CN107450124A - 一种宽带色散控制光纤及其色散控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带色散控制光纤及其色散控制方法，包括芯区和包层，芯区和包层的横截面形状为圆形或椭圆形，芯区和包层为同轴设置，芯区材料的折射率为n1，包层材料的折射率为n2，1.15≤n1/n2≤1.5。本发明控制参数少，色散平坦区域带宽大，色散平坦特性好。芯区和包层材料优选硫系材料，具有更高的线性折射率，从而具有更高的非线性折射率；化学稳定性高；玻璃转变温度低，易于成型，制作简单；具有较好的红外透过性能，透明区域大。本发明应用广泛，如宽带光源：超连续谱产生器、频率梳产生器、锁模多波长光源；光纤激光器：波长可调谐激光器、光参量振荡器、飞秒激光器。

Description

一种宽带色散控制光纤及其色散控制方法
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，更具体地，涉及一种宽带色散控制光纤及其色散控制方法。
背景技术
色散是指当一束光脉冲在波导中传输时，不同频率的光传播速度不同，导致脉冲展宽的现象。实现光纤结构型中的色散控制一直以来都是人们研究的重点，因为其色散控制特性是许多非线性应用的基础。比如，实现宽谱的近零色散平坦区可以减小相互作用光波的相位失配，进而增强非线性效率。如果可以在一个很宽的波段保持较低的色散，许多非线性应用如超短脉冲的操控、倍频程光源的制作(超连续谱和频率梳的产生)、高带宽信号的传输处理将变得可能[1]；实现宽谱的正常色散区平坦有利于实现高功率脉冲光的压缩[2]。
现有的常用来实现色散控制特性的光纤结构主要是基于石英材料的光子晶体光纤。光子晶体光纤又称微结构光纤或多孔光纤，其沿光纤轴向按照一定规律分布着一系列空气孔。通过合理设计横向结构改变波导色散，可以获得具有高非线性系数和不同色散特性的光子晶体光纤。光子晶体光纤虽然有更多的参数(自由度)用于色散控制，但往往因结构复杂而在加工上存在难度。如北京邮电大学公开的公开号为CN102401934A的专利中，需设计多种空气孔直径及孔间距等多个尺寸，在光纤拉制过程精确控制这些尺寸才可实现色散平坦效果[3]。此外，还有其他多层折射率分布结构的光纤，比如三星电子株式会社的公开号为CN1421713A的中国专利，具有三层折射率分布，且第二层具有从内部圆周向外部圆周呈递增变化的折射率分布[4]。公开号为CN1448743A，名称为色散控制光纤的三星电子株式会社申请的中国专利，具有四层不同折射率分布的区域，且该专利中所述的上纤芯具有从外周的折射率N2增加到内周的折射率N1的折射率分布[5]。上述两种多层结构的光纤虽也可用于色散控制，但相对于本发明的两层结构更加复杂，且均未能在更宽的中红外光谱区(2.5um-25um)也实现色散平坦控制。
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发明内容
针对现有技术，本发明提供一种宽带色散控制光纤，具有两层结构，每层内折射率均匀，横截面为圆形或椭圆形，加工时控制的参数更少。芯区包层折射率对比度大，色散平坦区域带宽大，色散平坦特性好。若采用优选例硫系材料则具有更高的线性折射率和非线性折射率，具有丰富的非线性效应，化学稳定性高；玻璃转变温度低，易于成型，制作简单；具有较好的红外透过性能，透明区域大。可用于实现中红外波段的宽带相干光源，解决中红外波段高质量宽带激光光源的科学难题。
本发明提出的一种宽带色散控制光纤，包括芯区和包层，所述芯区和包层的横截面形状为圆形或椭圆形，所述芯区和包层为同轴设置，芯区材料的折射率为n1，包层材料的折射率为n2，1.15≤n1/n2≤1.5。
进一步讲，所述芯区材料和所述包层材料至少包括GexSbySz、GexSbySez、AsxSey、AsxSy、GexAsySez、GexAsySz、GexSey、GexSeyTez、TexAsySez、GexAsyTez、AsxSyTlz、GexSyTlz、GexGaySz、GexLaySz、GexAsySezTek、GexAsySzSek、GexAsySzTek、GexSbySzSek、ZBLAN，其中，x,y,z,k表示各元素所占的原子百分比，且x+y+z+k＝100.
