CN107632337B - 一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，具有纤芯和包层，基底材料内具有沿着光纤轴线平行设置的多个空气孔；在光纤的任意横截面上：上述多个空气孔沿着光纤的轴心成多层分布，每层的空气孔均形成正六边形，任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离均为P＝4μm，最内层的各空气孔的直径d1相等，d1范围是3.0～3.7μm，其余空气孔的直径d为3μm最内层空气孔的孔心之间形成的圆所包围的基底材料形成纤芯，基底材料其他部分及空气孔形成包层。本发明的光纤可实现1.55μm与2μm波段任意波长的群速度匹配，结构简单，易于制作，交叉相位调制高效。

Description

一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及光纤领域，更具体地说，涉及一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤。

背景技术

随着通信技术的发展和人们对信息交互的强烈需求，全光通信网络技术无可厚非地成为全球通信的主力。光通信网络的迅猛发展使其容量在过去几十年中呈指数级增长，在技术上有许多突破，包括低损耗单模传输光纤、掺铒光纤放大器、波分复用等。对于长距离和大容量传输，大多数工作已经在C波段通信窗口(1530nm～1565nm)进行，其中光纤传输损耗最小，并且可以获得低噪声放大，高级调制格式信令允许在该有限带宽内有效增加容量。然而，容量传输的带宽距离积最终受光纤非线性限制。由于互联网流量呈指数级增长，今天的电信网络正在迅速推向其容量限制，引发了对潜在未来“容量紧缩”的担忧。所以现有的1.55μm波段(1530nm～1565nm)的光纤通信系统已经逼近传输容量的极限了，而解决此问题的有效手段之一是开辟新的光传输波段。随着2μm波段相关技术的飞速发展以及掺铥光纤放大器(TDFA)提供的巨大增益带宽(1.8μm～2.1μm)，2μm波段已经具备成为下一个光纤传输窗口的巨大潜力。2um波段(1.8μm～2.3μm)光由于对二氧化碳、水等分子吸收峰很高，属于人眼安全波段，在各领域都有广泛的应用，如人眼安全的激光雷达、激光手术刀、材料加工整形、光纤传感器等。

碲酸盐玻璃具有高折射率、高非线性折射率系数、高稀土掺杂浓度、高膨胀系数、低声子能、低熔点、稳定性好、抗腐蚀和特有的磁光性质，积极应用于激光器、非线性器件等中。然而目前还没有将碲酸盐应用于2um波段的具有群速度匹配光子晶体光纤的设计中，利用碲酸盐制作2um波段的具有群速度匹配光子晶体光纤具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术中还没有将碲酸盐应用于2um波段的具有群速度匹配光子晶体光纤的设计中的技术缺陷，提供了一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤。

本发明为解决其技术问题，提供了一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，该光纤具有均是由基底材料60TeO2-20PbO-20PbCl2制成的纤芯和包层，所述基底材料内具有沿着碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤轴线平行设置的多个空气孔；在所述碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的任意横截面上：所述多个空气孔沿着碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的轴心成多层分布，每层的空气孔均排布成正六边形，任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离均为P＝4μm±0.25μm，最内层的各空气孔的直径d1范围是3.0～3.7μm，最内层的任意空气孔的直径相差在0.5μm以内，其余空气孔的直径d为3μm±0.5μm，或者是任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离P的范围是3.80～4.15μm，各任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离相差在0.725μm以内，最内层空气孔的直径d1均为3.3μm±1.45μm，其余空气孔的直径d为3μm±1.45m；最内层空气孔的孔心之间形成的圆所包围的基底材料形成所述纤芯，其他基底材料和所有空气孔形成所述包层。

在本发明的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤中，在光子晶体光纤的任意横截面上,具有6层按正六边形结构排列的空气孔。

在本发明的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤中，包层的直径D＝57μm。

在本发明的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤中，每一个正六边形中，任意相邻的两条边之间的交点处具有一个空气孔。

