CN107843953A - 一种高双折射大非线性光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高双折射大非线性光子晶体光纤，该光纤由第一椭圆空气孔和第二椭圆空气孔组成的六角晶格椭圆空气孔阵列结构的工作于3μm～5μm中红外范围的高双折射大非线性光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯和包层，所述包层由两种具有相同长轴和不同短轴的第一椭圆空气孔和第二椭圆空气孔组成的六层六角晶格椭圆空气孔阵列，沿y轴方向上排列的均为第二椭圆空气孔阵列，沿x轴方向上排列的均为第一椭圆空气孔阵列，所述光纤背景材料中心位置的实心区域为纤芯，所述光纤在3μm～5μm波长范围获的最大为0.1177的高双折射，对应拍长为42.4μm，该光纤在x和y偏振方向的非线性系数为38390w^‑1km^‑1和49760w^‑1km^‑1。

Description

一种高双折射大非线性光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及中红外光纤通信与光纤传感技术领域，尤其涉及的是一种工作于3μm～5μm中红外范围的高双折射大非线性光子晶体光纤。

背景技术

单模光纤中传输的基模是由两个简并的正交偏振模组成的，在理想的条件下(光纤表现为圆柱对称且不受应力)，这两个正交偏振模是完全耦合的。而对于实际的光纤而言，由于拉制过程中重力影响、内部残余应力的存在，纤芯形状沿光纤长度方向随机变化，光纤不再表现出理想的圆柱对称性，结果简并模式被破坏，导致两个正交的偏振态具有不同的传播常数，进而引起有效折射率差，这就是双折射。将光子晶体引入到光纤中而形成的光子晶体光纤近年来一直是国际研究的热点。由于光子晶体光纤具有设计自由度大、大模场面积、可控性强、高双折射等众多优点，在研制保偏光纤、光纤陀螺、相位敏感光纤放大器等众多科学领域具有广泛而重要的应用。

最早的光子晶体光纤是由Knight等人成功制备并首次报道的，导光原理是全内反射。此后，人们发现光子晶体光纤可以展现出传统光纤无法比拟的优良特性和巨大的发展潜力，迅速成为了光纤通讯领域的研究热点。当前，获得具有较高双折射、零色散平坦、高非线性和低限制损耗的光子晶体光纤已成为重要的研究方向。根据产生高双折射的方法不同，目前报道的大致可以分为以下四类：1采用在传统保偏光纤中引入应力获得高双折射的方法。这种光纤的缺点是双折射一般在10^-4或者更小。2采用微结构芯作为光子晶体光纤的纤芯。这类光纤的优点是模场面积可以做的很大，结构的制作难点在于由于纤芯由很多介质棒或者是毛细管组成，容易导致光的泄漏，增加光纤的传输损耗。3在纤芯附近引入局部非对称性。这种光纤的生产技术已经非常成熟了，而且在获得较高双折射的同时，其传输损耗也相对较低。4光子晶体光纤的包层具有各向异性的特点。以此为基础制作的光子晶体光纤具有极高的双折射(可达10^-2以上)，并具有可调的色散特性，其传输损耗也相对较低。

综合分析上述情况，前三种均不能获得极高的双折射，而设计包层具有各向异性的光纤结构可以获得高的双折射，同时具有其它优越性能。但传统的以石英材料为基底制成的光子晶体光纤的工作波长(小于3μm)，限制了其在中红外以及远红外的应用，而且石英材料的非线性系数小，难以实现高非线性器件的小型化与集成。随着光学器件制备工艺的不断进步，3-5μm的大气第二窗口和8-12μm的大气第三窗口越来越越广泛的关注，而硫系玻璃具有良好的红外透过性能(可达25μm)，较高的折射率(2.0-3.4)，较大的非线性系数，非常适宜制作中红外器件。新出现的硫系光子晶体光纤不仅可以获得较高的双折射，而且具有较大的非线性系数，同时，具有从中红外到远红外的宽波长范围透明窗口，且其内部的双光子吸收与自由载流子吸收效应可忽略，并与现有的CMOS工艺兼容，因此，硫系高双折射光子晶体光纤非常具有发展前途。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种高双折射大非线性光子晶体光纤。

