CN108152881A - 一种2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，该光纤为六角晶格光子晶体结构缺失一个椭圆空气孔形成的硫系高双折射光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯和包层，所述包层为六角晶格椭圆空气孔阵列结构，该六角晶格椭圆空气孔阵列结构由外部四个同心六边形构成的第一椭圆孔系和内部的第二椭圆孔系构成，所述纤芯为光纤背景材料上中心位置的实心区域。本发明采用多类型的椭圆空气孔结构包层对光纤中的光场进行限制，一方面避免了采用普通保偏光纤需要较长的长度，另一方面克服了二氧化硅基高双折射光纤只能工作于近红外波段的缺点，同时避免了在纤芯掺杂的复杂工艺。

Description

一种2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤

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在2到5微米中红外范围的硫系高双折射大非线性光子晶体光纤。

背景技术

高双折射是光纤在实际应用过程中，由于光纤端面并不是理想的圆形对称结构或者是由于应力使得两个正交偏振方向上受力不平衡，导致了光场的两个垂直分量在光纤中具有不同的传播常数，进而引起的有效折射率差。高双折射可实现光波偏振态的保留，在光纤陀螺仪、光纤传感、光开关、光学逻辑门、光学偏振态检测和保偏传输等众多领域都有重要且广泛的应用。因此近些年来一直做为热点课题被广泛研究。

最早制备出光子晶体光纤的是英国的Knight等人，他首次将“光子晶体”这一概念引入光纤端面，成功制备出了第一根光子晶体光纤。继二氧化硅基光子晶体光纤问世以来，其优良特性使之在不同应用领域都展现出了广阔的应用前景。当前，获得具有高双折射、大非线性、奇异色散特性和低限制损耗的光子晶体光纤已成为重要的研究目标。在诸多特性之中高双折射做为光子晶体光纤的主要应用特性而走进人们的视野，成为研究的重点。高双折射的形成主要依赖于光纤端面结构的非对称性，并且将这种端面上的不对称结构在光纤纵向上延伸，以此来获得高双折射。通常根据非对称结构作用的位置不同，可以将光子晶体光纤分为以下三大类：1基于空气孔包层位置的结构非对称型高双折射光子晶体光纤。通过在外包层空气孔中引入非对称性结构。经典的作法是采用椭圆空气孔替代圆形空气孔结构，使得光纤端面x轴向和y轴方向空气孔排列方式存在差异，最终实现有效折射率的差值增大，由此增加了双折射效应。其缺点在于得到的高双折射数值较小，一般约10^-3量级。2基于纤芯位置的结构非对称型高双折射光子晶体光纤，通过在纤芯位置引入结构的非对称性，最为经典的作法有在纤芯引入亚尺寸结构的小椭圆或者通过在纤芯位置掺杂来增大两个偏振方向上的折射率差。相较于在包层位置引入结构非对称性，在纤芯位置引入结构非对称性能有效的提升双折射，因为光场有效地分布在纤芯位置，纤芯结构的非对称性对光场有着显著的影响。其缺点在引入的亚尺寸的椭圆空气孔可以造成模场泄露，掺杂过程存在着一些不可控的因素等。通过这一方案一般可实现的双折射在10^-2量级。3基于纤芯和包层位置同时引入结构非对称型的高双折射光子晶体光纤。这一方案同时在包层和纤芯中引入非对称性结构，可以显著提升光子晶体光纤的双折射，但是在纤芯和包层中同时引入非对称性增加了工程制备中的难度。通过这一方案一般可实现的双折射在10^-2量级。

通常在二氧化硅基光子晶体光纤中为了获得高双折射，有三种类型的方案。其中在包层中引入结构非对称性，不易于实现较高双折射，在纤芯中引入结构的非对称性或者纤芯参杂，存在着模场的泄露和工程制备中不可控的因素，而在纤芯和包层中同时引入结构非对称性，增加了光纤结构的复杂度。此外，二氧化硅基光子晶体光纤，在波长大于2微米时，材料损耗显著增加，具有波长截止特性。因此基于二氧化硅的高双折射光子晶体光纤主要工作在近红外波段，不能满足中红外波段光纤通信与光纤传感的需求，而新发展的三硒化二砷基光子晶体光纤，具有从近红外到中红外宽波长范围透明窗口，材料损耗几乎可以忽略，基于此材质设计非对称性光子晶体光纤，实现高双折射，可以将工作波长范围拓展至中红外。因此，基于三硒化二砷材质的高双折射光子晶体光纤，对于中红外范围光纤通信与光纤传感技术的发展具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤。

本发明采用的技术方案是：

一种2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，该光纤为六角晶格光子晶体结构缺失一个椭圆空气孔形成的硫系高双折射光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯和包层，所述包层为六角晶格椭圆空气孔阵列结构，该六角晶格椭圆空气孔阵列结构由外部四个同心六边形构成的第一椭圆孔系和内部的第二椭圆孔系构成，所述纤芯为光纤背景材料上中心位置的实心区域。