在本发明的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤中，任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离均为P＝4μm，最内层的各空气孔的直径d1相等，d1范围是3.0～3.7μm，其余空气孔的直径d为3μm，或者是任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离相等，P为3.80～4.15μm，最内层空气孔的直径d1均为3.3μm，其余空气孔的直径d为3μm。

在本发明的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤中，最内层的空气孔的直径以及任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离进一步被最内层的空气孔的直径与任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离之比K所限定，K的范围为75％～92％。

在本发明的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤中，对于任意一个碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，其纤芯直径的大小位于2P_min～2P_max之内，并可以优选为该碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤两个相邻空气孔的孔心之间的距离的平均值，其中P_min以及P_max分别表示该碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤两个相邻空气孔的孔心之间的距离的最小值和最大值。

实施本发明的，具有以下有益效果：碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的结构简单，除了最内层空气孔，各层空气孔直径相同，排布简单，拉制相对简单，并且可根据制造工艺和融接工艺适当调整外层空气孔的直径和孔间距，对光纤特性几乎没有影响，甚至可以适当增减外层空气孔的层数；通过调整本发明的光子晶体光纤结构可实现1.55μm与2μm波段任意波长的群速度匹配；在交叉相位调制中，群速度匹配和高非线性克服了两波长之间的走离效应，保证了交叉相位调制的高效性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是60TeO₂-20PbO-20PbCl₂碲酸盐玻璃的折射率随波长变化曲线图；

图2是本发明的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤基本结构的二维截面图；

图3(a)是在图2的结构中，P＝4μm、d＝3μm、d1＝3.3μm及有效折射率为2.0832时1.55μm的基模模场图；

图3(b)是在图2的结构中，P＝4μm、d＝3μm、d1＝3.3μm及有效折射率为2.069时2.025μm的基模模场图；

图4是在P＝4μm d＝3μm的条件下，第一层空气孔直径d1不同的碲酸盐光子晶体光纤的群速度随波长变化曲线及群速度匹配过程示意图；

图5是在P＝4μm d＝3μm的条件下，第一层空气孔直径d1不同的碲酸盐光子晶体光纤的有效折射率随波长变化曲线图；

图6是P＝4μm d＝3μm d1＝3.3μm的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的群速度随波长变化曲线图；

图7是P＝4μm d＝3μm d1＝3.3μm的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的色散随波长变化曲线图；

图8是在P＝4μm d＝3μm的条件下，与1.55μm群速度匹配的波长随第一层空气孔直径d1变化的曲线图；

图9是在d＝3μm d1＝3.3μm的条件下，与1.55μm群速度匹配的波长随孔间距P变化的曲线图；

图10是在基于群速度匹配光子晶体光纤的非线性环形镜中基于交叉相位调制的波长转换模型图；

图11(a)是波长转换时输入端的1.55μm的输入脉冲波形图，图11(b)是波长转换时输出端的2.025μm输出波形图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明所设计的一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤所用的基地材料是60TeO₂-20PbO-20PbCl₂(TLX)，利用三项Sellmeier方程计算其折射率：

n²(λ)＝1+B₁λ²/(λ²-C₁)+B₂λ²/(λ²-C₂)+B₃λ²/(λ²-C₃)

其中λ是波长，单位为μm，B_i(i＝1,2,3)和C_i(i＝1,2,3)是系数，TLX玻璃对应的六个系数分别为：B₁＝1.212，B₂＝2.157，B₃＝0.1891，C₁＝6.068×10-²，C₂＝7.068×10-⁴，C₃＝45.19。TLX的折射率非常高，其折射率随波长变化曲线如图1所示。本发明所用的碲酸盐材料60TeO₂-20PbO-20PbCl₂(TLX)，非线性折射率系数高达5×10-¹⁹m²/W,大约是硅玻璃的20倍左右，且由于光子晶体光纤的结构可变，可通过调节光子晶体光纤的结构参数来调节光子晶体光纤的色散、非线性系数、群速度等，从而达到符合要求的光纤结构。

