。
第二层环圈22、第四层环圈24、第六层环圈26和第七层环圈27每圈中空气孔的孔内径为3.30μm，相邻空气孔的孔间距为4.69μm，占空比为70％。
第三层环圈23和第五层环圈25中空气孔的孔内径为1.50μm，每层环圈中相邻空气孔的孔间距为4.69μm，占空比为32％，高非线性光子晶体光纤800nm的非线性系数为192W- 1km-1，高非线性光子晶体光纤1310nm的非线性系数为117W-1km-1，高非线性光子晶体光纤1550nm的非线性系数为99W-1km-1。
实施例3
高非线性光子晶体光纤的包层直径为140μm、纤芯10直径为1.75μm，第一层环圈21中空气孔的孔内径为1.23μm，相邻空气孔的孔间距为1.75μm，占空比为70％；
第二层环圈22、第四层环圈24、第六层环圈26和第七层环圈27每圈中空气孔的孔内径为4.20μm，相邻空气孔的孔间距为5.25μm，占空比为80％；
第三层环圈23和第五层环圈25中空气孔的孔内径为2.50μm，每层环圈中相邻空气孔的孔间距为5.25μm，占空比为48％，高非线性光子晶体光纤800nm的非线性系数为141W- 1km-1，高非线性光子晶体光纤1310nm的非线性系数为86W-1km-1，高非线性光子晶体光纤1550nm的非线性系数为73W-1km-1。
实施例4
高非线性光子晶体光纤的包层直径为160μm、纤芯10直径为2.00μm，第一层环圈21中空气孔的孔内径为1.40μm，相邻空气孔的孔间距为2.00μm，占空比为70％；
第二层环圈22、第四层环圈24、第六层环圈26和第七层环圈27每圈中空气孔的孔内径为5.4μm，相邻空气孔的孔间距为6.00μm，占空比为90％；
第三层环圈23和第五层环圈25中空气孔的孔内径为3.00μm，每层环圈中相邻空气孔的孔间距为6.00μm，占空比为50％，高非线性光子晶体光纤800nm的非线性系数为96W- 1km-1，高非线性光子晶体光纤1310nm的非线性系数为58W-1km-1，高非线性光子晶体光纤1550nm的非线性系数为49W-1km-1。
表1
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种高非线性光子晶体光纤，由内到外依次为包括纤芯(10)、微孔区和包层，其特征在于：所述微孔区内设置沿光纤轴向分布且贯穿整根光纤的空气孔；
若干所述空气孔以纤芯(10)轴心为中心，环绕于所述纤芯(10)周围设置至少六层环圈，从内到外依次为第一层环圈(21)、第二层环圈(22)、第三层环圈(23)、第四层环圈(24)、第五层环圈(25)和第六层环圈(26)，且每层环圈的截面呈正六边形，每层环圈分别由若干空气孔排列组成，所述第一层环圈(21)至所述第六层环圈(26)的空气孔的孔内径依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6，且D1＜D3＝D5＜D2＝D4＝D6；
所述纤芯(10)为石英纤芯，所述第三层环圈(23)和第五层环圈(25)中空气孔的占空比均为30％～50％，所述第二层环圈(22)、第四层环圈(24)和第六层环圈(26)中空气孔的占空比均为70％～90％。
2.如权利要求1所述的一种高非线性光子晶体光纤，其特征在于：所述微孔区共设有x层环圈，且第x层环圈空气孔的孔内径为Dx，且当x＞6时，Dx＝D6。
3.如权利要求2所述的一种高非线性光子晶体光纤，其特征在于：所述第一层环圈(21)中空气孔的数量为6，第x层环圈的空气孔的数量Nx＝(x-1)*6，其中，x≥2。
4.如权利要求1所述的一种高非线性光子晶体光纤，其特征在于：所述第一层环圈(21)中相邻空气孔的孔间距为1.0μm～2.0μm，空气孔的孔内径D1为0.4μm～1.4μm，占空比为40％～70％。
5.如权利要求1所述的一种高非线性光子晶体光纤，其特征在于：所述第三层环圈(23)和第五层环圈(25)中相邻空气孔的孔间距为3.0μm～6.0μm，空气孔的孔内径D3和D5为0.9μm～3.0μm，占空比为30％～50％。
6.如权利要求1所 述的一种高非线性光子晶体光纤，其特征在于：第二层环圈(22)、第四层环圈(24)和第六层环圈(26)中相邻空气孔的孔间距为3.0μm～6.0μm，空气孔的孔内径D2、D4和D6为2.5μm～5.4μm，占空比均为70％～90％。
7.如权利要求1所述的一种高非线性光子晶体光纤，其特征在于：该光纤的传输波段范围为800nm～1560nm，在800nm时最大非线性系数为563W-1km-1。
8.如权利要求1所述的一种高非线性光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯(10)直径为1.0μm～2.0μm。
9.如权利要求1所述的一种高非线性光子晶体光纤，其特征在于：所述包层直径为80μm～160μm。
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