CN110426780A - 一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤 - Google Patents

一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，其技术特点在于：采用纯石英材料制成，其横截面上周期性排列着均匀分布的大、中、小三类直径不同的圆形空气孔；该大、中、小三类直径不同的圆形空气孔均沿轴向贯穿整个光纤；在其横截面的纤芯处左右对称排布有两个大圆形空气孔，在两个大圆形空气孔外侧周向围绕有多层由中圆形空气孔和小圆形气孔构成的尺寸递增的多边形气孔环；其中，由外向内第二层多边形气孔环中包含有小圆形空气孔，该小圆形空气孔呈六角星形排布。本发明能够实现单一材料、简单结构的单模单偏振光传输功能，易于光纤拉制生产。

Description

一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤
技术领域
本发明属于光子晶体光纤技术领域，涉及单模单偏振光子晶体光纤，尤其是一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤又称为多孔光纤，由英国Bath大学Russell于1992年提出，一般由未掺杂的石英和空气孔构成，其横截面上周期性排列着沿轴向均匀分布的空气孔。光子晶体光纤以其结构设计灵活、具有普通光纤无法比拟的突出优点，例如温度稳定性好、弯曲损耗低、双折射稳定性好、磁敏感性低、光学噪声小和辐照不敏感等，得到广泛关注和深入研究，在光纤传感、光通信、非线性光学等领域应用前景广阔。近年来，通过调整光子晶体光纤端面结构，例如采用局部掺杂、椭圆孔等手段，可以实现单模单偏振传输。单模单偏振光子晶体光纤内仅支持一个偏振基模传输，消除了偏振模式耦合、偏振模式色散和偏振相关损耗等现象，可提升光学器件和光传输网络的稳定性，在大功率光纤激光器、光纤陀螺、光纤起偏器等方面具有广阔的应用前景。
但现有的通过采用局部掺杂、椭圆孔等手段实现单模单偏振传输的光子晶体光纤，环境适应性差、制造工艺复杂且生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出设计合理、结构简单且由纯石英构成的小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，采用纯石英材料制成，其横截面上周期性排列着均匀分布的大、中、小三类直径不同的圆形空气孔；该大、中、小三类直径不同的圆形空气孔均沿轴向贯穿整个光纤；在其横截面的纤芯处左右对称排布有两个大圆形空气孔，在两个大圆形空气孔外侧周向围绕有多层由中圆形空气孔和小圆形气孔构成的尺寸递增的多边形气孔环；其中，由外向内第二层多边形气孔环中包含有小圆形空气孔，该小圆形空气孔呈六角星形排布。
而且，在所述两个大圆形空气孔外侧周向围绕有五层由中圆形空气孔和小圆形气孔构成的尺寸递增的六边形气孔环；其中，第四层六边形气孔环中包含有小圆形空气孔，该小圆形空气孔呈六角星形排布。
而且，所述两个大圆形空气孔的孔中心距为2Λ，其余任意邻近的两个圆形空气孔孔中心距均为Λ。
而且，所述两个大圆形空气孔用于为x偏振基模和y偏振基模传输提供双折射特性；所述中圆形空气孔用于调整包层等效折射率构建单模导光机制，所述小圆形空气孔用于实现单模单偏振传输。
而且，所述小圆形空气孔直径ds为0.19Λ；大圆形空气孔直径D为5～5.1um；其中，Λ为圆孔中心距。
本发明的优点和有益效果：
本发明提出了一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，旨在不引入其他材质和不采用异形结构，仅通过调整局部空气圆孔直径以产生谐振耦合现象，将不期望保留的偏振基模泄露出去，实现一种纯石英、简单圆空气孔结构的单模单偏振光子晶体光纤。
附图说明
图1是本发明的光子晶体光纤的横截面示意图；
图2是本发明的小圆孔周围构成光传输模式示意图；
图3是本发明的小圆孔直径与其构成的传输模式折射率关系图；
图4是本发明的泄露模式(y偏振基模)电场分布图；
图5是本发明的保留模式(x偏振基模)电场分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，如图1所示，采用纯石英材料制成，其横截面上周期性排列着均匀分布的大、中、小三类直径不同的圆形空气孔；该大、中、小三类直径不同的圆形空气孔均沿轴向贯穿整个光纤；在其横截面的纤芯处左右对称排布有两个大圆形空气孔，在两个大圆形空气孔外侧周向围绕有多层由中圆形空气孔和小圆形气孔构成的尺寸递增的多边形气孔环；其中，由外向内第二层多边形气孔环中包含有小圆形空气孔，该小圆形空气孔呈六角星形排布。
在本实施例中，在所述两个大圆形空气孔外侧周向围绕有五层由中圆形空气孔和小圆形气孔构成的尺寸递增的六边形气孔环；其中，第四层六边形气孔环中包含有小圆形空气孔，该小圆形空气孔呈六角星形排布。
在本实施例中，所述两个大圆形空气孔的孔中心距为2Λ，其余任意邻近的两个圆形空气孔孔中心距均为Λ。
在本实施例中，所述两个大圆形空气孔用于为x偏振基模和y偏振基模传输提供双折射特性；所述中圆形空气孔用于调整包层等效折射率构建单模导光机制，所述小圆形空气孔用于实现单模单偏振传输。
在本实施例中，所述小圆形空气孔直径ds为0.19Λ；大圆形空气孔直径D为5～5.1um；其中，Λ为圆孔中心距。