本发明所设计的一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的截面图如图2所示，此光纤结构是由纤芯结构和包层结构组成。光子晶体光纤包括基底材料和设置于基底材料的贯穿于整个光纤长度的空气孔组成，一共有六层按正六边形排列的空气孔，各空气孔沿着碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤轴线平行设置，各相邻空气孔之间的孔间距P(空气孔的孔心之间的距离)相等，第一层空气孔直径为d₁，其余空气孔直径都为d，包层直径D＝57μm，基底材料为60TeO₂-20PbO-20PbCl₂(TLX)。纤芯结构为基底材料中第一层空气孔所包围的基底材料TLX，即最内层空气孔的孔心之间形成的圆所包围的基底材料形成纤芯，纤芯直径为2P，纤芯的轴心即为碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的轴心，其他基底材料以及所有空气孔构成包层。

我们由原始Sellmeier方程

可知，对于某种材料，不同ω对应不同n(ω)，所以c/n(ω)不同，即光在波导中传输速度不同。不同传播速度的光在传输时会出现走离，导致脉冲展宽，这对光通信的限制非常大。

从数学角度看，光纤的色散效应可以通过在中心频率ω₀处展开为模传输常数β的泰勒级数：

其中，

所以可得：

式中，n_g是群折射率，是依照折射率为两种介质中光的速度之比而定义的n_g＝c/v_g；v_g为群速度，显然与群折射率是相对应的，描述的是光脉冲包络的传播速度；β₂为群速度色散；β₃为三阶色散参量(TOD)。

色散描述的是一束光中由于波长不同的光，在波导中折射率不同，模式不同，传输速度也不同，因此到达接收端的时候，由于走离效应，导致脉冲展宽的现象。在光纤光学中，我们通常用色散参量D来代替群速度色散β₂：

式中，n_eff替换了原式中的n，表示有效折射率。

光子晶体光纤的色散可控性来源于光纤截面的折射率分布的变化，而光子晶体光纤的结构变化改变的正是光纤截面的折射率分布。本发明所设计的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤是一种折射率引导型光子晶体光纤，光是趋向于在高折射率区域中传播的。碲酸盐材料的折射率较大，在包层中引入空气孔使得包层的折射率减小，将光限制在纤芯区域传播，且纤芯-包层折射率差越大，光就越集中在纤芯区域，模有效折射率就越大，因此对于一种光纤结构，基模有效折射率最大，对于本发明中P＝4μm d＝3μm d₁＝3.3μm结构在1.55μm和2.025μm波长处的基模如图3(a)、图3(b)所示。调整光子晶体光纤的结构参数，改变了光子晶体光纤截面的折射率分布，通过增大P，增大了空气孔与纤芯的距离，使得纤芯折射率增大，纤芯-包层折射率差增大，对于同一波长，模场更集中于纤芯中心，有效折射率增大；通过增大空气孔直径，减小了空气孔与纤芯的距离，使得纤芯折射率减小，纤芯-包层折射率差减小，对于同一波长，模场较分散于纤芯中心，有效折射率减小，如图5所示，随d1增大，有效折射率减小。而光纤的色散、群速度都与有效折射率的变化紧密相关。而对于本发明所设计的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，第一层空气孔的直径与孔间距对纤芯折射率的分布影响最大，其余结构参数的影响甚微，忽略不计，为了使得第一层空气孔直径的调节范围更为自由，本发明将六层所有空气孔的孔间距都设置为统一的P，所以在此我们只研究第一层空气孔直径d₁与所有空气孔孔间距P对光子晶体光纤色散、群速度、有效折射率、非线性系数的影响。