本发明提出一种高折射率对比度光纤的色散控制方法，只要满足本发明的宽带色散控制光纤的结构和芯区、包层的折射率对比度要求，就可进行色散控制。首先，由预设的光纤的一组结构尺寸参数和芯区材料折射率n1与包层材料折射率n2，计算得到一条色散曲线；然后，通过调整芯区半径、包层厚度、椭圆度中的一个或多个参数，从而实现色散控制，即：通过调整光纤的横截面参数，实现色散控制，包括：针对横截面形状为圆形的光纤通过调整芯区半径和包层厚度中的一个或两个参数；针对横截面形状为椭圆形的光线，通过调整芯区长轴的长度、椭圆度和包层厚度中的一个或多个参数；其中：通过增大芯区半径尺寸，使得色散曲线上移；通过增大包层厚度尺寸，使得色散曲线凹陷幅度增大；调整椭圆度，基模色散曲线几乎不受影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)控制参数少。由于本发明采用芯区和包层两层的同轴设计，若横截面为圆形，加工时只需控制芯区半径、包层半径两个参数；若横截面为椭圆形，加工时只需控制芯区半径、包层半径、椭圆度三个参数。
(2)由于本发明芯区折射率n1与包层材料折射率n2的比值满足1.15≤n1/n2≤1.5，色散平坦区域带宽大，色散平坦特性好。
(3)本发明中，芯区和包层材料优选Ge-Sb-S、Ge-Sb-Se、As-Se、As-S、Ge-As-Se、Ge-As-S等硫系材料，相对现有技术中选取的材料具有更高的线性折射率，根据米勒经验规则，硫系材料具有更高的非线性折射率[6]；化学稳定性高；玻璃转变温度低，易于成型，制作简单；具有较好的红外透过性能，透明区域大。硫化物玻璃的红外截止波长约为11um，硒化物玻璃的红外透过极限波长约在15um附近[7]。选用硫系材料，可用于实现中红外波段的宽带相干光源，解决中红外波段高质量宽带激光光源的科学难题。
(4)本发明应用广泛。宽带光源：超连续谱产生器、频率梳产生器、锁模多波长光源；光纤激光器：波长可调谐激光器、光参量振荡器、飞秒激光器。
附图说明
图1是本发明宽带色散控制光纤为圆形横截面的结构示意图，其中，R1为芯区半径，R2为包层半径，R2-R1为包层厚度；
图2是本发明宽带色散控制光纤为椭圆形横截面的结构示意图，其中，2a1为芯区长轴长，2b1为芯区短轴长，2a2为包层长轴长，2b2为包层短轴长；
图3是本发明实施例1零色散附近的色散平坦示意图；
图4是本发明实施例1正常色散区的色散平坦示意图；
图5是本发明实施例1反常色散区的色散平坦示意图；
图6是本发明实施例1固定包层厚度，变化芯区半径进行色散控制示意图；
图7是本发明实施例1固定芯区半径，变化包层厚度进行色散控制示意图；
图8是本发明实施例3横截面为椭圆形时基模的X、Y偏振光的色散平坦曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种宽带色散控制光纤，包括芯区和包层，所述芯区和包层的横截面形状为圆形或椭圆形，所述芯区和包层为同轴设置，如图1和图2所示，其中，芯区材料的折射率为n1，包层材料的折射率为n2，1.15≤n1/n2≤1.5。
本发明提出一种高折射率对比度光纤的色散控制方法，利用满足上述结构和折射率要求的宽带色散控制光纤，即可进行色散控制。首先，由预设的光纤的一组结构尺寸参数和芯区材料折射率n1与包层材料折射率n2，计算得到一条色散曲线；然后，根据光纤横截面形状的不同，通过调整芯区半径、包层厚度、椭圆度中的一个或多个参数，从而实现色散控制，具体内容如下：
通过增大芯区半径尺寸，使得色散曲线上移；
通过增大包层厚度尺寸，使得色散曲线凹陷幅度增大；
调整椭圆度，基模色散曲线几乎不受影响。
实施例1
横截面形状为圆形，且芯区材料和包层材料均采用硫系材料，具体芯区和包层的具体材料及折射率(在波长为1550nm时测得)见表1。
芯区为Gex1Sby1Sez1，0＜x1≤30，0＜y1≤45，z1＝100-x1-y1，所述Gex1Sby1Sez1的折射率为2.4～3.1；包层为Gex2Sby2Sz2，0＜x2≤30，0＜y2≤40，z2＝100-x2-y2，所述Gex2Sby2Sz2的折射率为2.05～2.35。
表1
芯区材料 折射率 包层材料 折射率
Ge12.5Sb5Se82.5 2.529 Ge10Sb10S80 2.050
Ge12.5Sb10Se77.5 2.610 Ge15Sb20S65 2.1111
Ge12.5Sb15Se72.5 2.702 Ge21Sb11S68 2.1416
Ge12.5Sb20Se67.5 2.803 Ge23Sb10S67 2.1724
Ge12.5Sb25Se62.5 2.933 Ge23Sb12S65 2.211
Ge28Sb12Se60 2.6505 Ge23Sb17S60 2.332
Ge30Sb30Se40 3.08