本发明采用的技术方案是：

一种高双折射大非线性光子晶体光纤，该光纤由第一椭圆空气孔和第二椭圆空气孔组成的六角晶格椭圆空气孔阵列结构的工作于3μm～5μm中红外范围的高双折射大非线性光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯和包层，所述包层由两种具有相同长轴和不同短轴的第一椭圆空气孔和第二椭圆空气孔组成的六层六角晶格椭圆空气孔阵列，沿y轴方向上排列的均为第二椭圆空气孔阵列，沿x轴方向上排列的均为第一椭圆空气孔阵列，所述光纤背景材料的中心位置的实心区域为纤芯，所述光纤在3μm～5μm波长范围获的最大为0.1177的高双折射，对应拍长为42.4μm，该光纤在x和y偏振方向的非线性系数为38390w^-1km^-1和49760w^-1km^-1。

进一步地，所述第二椭圆空气孔阵列与纤芯的连接线构成三角晶格结构，所述第一椭圆空气孔阵列在x轴方向上为菱形结构。

进一步地，所述第一椭圆空气孔的长轴为b1＝0.85μm，其短轴为a1＝0.5μm。

进一步地，所述第二椭圆空气孔的长轴为b2＝0.85μm，其短轴为a2＝0.28μm。

进一步地，所述第二椭圆空气孔阵列由数个均匀排列的第二椭圆空气孔组成，所述第二椭圆空气孔之间的间距为Λ＝1.7μm。

进一步地，所述第一椭圆空气孔阵列由数个均匀排列的第一椭圆空气孔组成，所述第一椭圆空气孔之间的间距为Λ'＝1.7μm。

进一步地，所述光纤背景材料采用Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃。

本发明针对光纤通信与光纤传感应用背景，提供一种用于中红外的Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃基高双折射大非线性光子晶体光纤设计方法，采用时域有限差分法进行了数值分析，结果表明该光纤具有在3-5μm的中红外波段实现高双折射和大非线性等优点，在未来光纤通信与光纤传感等领域具有重要的实用价值。

附图说明

图1为光子晶体光纤的端面结构；

图2为Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃的色散和折射率特性；

图3a、图3b、图3c、图3d为不同光纤结构参数下双折射与波长的关系曲线；

图4a、图4b、图4c、图4d为不同光纤结构参数下折射率与波长的关系曲线；

图5a、图5b、图5c、图5d为不同光纤结构参数下拍长与波长的关系曲线；

图6a、图6b为最优结构参数下有效面积和非线性系数的变化曲线；

图7为最优结构参数下色散的变化曲线；

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1至图6，本发明公开了一种高双折射大非线性光子晶体光纤，该光纤由第一椭圆空气孔8和第二椭圆空气孔5组成的六角晶格椭圆空气孔阵列结构的工作于3μm～5μm中红外范围的高双折射大非线性光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料1上的纤芯2和包层，所述包层由两种具有相同长轴和不同短轴的第一椭圆空气孔8和第二椭圆空气孔5组成的六层六角晶格椭圆空气孔阵列，沿y轴方向上排列的均为第二椭圆空气孔阵列7，沿x轴方向上排列的均为第一椭圆空气孔阵列4，所述光纤背景材料的中心位置的实心区域为纤芯，所述光纤在3μm～5μm波长范围获的最大为0.1177的高双折射，对应拍长为42.4μm，该光纤在x和y偏振方向的非线性系数为38390w^-1km^-1和49760w^-1km^-1。

