CN106125193B - 一种硫化物光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

一种硫化物光子晶体光纤，属于光纤领域。包括纤芯结构和包层结构，包层结构包括基底材料三硫化二砷和设置于基底材料中的若干空气通道，若干空气通道之间相互平行，且在光纤横断面上形成五层或五层以上的正六边形；纤芯结构为被包层结构中最里面一层正六边形的空气通道所包围的基底材料；所有空气通道的直径相等，取值范围为1.8～2.2μm；任意相邻两条空气通道之间的间距相等，取值范围为3.6～3.8μm；包层结构中最里面一层正六边形的空气通道内填充有折射率低于基底材料折射率的材料，包括五硫化二砷、流体、ZBLAN氟化物或空气。解决了阈值高、色散平坦度低、纤芯面积小和各层空气孔直径不一给实际拉制带来困难的问题。

Description

一种硫化物光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及光纤领域，具体属于一种硫化物光子晶体光纤。
背景技术
中红外超连续谱在军事、生物医学、污染物监测、食物质量监管等诸多技术领域具有广泛而重要的应用前景，在近些年来成为国内外各研究机构的研究热点。早期的可见至近红外波段的超连续光谱主要是采用石英光纤来实现。但石英光纤的吸收在2.4μm以上急剧上升，限制了其在中红外波段超连续谱的应用。目前中红外波段的超连续谱的研究主要是基于非石英玻璃光纤，如氟化物、碲酸盐和硫系玻璃光纤。相较于其他非石英玻璃光纤，硫系玻璃光纤不仅能透过中红外和远红外波段，而且非线性系数极高，高于石英光纤三个数量级。这两点对于超连续谱向中红外长波部分的延伸至关重要。
超宽中红外超连续谱可以采用硫系阶跃光纤或微结构光纤来实现。要实现宽波段的中红外超连续谱源，至关重要的一点是实现非线性介质在注入脉冲的波段附近的近零平坦色散。相较于阶跃光纤，硫系微结构光纤具有更大程度的色散可调控性、宽波段单模传输特性以及大大降低对注入激光脉冲峰值功率要求的更高的非线性系数。近年来，研究学者们探索硫系玻璃微结构光纤的新结构以控制其色散曲线，实现宽波段中红外超连续谱的输出。
现有技术一：基于硫系阶跃光纤的中红外超连续谱输出：目前，丹麦技术大学、宁波大学、日本丰田工业大学等单位均已采用硫系阶跃光纤实现了宽波段中红外超连续的输出，长波边界分别为13.3μm、14μm、15.1μm。
现有技术一的缺点：由于阶跃光纤阈值高、非线性较低，产生宽波段超连续光谱则需要非常高的高达几百kW以至MW量级的注入脉冲峰值功率。
现有技术二：基于硫系微结构光纤的中红外超连续谱输出：
[T.S.Saini,A.Kumar,R.K.Sinha,Broadband mid-infrared supercontinuumspectra spanning2–15μm using As2Se3chalcogenide glass triangular-core graded-index photonic crystal fiber,J.Lightwave Technol.33(2015)3914-3920.]
Than Singh Saini提出三角形纤芯折射率渐变光子晶体光纤，通过数值模拟，当注入波长为4.1μm、峰值功率为3.5kW、脉宽为50fs的激光脉冲时，可以得到2-15μm的宽带超连续谱输出。
如图1所示为Than Singh Saini设计的光子晶体光纤的截面图，图2为其结构参数。
现有技术二的缺点:所提出的结构中，每层空气通道的直径都不相同，有nm量级的微小差异，而光纤的色散曲线对这种差异的敏感度很高，这样就对实际制作精准度提出了非常高的要求，而目前的光纤拉制技术来实现光子晶体光纤每层空气通道的nm量级的差异还是颇具挑战。另外，所设计的光子晶体光纤的纤芯面积仅为5μm2，纤芯面积小不利于脉冲的耦合注入且降低损伤阈值，限制高功率输出，这使得实际应用中的光束耦合注入具有很大困难。再者，所设计的光纤损耗极高，作者提出采用超短长度即5mm的光纤来减少损耗，而5mm长的光纤，在实际实验操作中不论是端面处理还是光纤的固定上都将是很大的难题。
现有技术三：多组分混合材料微结构光纤：
[X.Li,W.Chen,T.Xue,J.Gao,W.Gao,L.Hu,M.Liao,Low threshold mid-infraredsupercontinuum generation in short fluoride-chalcogenide multimaterialfibers,Opt.Express,22(2014)24179-24191.]