群速度匹配过程

通过不断地调整结构参数，寻找与1.55μm群速度匹配的波长的变化规律和变化范围，从而确定在所有空气孔直径相同，孔间距相同的条件下，空气孔直径与孔间距之比(即占空比)为75％～87％时，与1.55μm群速度匹配的波长在2μm波段。其中，当所有气孔孔间距为4μm，所有空气孔直径为3.3μm时，1.55μm与2μm波段群速度匹配是比较理想的。由于第2到第6层空气孔直径对5群速度影响很小，可以忽略不计，这里只研究了第一层空气孔直径的影响。如图4所示，确定所有空气孔孔间距P＝4μm，2到6层空气孔直径为d＝3μm，改变第一层空气孔直径的大小，各结构参数对应的群速度变化和匹配波长位移情况很明显。在图4中的波段范围内，对于某一波长，群速度随第一层空气孔直径增大而减小；对于某一结构，群速度随波长先增大后减小，曲线呈一种凹凸形。对于群速度匹配光纤，要想实现群速度匹配，其群速度随波长变化曲线在两个匹配波长之间应该如此，这也是在筛选群速度匹配光纤结构时的一种判决方法。

选定本发明所设计的P＝4μm d＝3μm d1＝3.3μm的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，可以得到其群速度随波长变化曲线，如图6所示，看出与1.55μm群速度匹配的波长为2.025μm，群速度都为140.989m·μs^-1；色散随波长变化曲线如图7所示，从中可看出，1.55μm与2.025μm之间存在零色散点，1.55μm处在正常色散区，2.025μm处在反常色散区，两个波长的色散差为78.73ps·nm^-1·km^-1，经过计算1.55μm处的非线性系数为192.71W^-1km^-1，2.025μm处的非线性系数为143.58W^-1km^-1，可以看出其非线性系数是很大的，这对其充分进行交叉相位调制有很大的作用。之所以群速度匹配波长之间会出现零色散点是因为，群速度要匹配，其群速度随波长变化曲线呈凹凸状，则在两波长之间群速度随波长变化曲线的斜率必有为零的点，而群速度是β₁的倒数，β₂是β₁关于ω的一阶导数，色散参量D是β₁关于λ的一阶导数，则有D为0的点。

针对于结构参数为P＝4μm d＝3μm d1＝3.3μm群速度匹配光子晶体光纤结构的周围，分别研究了所有空气孔孔间距P和第一层空气孔直径d₁，对与1.55μm群速度匹配的波长的影响。针对不同的单变量结构参数，有两种情况：一是，P＝4μm，d＝3μm，调整d₁，匹配波长随第一层空气孔直径变化曲线如图8所示,，经过拟合，得公式λ_GVM＝-0.021d₁ ²-0.173d₁+2.824，λ_GVM∈(1.9,2.1)；二是，d＝3μm，d₁＝3.3μm，调整P，匹配波长随所有空气孔孔间距变化曲线如图9所示,，经过拟合，得公式λ_GVM＝-0.134P²+1.643P-2.411，λ_GVM∈(1.9，2.1)。所以说本发明所设计的一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，可实现1.55μm波长与2μm波段任意波长的群速度匹配，当P＝4μm，d＝3μm时，d₁的调节范围为3.0～3.7左右；当d＝3μm，d₁＝3.3μm时，P的调节范围为3.8～4.15μm左右。而2到6层空气孔直径可根据实际工艺来进行适当调节。

在非线性环形镜中基于碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的波长转换过程：

如图10所示，当没有输入信号的时候，连续光波通过3dB耦合器，分为两束强度相同的光，并各自产生π/2的相移，反向沿非线性环径传播，当另一输入信号端输入1.55μm波长强脉冲光信号，进入环形镜沿顺时针方向传播时，与两个方向的连续波发生交叉相位调制。由于逆时针方向的连续波与输入脉冲的严重走离效应，交叉相位调制可忽略不计。而顺时针方向的连续波由于群速度匹配，两波不会发生走离效应，保证了交叉相位调制的高效性。当顺时针方向的连续波与输入脉冲交差相位调制产生π的相移的时候，在输出端，两个方向的连续波相位差为零，由于干涉相长，输出波形与输入脉冲相同，这就实现了输入脉冲信号在连续波上的转换，即实现了波长转换。如果相位差为π的奇数倍就会出现干涉相消，没有输出波形。