所述第二椭圆空气孔阵列与纤芯的连接线构成三角晶格结构，所述第一椭圆空气孔阵列在x轴方向上为菱形结构。

所述第一椭圆空气孔的长轴为b1＝0.85μm，其短轴为a1＝0.5μm。

所述第二椭圆空气孔的长轴为b2＝0.85μm，其短轴为a2＝0.28μm。

所述第二椭圆空气孔阵列由数个均匀排列的第二椭圆空气孔组成，所述第二椭圆空气孔之间的间距为Λ＝1.7μm。

所述第一椭圆空气孔阵列由数个均匀排列的第一椭圆空气孔组成，所述第一椭圆空气孔之间的间距为Λ'＝1.7μm。

所述光纤背景材料采用Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃。

本发明针选用Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃作为基底材料，采用六角晶格椭圆空气孔阵列，阵列中包含大小两种规格椭圆，使得双折射在3μm到5μm波段具有明显的提升。光纤由纤芯和包层组成，纤芯缺失一个空气孔，包层由六层两种具有相同长轴和不同短轴的椭圆空气孔组成。沿y轴方向上排列的空气孔均为大椭圆(长短半轴分别为b和a1)，沿x轴方向上排列的空气孔均为小椭圆(长短半轴分别为b和a2)。通过优化结构参数得到：当选取：Λ＝1.7μm，b＝0.85μm，a1＝0.5μm，a2＝0.28μm时，在3μm到5μm波长范围获得最大为0.1177的高双折射，对应拍长为42.4μm。同时，该光纤在x和y偏振方向的非线性系数为38390w^-1km^-1和49760w^{- 1}km^-1。由于包层结构由两种具有相同长轴和不同短轴的椭圆空气孔组成，沿y轴方向上排列的大椭圆空气孔和沿x轴方向上排列的小椭圆空气孔破坏了光纤结构的对称性，实现了高双折射，纤芯缺失一个空气孔形成纤芯，合理的包层结构使得光场有效面积较小实现了大非线性系数。

图1光子晶体光纤的端面结构。图2是Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃的色散和折射率随波长的变化曲线。图3a、图3b、图3c、图3d是不同光纤结构参数下双折射随波长的变化曲线。图4a、图4b、图4c、图4d是与图3a、图3b、图3c、图3d对应的有效折射率随波长的变化曲线。图5a、图5b、图5c、图5d为相应的拍长随着波长的变化曲线。图6a、图6b为最优参数结构下x偏振和y偏振方向上有效模场面积和非线系数随波长的变化曲线。图7为最优参数结构下x偏振和y偏振方向上色散随波长的变化曲线。最终在中红外波段3-5μm范围内获得高双折射大非线性。

以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种高双折射大非线性光子晶体光纤，其特征在于该光纤是由第一椭圆空气孔和第二椭圆空气孔组成的六角晶格椭圆空气孔阵列结构且工作于3μm～5μm中红外范围的高双折射大非线性光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯和包层，所述包层由两种具有相同长轴和不同短轴的第一椭圆空气孔和第二椭圆空气孔组成的六层六角晶格椭圆空气孔阵列，沿y轴方向上排列的均为第二椭圆空气孔阵列，沿x轴方向上排列的均为第一椭圆空气孔阵列，所述光纤背景材料的中心位置的实心区域为纤芯，所述光纤在3μμm～5μm波长范围获的最大为0.1177的高双折射，对应拍长为42.4μm，该光纤在x和y偏振方向的非线性系数为38390w^-1km^-1和49760w^-1km^-1。

2.根据权利要求1所述的高双折射大非线性光子晶体光纤，其特征在于所述第二椭圆空气孔阵列与纤芯的连接线构成三角晶格结构，所述第一椭圆空气孔阵列在x轴方向上为菱形结构。

3.根据权利要求1所述的高双折射大非线性光子晶体光纤，其特征在于所述第一椭圆空气孔的长轴为b1＝0.85μm，其短轴为a1＝0.5μm。

4.根据权利要求1所述的高双折射大非线性光子晶体光纤，其特征在于所述第二椭圆空气孔的长轴为b2＝0.85μm，其短轴为a2＝0.28μm。

5.根据权利要求1所述的高双折射大非线性光子晶体光纤，其特征在于所述第二椭圆空气孔阵列由数个均匀排列的第二椭圆空气孔组成，所述第二椭圆空气孔之间的间距为Λ＝1.7μm。

6.根据权利要求1所述的高双折射大非线性光子晶体光纤，其特征在于所述第一椭圆空气孔阵列由数个均匀排列的第一椭圆空气孔组成，所述第一椭圆空气孔之间的间距为Λ'＝1.7μm。

7.根据权利要求1所述的高双折射大非线性光子晶体光纤，其特征在于所述光纤背景材料采用Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅玻璃。