X.Li提出硫化物及氟化物玻璃混合材料光子晶体光纤，以氟化物玻璃填充硫化物玻璃光子晶体光纤中的所有空气通道，当注入波长为1.95μm、峰值功率为175W的fs量级激光器脉冲时，得到1250-2750nm超连续谱输出，提高峰值功率可得到长波边界为5μm的超连续谱输出。如图3是现有技术三所设计的多组分光子晶体光纤截面图。
现有技术三的缺点：采取的填充材料为中红外波段透过率很低的氟化物玻璃，大大增大了中红外波段激光脉冲在光纤的传输损耗，一定程度上限制了超连续谱的波长展宽。另外，将零色散波长控制在2μm附近而非中红外3μm及以上波段，使得大多数的功率消耗在了近红外光谱部分，而中红外波段的光谱功率受到限制。
发明内容
本发明提出的一种硫化物光子晶体光纤，旨在设计低阈值的近零平坦色散光子晶体光纤，以实现中红外波段超宽超连续光谱的输出。解决了阈值高、色散平坦度低导致不利于超宽超连续谱的产生、纤芯面积小和光子晶体光纤各层空气通道直径不一给实际拉制带来困难的问题。
本发明的技术方案为：
一种硫化物光子晶体光纤，包括纤芯结构和包层结构，其特征在于，所述包层结构包括基底材料和设置于基底材料中的若干空气通道，若干空气通道之间相互平行，且在光纤横断面上形成五层或五层以上的正六边形；所述纤芯结构为被所述包层结构中最里面一层正六边形的空气通道所包围的基底材料；所有空气通道的直径相等，任意相邻两条空气通道之间的间距相等；所述包层结构中最里面一层正六边形的空气通道内填充有折射率低于基底材料折射率的材料。
具体的，所述空气通道的直径d的取值范围为1.8～2.2μm，任意相邻两条空气通道之间的间距Λ的取值范围为3.6～3.8μm。
具体的，所述基底材料为三硫化二砷。
具体的，所述最里面一层正六边形的空气通道内填充材料包括五硫化二砷、流体、ZBLAN氟化物或空气。
本发明的有益效果为：
本发明提出一种硫化物光子晶体光纤，光纤的结构简单，各层空气通道大小均一，直径一致，不存在纳米量级的几何机构差异，拉制过程相对简易；且在4000-6000nm的2000nm宽的波长范围内的色散绝对值均小于1.5ps/nm/km；将中红外超短脉冲注入此光纤时，可以在相对较低的峰值功率下得到2.5-15μm的超宽中红外超连续光谱，在注入脉冲的波长在4-6μm之间时均可获得长波边缘达到10μm，带宽超过6.5μm的超连续谱输出。
附图说明
图1是现有技术二所提出的光子晶体光纤的截面图。
图2是现有技术二所提出的光子晶体光纤的结构参数。
图3是现有技术三所提出的多组分光子晶体光纤的截面图。
图4是本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤的截面图。
图5是本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤的四种填充材料空气、流体、ZBLAN氟化物和As2S5与基底材料As2S3的色散与波长的关系曲线图。
图6是本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤在Λ＝3.7μm,d＝2μm时，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道选择空气、流体、ZBLAN氟化物和As2S5填充时对应的色散与波长的关系曲线图。
图7是本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤在Λ＝3.7μm,包层结构中最里面一层正六边形的空气通道填充材料是As2S5时不同直径的空气通道对应的色散与波长的关系曲线图。
图8是本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤在d＝2μm，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道填充材料是As2S5时不同相邻空气通道间距对应的色散与波长的关系曲线图。
图9是本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤在Λ＝3.7μm,d＝2μm，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道填充材料是As2S5时的限制损耗与波长的关系图。
图10是本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤在Λ＝3.7μm,d＝2μm，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道填充材料是As2S5时的有效模场面积和非线性系数与波长的关系图。