进一步地，所述第一椭圆孔系包括由外至内依次排列的第一六边形椭圆结构、第二六边形椭圆结构、第三六边形椭圆结构以及第四六边形椭圆结构，所述第一六边形椭圆结构、第二六边形椭圆结构、第三六边形椭圆结构以及第四六边形椭圆结构分别采用直径等同间距设置的且由均匀排列的同一直径的第一椭圆所构成的正六边形结构。

进一步地，所述第一六边形椭圆结构、第二六边形椭圆结构、第三六边形椭圆结构以及第四六边形椭圆结构之间的直径间距分别为Λ＝1.6μm。

进一步地，所述第一椭圆的第一半轴a和第一半轴b分别为a＝0.4μm、b＝0.1μm。

进一步地，所述第二椭圆孔系包括上下结构对称的第二椭圆和第三椭圆组成的第五六边形椭圆结构，所述第五六边形椭圆结构的上下两边分别设置有3个第二椭圆，其左右的四边设置有6个第三椭圆，所述第五六边形椭圆结构与第四六边形椭圆结构之间的直径间距为Λ'＝0.75μm。

进一步地，所述第二椭圆的第二半轴a1和第二半轴b1分别为a1＝0.6μm、b1＝0.04μm，所述第三椭圆的第三半轴a2和第三半轴b2分别为a2＝0.8μm,b2＝0.06μm。

进一步地，所述光纤背景材料为As₂Se₃。

进一步地，所述光纤的最大双折射为0.1192，对应拍长为41.93μm，所述光纤在x和y偏振方向的非线性系数为10050w^-1km^-1和15200w^-1km^-1，且在x偏振方向上不存在零色散点，整个波段上属于正常色散，而对应的y偏振方向上存在两个色散零点，分别位于3.18和3.6微米处，且在两个零色散点之间色散属于近零平坦。

本发明针对光偏振传感检测与非线性光纤光学应用背景，提出一种高双折射大非线性光子晶体光纤，采用多类型的椭圆空气孔结构包层对光纤中的光场进行限制，一方面避免了采用普通保偏光纤需要较长的长度，另一方面克服了二氧化硅基高双折射光纤只能工作于近红外波段的缺点，同时避免了在纤芯掺杂的复杂工艺，产生的高双折射和大非线性覆盖3到5微米中红外波段等多重优点，在未来光偏振传感检测与非线性光学应用领域具有重要的实用价值。

附图说明

图1为多类型椭圆空气孔包层光子晶体光纤结构图；

图2为所用三硒化二砷材料基底的折射率和材料色散与波长的分布特性；

图3a、图3b、图3c、图3d为光子晶体光纤的双折射与模场分布特性；

图4a、图4b、图4c、图4d为光子晶体光纤在不同参数下的拍长特性；

图5a和图5b为最优双折射参数下光子晶体光纤的模场面积与非线性系数分布特性；

图6为最优双折射结构参数下光子晶体光纤的色散特性。

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。

注：图3a、图3b、图3c、图3d示中TE、TM为横电波和横磁波。

参照图1至图6，本发明公开了一种2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，该光纤为六角晶格光子晶体结构缺失一个椭圆空气孔形成的硫系高双折射光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料1上的纤芯2和包层，所述包层为六角晶格椭圆空气孔阵列结构，该六角晶格椭圆空气孔阵列结构由外部四个同心六边形构成的第一椭圆孔系和内部的第二椭圆孔系构成，所述纤芯2为光纤背景材料上中心位置的实心区域。

所述第一椭圆孔系包括由外至内依次排列的第一六边形椭圆结构、第二六边形椭圆结构、第三六边形椭圆结构以及第四六边形椭圆结构，所述第一六边形椭圆结构、第二六边形椭圆结构、第三六边形椭圆结构以及第四六边形椭圆结构分别采用直径等同间距设置的且由均匀排列的同一直径的第一椭圆3所构成的正六边形结构。

所述第一六边形椭圆结构、第二六边形椭圆结构、第三六边形椭圆结构以及第四六边形椭圆结构之间的直径间距分别为Λ＝1.6μm。

所述第一椭圆3的第一半轴a和第一半轴b分别为a＝0.4μm、b＝0.1μm。

所述第二椭圆孔系包括上下结构对称的第二椭圆和第三椭圆组成的第五六边形椭圆结构，所述第五六边形椭圆结构的上下两边分别设置有3个第二椭圆4，其左右的四边设置有6个第三椭圆5，所述第五六边形椭圆结构与第四六边形椭圆结构之间的直径间距为Λ'＝0.75μm。

所述第二椭圆4的第二半轴a1和第二半轴b1分别为a1＝0.6μm、b1＝0.04μm，所述第三椭圆5的第三半轴a2和第三半轴b2分别为a2＝0.8μm,b2＝0.06μm。