具体的，实施例1中芯区采用Ge28Sb12Se60,折射率为2.6505；包层采用Ge23Sb10S67,折射率为2.1724，n1/n2＝1.22。计算基模色散值得到色散-波长曲线图3—图7。
图3示出了实施例1零色散附近的色散平坦示意图，由图3可看出芯区半径为1.6um，包层半径4.1um时，在-21ps/nm/km～+25ps/nm/km的色散变化范围内，色散带宽6.4um(2.8um—9.2um)；
图4示出了实施例1正常色散区的色散平坦示意图，由图4可看出芯区半径为0.85um，包层半径为2.15um时，在-100ps/nm/km色散附近，具有约1.8um(2.4um-4.2um)的色散平坦区；
图5示出了实施例1反常色散区的色散平坦示意图，由图5可看出芯区半径为2.5um，包层半径为5.5um时，在+35ps/nm/km附近具有约5.5um(4.5um-10um)的色散平坦区；
图6示出了实施例1固定包层厚度，变化芯区半径进行色散控制示意图；
图7示出了实施例1固定芯区半径，变化包层厚度进行色散控制示意图；
由实施例1的图6和图7可以得出具有本发明折射率对比度特点的宽带色散控制光纤的色散控制规律：芯区半径尺寸增大，色散曲线上移；包层厚度尺寸增大，色散曲线凹陷幅度增大。
实施例2
所用芯区和包层材料与实施例1相同，芯区采用Ge28Sb12Se60,折射率为2.6505；包层采用Ge23Sb10S67,折射率为2.1724。不同之处仅为其横截面形状为椭圆形，图8示出了该实施例2横截面为椭圆形时基模的X、Y偏振光的色散平坦曲线，从图8中可以看出，椭圆形横截面中不同偏振态的光对色散值几乎没有影响。
实施例3
芯区材料是由两种元素构成的化合物，包层材料是由三元素构成的化合物，芯区和包层的具体材料及折射率(在波长为1550nm处测得)见表2。
芯区为Asx1Sey1，0＜x1≤70，y1＝100-x1，所述Asx1Sey1的折射率为2.65～2.95；包层为Gex2Asy2Sez2，0＜x2≤45，0＜y2≤45，z2＝100-x2-y2，所述Gex2Asy2Sez2的折射率为2.46～2.62。
表2
芯区材料 折射率 包层材料 折射率
As40Se60 2.837 Ge30As20Se50 2.616
As20Se80 2.650 Ge10As23.4Se66.6 2.6
As25Se75 2.714 Ge35As10Se55 2.550
As30Se70 2.746 Ge5As10Se85 2.537
As35Se65 2.812 Ge7.5As10Se82.5 2.532
As38Se62 2.820 Ge12.5As10Se77.5 2.526
Ge20As10Se70 2.502
Ge30As10Se60 2.474
Ge27.5As10Se62.5 2.463
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种宽带色散控制光纤，包括芯区和包层，所述芯区和包层的横截面形状为圆形或椭圆形，芯区材料的折射率为n1，包层材料的折射率为n2，其特征在于：所述芯区和包层为同轴设置，1.15≤n1/n2≤1.5。
2.根据权利要求1所述宽带色散控制光纤，其特征在于，所述芯区材料和所述包层材料至少包括：
AsxSey、AsxSy、GexSey，其中，x,y表示各元素所占的原子百分比，且x+y＝100；
GexSbySz、GexSbySez、GexAsySez、GexAsySz、GexSeyTez、TexAsySez、GexAsyTez、AsxSyTlz、GexSyTlz、GexSyBiz、GexGaySz、GexLaySz，其中，x,y,z表示各元素所占的原子百分比，且x+y+z＝100；
GexAsySezTek、GexAsySzSek、GexAsySzTek、GexSbySzSek，其中，x,y,z,k表示各元素所占的原子百分比，且x+y+z+k＝100；
ZBLAN。
3.一种高折射率对比度光纤的色散控制方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的宽带色散控制光纤进行色散控制，
首先，由预设的光纤的一组结构尺寸参数和芯区材料折射率n1与包层材料折射率n2，计算得到一条色散曲线；
然后，通过调整光纤的横截面参数，实现色散控制，包括：
针对横截面形状为圆形的光纤通过调整芯区半径和包层厚度中的一个或两个参数；
针对横截面形状为椭圆形的光纤，通过调整芯区长轴的长度、椭圆度和包层厚度中的一个或多个参数；
其中：
通过增大芯区半径尺寸，使得色散曲线上移；
通过增大包层厚度尺寸，使得色散曲线凹陷幅度增大；
调整椭圆度，基模色散曲线几乎不受影响。
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