图11a是采用脉宽为50fs、峰值功率为8kW的激光脉冲注入到1.8cm长的本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤中，同时光纤中Λ＝3.7μm,d＝2μm，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道的填充材料选择As2S5时的色散与泵浦波长的关系曲线图；图11b是采用脉宽为50fs、峰值功率为8kW的激光脉冲注入到1.8cm长的本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤中，同时光纤中Λ＝3.7μm,d＝2μm，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道的填充材料选择As2S5时的长波边缘与泵浦波长的关系曲线图。
图12a是采用脉宽为50fs、峰值功率为8kW、泵浦波长为4.5μm的激光脉冲注入到1.8cm长的本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤中，同时光纤中Λ＝3.7μm,d＝2μm，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道的填充材料选择As2S5时光纤所输出的超连续光谱图；图12b是采用脉宽为50fs、峰值功率为8kW、泵浦波长为4.5μm的激光脉冲注入到1.8cm长的本发明提供的一种硫化物光子晶体光纤中，同时光纤中Λ＝3.7μm,d＝2μm，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道的填充材料选择As2S5时光谱的演变过程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述：
本发明所设计的一种硫化物光子晶体光纤的截面如图4所示，包括纤芯结构和包层结构，所述包层结构包括基底材料和设置于基底材料中的若干空气通道，若干空气通道之间相互平行，且在光纤横断面上形成五层或五层以上的正六边形；所述纤芯结构为被所述包层结构中最里面一层正六边形的空气通道所包围的基底材料；所有空气通道的直径相等，任意相邻两条空气通道之间的间距相等；所述包层结构中最里面一层正六边形的空气通道内填充有折射率低于基底材料折射率的材料。
最外层的圆环是在COMSOL有限元软件求解光纤特性时设置的完美匹配层PML。
本发明所设计的一种硫化物光子晶体光纤的结构具有25.7μm2左右的纤芯面积，Than Singh Saini提出的结构的纤芯面积仅为5μm2。
空气通道选择性填充的多组分材料光子晶体光纤在色散调控方面具有更大的自由度，为了更好的对比分析，本发明选择空气、流体、ZBLAN氟化物、硫化物As2S5材料四种填充材料。所选四种材料和光纤的基底材料As2S3的折射率曲线如图5所示。其中As2S3、As2S5和ZBLAN的折射率均由Sellmeier方程得出，流体的折射率设置为与波长不相关的恒定值，值的大小介于ZBLAN和As2S5之间以方便比较，当然选择的流体要无毒、高非线性、且在中红外波段透过率较高，可以利用毛细管力将流体注入到空气通道里。
为了计算所设计光纤在中红外波段的基模有效折射率以及限制损耗，本发明采用COMSOL有限元软件来辅助分析。群速度色散在超连续谱的产生中起了至关重要的作用，可以通过传输模式的有效折射率的实部获得。计算公式为D＝-λ/c(d2Re[neff]/dλ2)其中Re[neff]代表有效折射率的实部，λ是波长，c是光速。
所设计的光纤结构的优化主要取决于适当的选取具有合适折射率的填充材料、光纤空气通道的直径d以及相邻空气通道之间的间隙大小Λ。
由于功率主要是集中在光子晶体光纤的纤芯里，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道中材料的填充只会影响到光纤的色散。图6为d＝2μm,Λ＝3.7μm时不同材料填充光子晶体光纤的包层结构中最里面一层正六边形的空气通道的色散曲线。可以看出，色散曲线的高低和斜率均受到不同填充材料亦即包层结构中最里面一层正六边形的空气通道材料折射率的影响。折射率的增大导致色散值的减小亦即色散曲线的峰值的蓝移。本发明从包层结构中最里面一层正六边形的空气通道填充As2S5材料的光子晶体光纤中得到最接近于零且平坦范围最大的色散曲线，这两个特性均为宽波段超连续谱产生的关键。故接下来本发明将选取包层结构中最里面一层正六边形的空气通道填充As2S5材料的光子晶体光纤。这种多组分的光子晶体光纤可以通过传统的套管法来拉制。由于空气通道大小均一，不存在纳米量级的几何机构差异，拉制过程相对简易。同时，As2S5与As2S3具有相近的转换温度以及热膨胀系数，意味着极有可能一起拉制成功。
接下来要通过调节空气通道的大小以及通道与通道之间的间距来优化光子晶体光纤的结构以达到最理想的色散曲线。在调整空气通道的大小的时候，所有的空气通道包括材料填充与不填充的空气通道均同时变化。图7为固定相邻通道与通道之间的间距为3.7μm时，不同空气通道的直径对应的色散曲线的变化。可以看出，当空气通道直径从1.6μm增大到2.8μm时，色散值先是较大后是较小，同时色散曲线的峰值有一定的蓝移。当固定空气通道的直径大小为2μm时，本发明改变通道与通道之间的间距来分析其对色散曲线的影响，分析结果如图8所示。从图中可以看出，随着Λ值的增大，色散值先是降低然后增大。综合分析图7和图8，可以得到最佳的参数组合为d＝2μm、Λ＝3.7μm。优化后的光子晶体光纤的d＝2μm、Λ＝3.7μm，包层结构中最里面一层正六边形的空气通道填充As2S5。此时的光子晶体光纤的零色散波长为4.47μm，优化后的光子晶体光纤在4.5μm近零色散波长处的色散值为0.025ps/nm/km，在4000-6000nm的2000nm宽的波长范围内的色散绝对值均小于1.5ps/nm/km。