所述光纤背景材料1为As₂Se₃。

所述光纤的最大双折射为0.1192，对应拍长为41.93μm，所述光纤在x和y偏振方向的非线性系数为10050w^-1km^-1和15200w^-1km^-1，且在x偏振方向上不存在零色散点，整个波段上属于正常色散，而对应的y偏振方向上存在两个色散零点，分别位于3.18和3.6微米处，且在两个零色散点之间色散属于近零平坦。

通过在光纤端面上引入多种类型的椭圆空气孔，造成了包层空气孔的填充率上升，使得纤芯和包层存在折射率差，进而由于全内反射效应的影响，使得光场有效地限制在纤芯中传输。采用时域有限差分法结合完美匹配吸收边界条件，求解电磁场麦克斯韦方程组，最终确定了基模的有效折射率、色散、非线性等光学特性。当改变空气孔间距和三种椭圆的结构尺寸时，光纤的光学参数随着波长存在变化，具体如下：图3a和图3b中(a)-(d)分别为改变空气孔间距、第一半轴b、第二半轴b1、第三半轴b2时的双折射变化曲线，图4a、图4b、图4c、图4d为改变上述结构参数时所对应的拍长，图5a和图5b中(a)-(b)为双折射最优结构参数下的x偏振方向和y偏振方向上非线性系数和模场面积特性，图6为最优参数结构下的色散特性。

本发明采用自行设计的多椭圆类型包层光子晶体光纤，在中红外2到5微米波段都实现了高双折射和大非线性；同时，由于灵活的空气孔结构使得色散易于裁剪；参照图3a、图3b、图3c、图3d，在所研究的2到5微米波长范围上实现了双折射值高达0.1192，参照图4a、图4b、图4c、图4d、图5a、图5b和图6，对应拍长为41.93μm；同时，该光纤在x和y偏振方向的非线性系数为10050w^-1km^-1和15200w^-1km^-1；在x偏振方向上不存在零色散点，整个波段上属于正常色散，而对应的y偏振方向上存在两个色散零点，分别位于3.18和3.6微米处，且在两个零色散点之间色散属于近零平坦。

所设计的光子晶体光纤具有高双折射、大非线性、奇异色散特性，对今后中红外波段的器件设计研究有着重要的指导意义。

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 (8)

1.一种2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，其特征在于该光纤为六角晶格光子晶体结构缺失一个椭圆空气孔形成的硫系高双折射光子晶体光纤，包括位于光纤背景材料上的纤芯和包层，所述包层为六角晶格椭圆空气孔阵列结构，该六角晶格椭圆空气孔阵列结构由外部四个同心六边形构成的第一椭圆孔系和内部的第二椭圆孔系构成，所述纤芯为光纤背景材料上中心位置的实心区域。

2.根据权利要求1所述的2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述第一椭圆孔系包括由外至内依次排列的第一六边形椭圆结构、第二六边形椭圆结构、第三六边形椭圆结构以及第四六边形椭圆结构，所述第一六边形椭圆结构、第二六边形椭圆结构、第三六边形椭圆结构以及第四六边形椭圆结构分别采用直径等同间距设置的且由均匀排列的同一直径的第一椭圆所构成的正六边形结构。

3.根据权利要求2所述的2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述第一六边形椭圆结构、第二六边形椭圆结构、第三六边形椭圆结构以及第四六边形椭圆结构之间的直径间距分别为Λ＝1.6μm。

4.根据权利要求2所述的2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述第一椭圆的第一半轴a和第一半轴b分别为a＝0.4μm、b＝0.1μm。

5.根据权利要求1所述的2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述第二椭圆孔系包括上下结构对称的第二椭圆和第三椭圆组成的第五六边形椭圆结构，所述第五六边形椭圆结构的上下两边分别设置有3个第二椭圆，其左右的四边设置有6个第三椭圆，所述第五六边形椭圆结构与第四六边形椭圆结构之间的直径间距为Λ'＝0.75μm。

6.根据权利要求5所述的2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述第二椭圆的第二半轴a1和第二半轴b1分别为a1＝0.6μm、b1＝0.04μm，所述第三椭圆的第三半轴a2和第三半轴b2分别为a2＝0.8μm,b2＝0.06μm。

7.根据权利要求1所述的2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述光纤背景材料为As₂Se₃。

8.根据权利要求1所述的2到5微米波段范围内的硫系高双折射光子晶体光纤，其特征在于所述光纤的最大双折射为0.1192，对应拍长为41.93μm，所述光纤在x和y偏振方向的非线性系数为10050w^-1km^-1和15200w^-1km^-1，且在x偏振方向上不存在零色散点，整个波段上属于正常色散，而对应的y偏振方向上存在两个色散零点，分别位于3.18和3.6微米处，且在两个零色散点之间色散属于近零平坦。