下面对本发明的结构特征作进一步说明：
图1是单模单偏振光子晶体光纤的横截面示意图，图中大、中、小圆孔为空气孔，其余区域均为纯石英，其中D为大圆形空气孔直径，d为中圆形空气孔直径，ds为小圆形空气孔直径，Λ为圆孔中心距。中心处两大圆形空气孔的孔中心距为2Λ，其余任意邻近的两圆孔中心距均为Λ。一般，Λ/λ称作归一化频率，d/Λ称之为空气填充比，λ为光波长。
由光纤横截面可见，该光纤由纯石英和大、中、小三种圆空气孔点阵构成，纤芯周向围绕着5层由空气孔构成的尺寸递增的六边形气孔环且贯穿整个光纤长度。纤芯处的两个大圆空气孔为x偏振基模和y偏振基模传输提供双折射特性，包层中的中等尺寸圆空气孔六边形阵列用于调整包层等效折射率构建单模导光机制，包层内第4层气孔环中六角星形排布的小圆形空气孔通过设定合适的孔径以激发谐振耦合现象，使y偏振基模泄露衰减，x偏振基模正常传输，从而实现单模单偏振传输。
图2是以光波长为1550nm为例，小圆孔周围构成的光传输模式，通过小圆孔直径的改变可调整该模式的传输折射率。由于小圆孔外围只包裹一层气孔(第5层气孔环)，由图可见，束光能力差，传输光会向光纤外部泄露，为光传输泄露模式提供衰减途径，是光子晶体光纤实现单偏振传输的基础。
图3是小圆孔直径与其构成的传输模式折射率关系。保偏光子晶体光纤存在两个传输基模，分别是x偏振基模和y偏振基模。当小圆孔直径为0.19Λ时，小圆孔周围构成光传输模式折射率与泄露模式折射率(例如y偏振基模折射率为1.43887)匹配，会产生谐振耦合现象，纤芯中被匹配的y偏振基模光功率将耦合到小圆孔构造的传输模式中。小圆孔外沿只有一层空气孔包裹，束光能力差，传输损耗大，最终被衰减掉。随着y偏振基模不断耦合出去，纤芯中只有x偏振基模传输，形成单偏振传输特性。
图4是泄露模式(y偏振基模)电场分布，可见y偏振基模中的光功率逐渐向小圆孔周围构建的光传输模式中耦合。
图5是保留模式(x偏振基模)电场分布，可见x偏振基模中的光功率绝大部分仍被束缚在纤芯中传输。
以波长1550nm为例，该光纤具体参数如下：
大圆孔直径D：5～5.1um；
空气填充比d/Λ：0.49～0.5；
归一化频率Λ/λ：3～3.1；
小圆孔直径ds：0.19Λ；
等效模场直径：6um；
双折射：>5×10-4；
保留模式损耗：0.006dB/m
泄露模式损耗：0.589dB/m
模式抑制比：98.2
综上，本发明提出一种基于谐振耦合现象、材料单一、结构简单、易于生产制造的光子晶体光纤设计是实现高抑制比单模单偏振传输的有效方法。当入射波长为1550nm时，x和y偏振基模传输损耗分别是0.006dB/m和0.589dB/m，抑制比达98.2，在大功率光纤激光器、光纤陀螺、光纤起偏器等方面具有广阔的应用前景。通过适当调整大、中、小圆孔尺寸，该光子晶体光纤结构同样满足其它波长下(例如1310nm)光单模单偏振传输应用需求。
本发明的工作原理是：
本发明提出一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，无需引入掺杂物和异性结构，实现单一材料、简单结构的单模单偏振光传输功能，易于光纤拉制生产。其横截面由纯石英和大、中、小三种圆空气孔点阵构成，纤芯处的两个大圆空气孔为x偏振基模和y偏振基模传输提供双折射特性，包层中的中等尺寸圆空气孔阵列用于调整包层等效折射率构建单模导光机制，包层中星形排布的小圆形空气孔激发谐振耦合现象，使泄露模式衰减，从而实现单模单偏振传输。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：采用纯石英材料制成，其横截面上周期性排列着均匀分布的大、中、小三类直径不同的圆形空气孔；该大、中、小三类直径不同的圆形空气孔均沿轴向贯穿整个光纤；在其横截面的纤芯处左右对称排布有两个大圆形空气孔，在两个大圆形空气孔外侧周向围绕有多层由中圆形空气孔和小圆形气孔构成的尺寸递增的多边形气孔环；其中，由外向内第二层多边形气孔环中包含有小圆形空气孔，该小圆形空气孔呈六角星形排布。
2.根据权利要求1所述的一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：在所述两个大圆形空气孔外侧周向围绕有五层由中圆形空气孔和小圆形气孔构成的尺寸递增的六边形气孔环；其中，第四层六边形气孔环中包含有小圆形空气孔，该小圆形空气孔呈六角星形排布。
3.根据权利要求1所述的一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述两个大圆形空气孔的孔中心距为2Λ，其余任意邻近的两个圆形空气孔孔中心距均为Λ。
4.根据权利要求1所述的一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述两个大圆形空气孔用于为x偏振基模和y偏振基模传输提供双折射特性；所述中圆形空气孔用于调整包层等效折射率构建单模导光机制，所述小圆形空气孔用于实现单模单偏振传输。
5.根据权利要求1所述的一种小圆孔星形排列的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于：所述小圆形空气孔直径ds为0.19Λ；大圆形空气孔直径D为5～5.1um；其中，Λ为圆孔中心距。
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