为了研究优化后的光子晶体光纤的超连续光谱输出特性，本发明需要计算光纤包括限制损耗Lm和材料损耗Lc在内的总损耗、有效模场面积Aeff和非线性系数γ。As2S3材料的损耗已经有测得数据。限制损耗在超连续光谱产生中是一个重要参数，它取决于光纤的结构参数，比如空气通道大小、通道间距及填充材料的折射率等。限制损耗可以通过光纤的有效折射率的虚部得到Lc＝8.686(2π/λ)Im[neff(λ)]。图9为计算得到的优化后的光子晶体光纤在2-15μm波长范围内的限制损耗。可以看到，优化后的光子晶体光纤在4.5μm处仅为3.7×10-7dB/m，即使在较长波长范围内依然保持较低的损耗值。由于损耗较低，本发明可以采用cm量级易于操作的光纤长度来产生超连续谱而不至于造成太大的功率损耗。
非线性系数是采用光子晶体光纤产生超连续谱时需要考虑的一个重要参数。非线性系数γ＝n2ω0/cAeff(λ)。ω0是中心频率；n2是非线性折射率，对于As2S3，n2＝3×10-18m2/W；Aeff是传输光束基模与波长相关的有效模场面积，可以通过来计算。其中E(x,y)代表光子晶体光纤截面的电场分布。图10为有效模场面积和非线性系数与波长的关系。
从图中可以看出优化后的光子晶体光纤在4.5μm处的有效模场面积和非线性系数分别为25.7μm2和104W-1km-1。较大的模场面积不仅提高了光纤的可承受功率从而为高功率超连续谱输出提供可能，同时也降低了实际实验操作中光束耦合的难度。
本发明采用分布傅里叶方程求解广义非线性Schrodinger方程来模拟超快脉冲在光纤中的传输情况。
其中A＝A(z,t)是电场分布，α代表光在光子晶体光纤中的总传输损耗，βn是在中心频率ω0处的模传播常数β的第n阶泰勒展开系数。为了得到精确的超连续谱数值模拟结果，本发明用了高达10阶的展开系数。R(t’)是非线性响应函数，表示为R(t')＝(1-fR)δ(t'-te)+fRhR(t')，其中fR＝0.031为拉曼相应贡献，式中τ1＝15.2fs,τ2＝230.5fs。考虑双曲正割型脉冲，其表达式为式中TFWHM和P0分别是注入脉冲的脉宽和峰值功率。
一般来说，要产生超宽超连续光谱，泵浦波长需要选择在近零色散波长附近的反常色散区。优化后的光子晶体光纤具有超过2000nm波长范围的近零平坦色散曲线，如此宽的近零平坦色散曲线降低了超宽超连续谱的产生对注入激光脉冲波长的依赖与限制。采用脉宽为50fs、峰值功率为8kW的激光脉冲注入到1.8cm长的优化后的光子晶体光纤中，当波长在3.5-6.5μm范围内时的超连续谱输出情况如图11a和图11b所示。可以看出，当泵浦波长在4-6μm之间时，所得到的超连续谱的长波边缘均超过10μm，光谱宽度均超过6.5μm。特别的，当泵浦波长为4.5μm时，得到2.5-15μm的超宽超连续光谱。相应的输出光谱以及光谱的演变过程如图12a与图12b。在脉冲传输的初始阶段，自相位调制占主导地位，导致光谱的对称展宽，后来受激拉曼散射、四波混频和高阶色散的共同作用导致光谱的进一步展宽，并产生基态孤子。基态孤子的初始传播伴随着色散波成分的产生，使得光谱的短波端展宽越过零色散波长。随着孤子的继续传输，拉曼自频移导致光谱的持续的红移。1.8cm长度之后，光谱不再能够得到进一步的展宽或者频率成分明显的红移，这主要归因于15μm以上长波长部分较低的非线性和较高的损耗。在整个光谱的展宽过程中，优化后的光子晶体光纤的近零平坦的色散曲线对产生如此宽带的中红外超连续谱起了决定性作用。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种硫化物光子晶体光纤，包括纤芯结构和包层结构，其特征在于，所述包层结构包括基底材料和设置于基底材料中的若干空气通道，若干空气通道之间相互平行，且在光纤横断面上形成五层或五层以上的正六边形；所述纤芯结构为被所述包层结构中最里面一层正六边形的空气通道所包围的基底材料；所有空气通道的直径相等，任意相邻两条空气通道之间的间距相等；仅在所述包层结构中最里面一层正六边形的空气通道内填充有折射率低于基底材料折射率的材料。
2.根据权利要求1所述的一种硫化物光子晶体光纤，其特征在于，所述空气通道的直径d的取值范围为1.8～2.2μm，任意相邻两条空气通道之间的间距Λ的取值范围为3.6～3.8μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种硫化物光子晶体光纤，其特征在于，所述基底材料为三硫化二砷。
4.根据权利要求3所述的一种硫化物光子晶体光纤，其特征在于，所述最里面一层正六边形的空气通道内填充材料包括五硫化二砷、流体或ZBLAN氟化物。
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