针对于本发明的P＝4μm，d＝3μm，d₁＝3.3μm的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤实现的是1550nm和2025nm的群速度匹配，所以我们让1550nm作为输入光脉冲信号，2025nm为连续波。在仿真中，在损耗为0的条件下,输入信号功率为P＝10W，连续光波功率为0.01W。为了实现交叉相位调制产生π的相移，光纤长度L的需符合以下公式：

π＝2Pγ₁₂L

式中，P为输入信号功率，L为光纤长度，γ₁₂为与交叉相位调制相关的非线性系数，非线性系数的计算公式是：γ＝2πn₂/(λA_eff)，其中n₂是非线性折射率，与材料有关，通常为常数，

是有效模场面积。非线性系数计算式中与γ₁₂相关的的n₂和A_eff是与交叉相位调制有关的，计算如下：

式中，F₁和F₂分别是是1550nm和2025nm的电场分布，n₂₁和_n22分别是1550nm和2025nm的非线性系数。而对于n₂₁和_n22与材料相关的，本文的基于TLX的PCF只有两种材料，一种是TLX，非线性折射率系数为5×10^-19m²/W，一种是空气孔中的空气，非线性系数为0。算出来的γ＝166.32W^-1km^-1，所以可得L＝0.9445m。所以此时，仿真结果如图11(a)、11(b)所示，显然输出光的脉冲波形11(b)与输入脉冲信号11(a)是一样的，由于损耗为0，所以输出光脉冲功率不变，实现了将1550_nm的脉冲在2025nm波长上的转换。

在此举波长转换的例子旨在说明本发明所设计的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤具有高非线性，并且由于群速度匹配保证了交叉相位调制的高效性，提高了波长转换的效率，且由于匹配的是1.55μm这个常用通信窗口与2μm这个很有潜力成为下一代通信窗口的群速度，这为下一代光通信提供了一种方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，其特征在于，具有均是由基底材料60TeO2-20PbO-20PbCl2制成的纤芯和包层，所述基底材料内具有沿着所述碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤轴线平行设置的多个空气孔；在所述碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的任意横截面上：所述多个空气孔沿着碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的轴心成多层分布，每层的空气孔均排布成正六边形，

任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离均为P＝4μm，最内层的各空气孔的直径d1相等，d1范围是3.0～3.7μm，其余空气孔的直径d为3μm，或者是任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离相等，P为3.80～4.15μm，最内层空气孔的直径d1均为3.3μm，其余空气孔的直径d为3μm；

最内层空气孔的孔心之间形成的圆所包围的基底材料形成所述纤芯，基底材料的其他部分和所有空气孔形成所述包层。

2.根据权利要求1所述的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，其特征在于，在所述碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤的任意横截面上,具有6层按正六边形结构排列的空气孔。

3.根据权利要求2所述的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，其特征在于，所述包层的直径D＝57μm±6μm。

4.根据权利要求1所述的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，其特征在于，每一个正六边形中，任意相邻的两条边之间的交点处具有一个空气孔。

5.根据权利要求1所述的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，其特征在于，最内层的空气孔的直径以及任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离进一步被最内层的空气孔的直径与任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离之比K所限定，K的范围为72％～92％。

6.根据权利要求1所述的碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，其特征在于，对于任意一个所述碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤，其纤芯直径的大小位于2P_min～2P_max之内，其中P_min以及P_max分别表示该碲酸盐群速度匹配光子晶体光纤两个相邻空气孔的孔心之间的距离的最小值和最大值。

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