CN105954830A - 一种宽带单偏振单模光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带单偏振单模光子晶体光纤，光子晶体光纤为混合导光光子晶体光纤，其背景1采用硅铝酸盐玻璃，包层空气孔2中填充有液晶材料。本发明在混合导光光子晶体光纤基础上，通过设定光子晶体光纤合适孔间距Λ和孔直径d，可实现宽单偏振单模光子晶体光纤，有利于促进光纤传感和高速通信系统的发展。

Description

一种宽带单偏振单模光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤领域，具体为一种宽带单偏振单模光子晶体光纤。
背景技术
高性能保偏光纤在光纤传感器和高速光通信系统方面有重要的应用价值，但其保偏性能会受到偏振串扰和偏振模色散的影响，而单偏振单模光纤由于只传输基模中的一个偏振态可以有效避免这些问题。与传统光纤相比，由于光子晶体光纤灵活的结构设计和优良的导光性能，其在实现单偏振单模光纤方面具有更好的优势，逐渐成为近年来的研究热点。目前光子晶体光纤实现单偏振单模研究方法主要有两种：(1)模式截止法，不同的偏振模具有不同的截止波长，通过改变光子晶体光纤的结构参数、空气孔形状或者排列方式实现高双折射PCF，只有有效折射率大于基空间填充模(FSM)的模式才能在纤芯中传输，有效折射率低于FSM的模式被截止，不能在纤芯中传输，从而实现单偏振单模传输；(2)折射率匹配耦合法，通过改变包层某些空气孔的结构参数或者在包层孔中填充折射率匹配材料的方法在包层中引入缺陷，某一偏振模会通过与包层缺陷模耦合而消失，纤芯中只保留另外一个偏振模，从而实现单偏振单模传输。对于方法(1)，所采用的光子晶体光纤结构一般比较复杂，增加了其制备难度，同时，其与普通单模光纤的熔接损耗较大；而对于方法(2)，由于匹配偏振模需要传输一定的距离才能完全耦合到包层中，增加了光纤长度，同时，由于折射率匹配仅发生在很窄的一段波长范围，所以其单偏振单模带宽比较窄，也就是说上述两种方法都不易实现宽单偏振单模传输。
发明内容 本发明的目的是提供一种宽带单偏振单模光子晶体光纤，以解决现有技术光子晶体光纤采用模式截止法、折射率匹配耦合法不易实现宽单偏振单模传输的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种宽带单偏振单模光子晶体光纤，所述光子晶体光纤为混合导光光子晶体光纤，包括背景材料和包层空气孔，包层空气孔排列方式为正三角形，其特征在于：包层空气孔中填充各向异性材料，设包层空气孔之间孔间距为Λ，包层空气孔直径为d。
所述的一种宽带单偏振单模光子晶体光纤，其特征在于：所述背景材料的折射率介于各向异性材料的寻常光折射率和非常光折射率之间。
本发明优点为：
本发明提供了一种宽带单偏振单模光子晶体光纤，在混合导光光子晶体光纤基础上，通过设定光子晶体光纤合适的结构参数，可实现宽单偏振单模光子晶体光纤，有利于促进光纤传感和高速通信系统的发展。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为混合导光光子晶体光纤单偏振单模工作原理说明图。
图3为光纤的结构参数对传输性能的影响图，其中：
图3（I）为结构参数d对传输性能的影响图，图3（II）为结构参数Λ对传输性能的影响图。
图4为单偏振单模带宽随液晶填充率的变化关系图。
图5为d=3.2μm、Λ=4.0μm时混合导光光子晶体光纤的传输特性图。
具体实施方式
如图1所示，一种宽带单偏振单模光子晶体光纤，光子晶体光纤为混合导光光子晶体光纤，包括背景材料1和背景材料1中的包层空气孔2，包层空气孔2排列方式为正三角形，包层空气孔2中填充有液晶填充材料，设包层空气孔2之间孔间距为Λ，包层空气孔2直径为d。
背景材料1为硅铝酸盐玻璃。
液晶填充材料为液晶E7。
本发明原理如下：
混合导光光子晶体光纤的X和Y偏振方向分别支持不同的传输机制，支持TIR传输机制的偏振模在很宽的波长范围内实现传输，而支持PBG传输机制的偏振模仅在特定的带隙波长范围内才能实现传输，因此可以采用简单结构的光子晶体光纤并通过选择合适的结构参数或者填充材料使其在很宽的波长范围内实现单偏振单模传输。
