CN106707405A - 高双折射大芯径多孔芯光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

一种高双折射大芯径多孔芯光子晶体光纤，其包括基质材料、纤芯空气孔和包层空气孔，其中在基质材料的中心设有若干空气孔A和B形成纤芯部分，空气孔A和B为六角形排列，大小不同，形成纤芯x、y两个正交方向偏振基模的等效折射率不同，可以获得高双折射；在基质材料中围绕纤芯部分设有空气孔C形成包层部分，空气孔C为正六角形多层紧密排列结构；空气孔C的孔距与纤芯直径相同，为4000‑6000nm，与传统光纤的芯径相当；纤芯部分的等效折射率大于包层等效折射率。本发明具有高双折射、大芯径、空芯传光等优点，适用于高灵敏度、低损耗气体传感及相关光子器件。

Description

高双折射大芯径多孔芯光子晶体光纤
技术领域
本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤的出现为光学领域的研究注入了新的活力，它是基于光子晶体技术发展起来的一种新型光纤，光子晶体光纤呈现出许多传统光纤难以实现的特性。相比传统保偏光纤，保偏光子晶体光纤由于其更灵活的设计结构、更强的偏振稳定性、更高的双折射值、更宽的单偏振单模传输带宽、更好的温度稳定性以及更强的抗辐射能力等优异特性，广泛应用于未来全光网络、光纤传感器、光纤陀螺、可调谐光纤激光器、偏振分束器和偏振态控制器件等领域。
2000年，英国Bath大学的A.Ortigosa-Blanch等人首次拉制出折射率引导型的双折射光子晶体光纤，测量获得了10-3量级的高双折射，而传统的保偏光纤的双折射系数通常为10-4量级，比传统的保偏光纤双折射高一个数据级，因此双折射光子晶体光纤在偏振保持领域具有更高的优势。2001年，Suzuki等人设计了在纤芯附近增大两空气的准熊猫型光子晶体光纤，实现了波长1.55μm处1.2×10-3的模式双折射。2009年Dora J.J.Hu等人在光子晶体光纤纤芯区域引入小椭圆空气孔，且保证了全内反射导光，获得了波长1.55μm处2.7×10-3的高双折射。2012年，J.Liao等人设计了方形阵列椭圆孔高双折射光子晶体光纤，通过改变包层椭圆孔大小获得了波长1.55μm处5.64×10-2的高双折射。2015年，T.Yang等人设计了纤芯和包层同时引入非对称结构的高双折射光子晶体光纤， 通过在准熊猫型光子晶体光纤的纤芯区域引入三个非对称的小空气孔，实现了波长1μm到2μm范围内10-2量级高双折射。但是，这些光纤的纤芯直径较小，在与传统大芯径光纤的连接后，形成的耦合损耗很大，难以广泛应用。并且文献中设计的高双折射光子晶体光纤大部分是椭圆形、菱形状空气孔或是矩形排列，这些结构的光子晶体光纤在制作工艺上很难实现。
2016年，李绪友等人提出了保偏空芯带隙光子晶体光纤，双折射高达6.19×10-3，拍长不超过0.25mm，并对其温度特性进行了研究。李彦等人对空芯带隙型光子晶体光纤残余双折射进行了研究，芯残余形变是导致残余双折射的重要因素，残余双折射随纤芯椭圆率的增大而增大，同时残余双折射的波长依赖性显著，温度依赖系数为0.3×10-9/℃。但是这种光纤为光子带隙导光，传输波长受光子带隙效应的限制，传输带宽很窄；并且纤芯空气孔较大，导致传输能量较低。
2012年，赵兴涛等人提出了微小空气孔传光的光子晶体光纤，利用有限元方法对纤芯中心带有1个微小空气孔的光子晶体光纤进行了分析，得到了其模场分布、损耗及色散特性随光纤结构参数及波长的变化规律。2016年，提出了纳米空气孔传光的多孔芯光子晶体光纤，纤芯多个纳米量级的空气孔可以同时传相干光，并且相互耦合。但是纤芯空气孔大小均匀，没有给出双折射效应；并且纤芯面积较小，没有考虑与普通光纤的连接损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤芯空气孔不仅可以传光，还可以调节纤芯等 效折射率、能有效降低连接损耗的高双折射大芯径多孔芯光子晶体光纤。
本发明包括基质材料、纤芯空气孔和包层空气孔，其中基质材料为柱状，其材质为石英材料、玻璃或聚合物材料；
在基质材料的中心设有若干空气孔A和空气孔B，形成纤芯部分，纤芯部分的直径为4000-6000nm，空气孔A的孔径为100-600nm，空气孔B的孔径为200-800nm，纤芯空气孔A和空气孔B为3-9层紧密排列的六角形结构，沿X或Y方向的中间1-3列为空气孔A，在空气孔A的两侧分别设有1-3列空气孔B，空气孔A和空气孔B的孔距为200-1000nm，通过空气孔A和空气孔B孔径大小的不同分布，实现高双折射；
在基质材料其它部分围绕纤芯部分设有若干空气孔C形成包层部分，空气孔C按照正六角形多层紧密排列结构进行设置，空气孔C的层数为4～10层，孔径为4000～6000nm，孔距相等，与纤芯直径相同；
纤芯部分的空气填充率是1-90％，包层部分的空气填充率是10-98％。纤芯部分的空气填充率小于包层部分的空气填充率，纤芯部分的等效折射率大于包层等效折射率。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、可以高双折射单模传输，模式有效折射率差B可以达到4.827×10-3。
2、可以单偏振单模传输，只有一个方向的偏振模传输，另一个方向偏振模截止。
3、纤芯直径为5μm左右，与传统光纤接近，可以降低与传统光纤的连接 损耗。
4、纤芯低折射率空气孔传光，损耗小，光强密度大，宽带传输，不受光子带隙限制。
5、在工作性能、工作稳定性、制作工艺以及性价比等方面比传统保偏光纤具有明显的优势，在未来相干光纤通信、新型的超宽激光偏振光源、光纤陀螺、相干检测器、光纤传感、光纤偏振分束器、光纤滤波器、波分复用器等方面有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的端面结构图。
图2是本发明纤芯部分的放大结构图。
图3是本发明的纤芯部分的y偏振方向模场分布图。
图4是本发明的单偏振单模光子晶体光纤的纤芯部分的y偏振方向模场分布图。
图中：1-基质材料；2-空气孔C；3-空气孔B；4-空气孔A；Λ-空气孔C的孔距；D-空气孔C的孔径；Λc-空气孔B及空气孔A的孔距；d1-空气孔B的孔径；d2-空气孔A的孔径。
具体实施方式
在图1和2所示的高双折射大芯径多孔芯光子晶体光纤示意图中，以柱状的石英基质作为基质材料1，在基质材料的中心设有Y方向的中间3列25个空气孔A 4，在空气孔A的两侧分别设有3列18个空气孔B 3，形成纤芯部分， 纤芯部分的直径为5000nm，空气孔A的孔径d2＝460nm，空气孔B的孔径d1＝560nm，纤芯空气孔A和空气孔B为紧密排列的六角形结构，空气孔A及空气孔B的孔距Λc＝646nm，通过空气孔A和空气孔B孔径大小的不同分布，实现高双折射；
在基质材料其它部分围绕纤芯部分设有6层37个空气孔C 2形成包层部分，空气孔C按照正六角形多层紧密排列结构进行设置，孔径D＝4950nm，孔距相等，均是孔距Λ＝5000nm，与纤芯直径相同；
纤芯部分的空气填充率是59.07％，包层部分的空气填充率是88.89％，纤芯部分的空气填充率小于包层部分的空气填充率，纤芯部分的等效折射率大于包层等效折射率，形成基于全内反射传输的光子晶体光纤，通过合理设计纤芯与包层的空气孔大小及间距，可以保证光纤单模传输。采用有限元方法进行理论计算，可以得到本发明的多孔芯光纤模场、偏振、损耗等传输特性。
在通信波段1550nm波长，高双折射大芯径多孔芯光子晶体光纤的纤芯区域模场分布如图3所示，图中包括圆形空气孔与石英的边界线、模场强度的等位层分布。从图中可以看出，不仅纤芯石英材料传光，纤芯纳米级空气孔同样传光，纤芯空气孔A区域内的光强分布较大，纤芯空气孔B区域内的光强分布较小。这是由于空气孔A的直径较小，相应区域的等效折射率大，光强向高折射率区域集中。光强分布成椭圆形，形成较强的双折射效应。通过计算得到，此光纤的模式有效折射率差B＝4.827×10-3。限制损耗小于0.01dB/km。
如图4所示，图中Λc＝648nm，d1＝540nm，d2＝470nm。空气孔C层数为6 层，空气孔C的孔径D＝4950nm，孔距Λ＝5000nm。图中包括圆形空气孔与石英的边界线、模场强度的等位层分布。从图中可以看出，不仅纤芯石英材料传光，纤芯纳米级空气孔同样传光，空气孔A区域内的光强分布较大，空气孔B区域内的光强分布较小。这是由于A区域的空气孔直径较小，相应的等效折射率大，光强向高折射率区域集中。通过计算得到，横向x方向偏振基膜的等效折射率较小，小于包层等效折射率，导致x方向的偏振模式截止。纵向y方向偏振基模的等效折射率较大，大于包层等效折射率，y方向的偏振模场限制在纤芯中，获得单偏振单模传输，并且限制损耗小于0.01dB/km。