当光子晶体光纤的包层孔中填充材料的折射率小于背景折射率时，该光子晶体光纤的传输机制仍为TIR，反之，它是PBG传输。我们都知道液晶E7是单轴晶体，有两个不同的主介电常数，分别对应两个折射率值即寻常光折射率no和非寻常光折射率ne，其折射率张量只有对角元素，外加电场可以控制液晶分子的指向矢(n)，从而使指向矢表现出不同的折射率张量。因此，如果对光子晶体光纤进行液晶E7填充，且背景材料的折射率在液晶的寻常光和非常光折射率之间，那么X、Y偏振模则分别支持不同的传输机制，也就是说通过对TIR传输机制的光子晶体光纤进行外部修饰的方法实现混合导光机制，本混合导光光子晶体光纤就是通过这种方法实现的。常温下，当θ=π/2时，在1.55μm波长处，根据文献[17-18]可以得出no=1.5024，ne=1.697。从文献（Gorachand Ghosh, Michiyuki Endo and TakashiIwasalu, “Temperature-Dependent Sellmeier Coefficients and ChromaticDispersions for Some Optical Fiber Glasses,” J. Lightwave Technol. 12(8),1338-1342(1994).）可以得出硅铝酸盐玻璃在1.55μm的折射率为1.532，也就是说采用硅铝酸盐玻璃作为背景材料，E7液晶作为填充材料就可以实现上述混合导光的条件。
根据上述理论可知，X偏振模是TIR传输，而Y偏振模是PBG传输，不同偏振模的传输特性进单独分析，其中TIR模采用有限元法，PBG模采用平面波展开法。在某一参数下，该光子晶体光纤的传输特性如图2示，并以此说明其单偏振单模的工作原理。阴影部分表示Y偏振模的低阶光子带隙，黑色实线表示传导模截止线(背景线)，若要实现其纤芯传输，则传导模要同时位于带隙内和截止线的下方，因此可以看出在波长λ位于λ1<λ<λ2 和 λ3<λ<λ4区域内时，Y偏振模在纤芯传导，在其他波长区域Y偏振模是截止的。而对于X偏振模，由于其TIR传输机制，它在整个波长范围内都支持纤芯传导。也就是说在λ<λ1或者 λ2<λ<λ3 或者λ>λ4区域，X偏振模纤芯传导，Y偏振模截止，实现单偏振单模传输。
基于上述理论，常用通信波长段位于λ<λ1波段，因此我们定义该光纤单偏振单模带宽为λ1，而液晶填充率定义为d/Λ。图3(I)是光纤的结构参数d对传输性能的影响图。从(I)可以看出，对于X偏振模，其有效折射率随波长的减小而增大，并逐渐接近背景线，其主要原因是波长变短时，X偏振模模场的分布更加集中于折射率较高的纤芯区，延伸入包层的部分很少，因而有效折射率将提高，从而扩展单模传输的带宽。对于Y偏振方向，填充后光子晶体光纤存在两个低阶光子带隙，且背景线分别穿过两个光子带隙区域。随着孔直径的增大，即随液晶填充率的增加，光子带隙开始向长波方向漂移，同时带隙的宽度也逐渐变窄。除此外，随着孔直径增大单偏振单模带宽λ1逐渐变宽。图3(II)是光纤的结构参数Λ对传输性能的影响图，和孔直径对传输特性的影响结果相似，随液晶填充率的增加，光子带隙也向长波方向漂移，同时带隙的宽度也逐渐变窄，但单偏振单模带宽逐渐变宽，在此不在做过多详述。
图4为单偏振单模带宽随液晶填充率的变化关系，从图中可以看出，不管d和Λ怎么变化，单偏振单模带宽随液晶填充率的增加而变宽，其中d对单偏振单模带宽的影响比较大。同时，在具有相同液晶填充率时，孔间距越大，单偏振单模带宽越宽。通过合理选择孔间距和液晶填充率，就可以调节该光子晶体光纤的单偏振单模带宽。
根据上述讨论，其单偏振单模范围随液晶填充率增大而变宽，但光子晶体光纤的制备难度也随之增大，综合考虑这些因素，本发明采用如下光纤参数来实现宽单偏振单模特性，即d=3.2μm、Λ=4.0μm，在该结构参数下，混合导光光子晶体光纤的的传输特性如图5所示：此时其单偏振单模带宽为2033.3nm，几乎覆盖所有的常用通信波段。可以预见，随着光子晶体光纤制备技术和填充技术的发展，基于混合导光单偏振单模光子晶体光纤的工作带宽会进一步提高。
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)

1.一种宽带单偏振单模光子晶体光纤，所述光子晶体光纤为混合导光光子晶体光纤，包括背景材料和包层空气孔，包层空气孔排列方式为正三角形，其特征在于：包层空气孔中填充有各向异性材料，设包层空气孔之间孔间距为Λ，包层空气孔直径为d。
2.根据权利要求1所述的一种宽带单偏振单模光子晶体光纤，其特征在于：所述背景材料的折射率介于各向异性材料的寻常光折射率和非常光折射率之间。
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