Claims (4)

1.一种高双折射大芯径多孔芯光子晶体光纤，其包括基质材料、纤芯空气孔和包层空气孔，其特征在于：在基质材料的中心设有若干空气孔A和空气孔B，形成纤芯部分，纤芯部分的直径为4000-6000nm，空气孔A的孔径为100-600nm，空气孔B的孔径为200-800nm，空气孔A及空气孔B的孔距为200-1000nm，通过空气孔A和空气孔B孔径大小的不同分布，实现高双折射；在基质材料其它部分围绕纤芯部分设有若干空气孔C形成包层部分，空气孔C按照正六角形多层紧密排列结构进行设置，空气孔C的层数为4-10层，孔径为4000-6000nm，孔距相等，与纤芯直径相同；纤芯部分的空气填充率是1-90％，包层部分的空气填充率是10-98％。纤芯部分的空气填充率小于包层部分的空气填充率，纤芯部分的等效折射率大于包层等效折射率。
2.根据权利要求1所述的高双折射大芯径光子晶体光纤，其特征在于：所述基质材料为柱状的石英材料、玻璃或聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的一种高双折射大芯径光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯空气孔A和空气孔B为3-9层紧密排列的六角形结构，沿X或Y方向的中间1-3列为空气孔A，在空气孔A的两侧分别设有1-3列空气孔B。
4.根据权利要求1所述的一种高双折射大芯径光子晶体光纤，其特征在于：纤芯直径、空气孔C的孔距为4000-6000nm。
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