CN110879438B - 一种保偏色散补偿微结构光纤 - Google Patents

Abstract

一种保偏色散补偿微结构光纤，该微结构光纤由石英作为基底材料，所述微结构光纤包括内纤芯区域和由内至外依次呈正六边形排列包裹在内纤芯区域外层的内包层空气孔、外纤芯区域和外包层空气孔，所述内纤芯区域是由中心空气孔与周围石英共同组成的C_6v对称性结构，所述外纤芯区域是由空气孔与周围石英共同组成的C_6v对称性结构，且所述中心空气孔与外纤芯区域空气孔内均填充有液晶。本发明有效的解决了在色散补偿过程中，要补偿的偏振方向一旦确定就无法改变的技术问题，而且采用该技术方案，最终在1550nm的通信波长处获得的结果为：对x偏振模式得到的负色散为‑16040.3ps/(nm·km)，对y偏振模式得到的负色散为‑12354.2ps/(nm·km)。

Description

一种保偏色散补偿微结构光纤

技术领域

本发明涉及光纤通讯领域，尤其涉及一种保偏色散补偿微结构光纤。

背景技术

随着高速光通信领域的迅速发展，光子晶体光纤由于其参数设计灵活的优点被广泛应用。传统的圆对称单模光纤会同时传输两个正交的线偏振模式，若光纤在传输方向均匀且完美对称，两正交的线偏振模式会以相同速度向前传输且偏振模式不会变化，但在实际的光纤拉制过程中不可能实现完美的圆对称，两偏振模式也会在传输过程中发生串扰，严重影响信号传输质量。保偏光子晶体光纤通过产生强双折射效应，来消除拉制过程中应力对入射光偏振态的影响，可以有效地减小偏振耦合，保持光信号的线偏振性。同时，为了解决传输过程中存在色散的问题，需要对保偏光纤进行色散补偿。如果利用传统色散补偿光纤对保偏光纤进行补偿，由于其不具有保偏特性，因此两个偏振方向会发生模式耦合造成串扰，将无法保持光的偏振态。所以，具有保偏特性的色散补偿光纤无疑是解决上述问题的有效方案：这种光纤不仅可以对传输过程中累积的正色散进行补偿，而且可以对传输模式具有良好的偏振保持能力。既避免了因色散而产生的信号展宽的问题，也解决了由于偏振模式耦合带来的串扰问题。因此具有保偏特性的色散补偿光纤在高速光通信中具有良好的应用前景。

微结构光纤设计灵活，能够很好地同时实现保偏和色散补偿的特性。对于现有的微结构光纤，其实现保偏色散补偿光纤的常用技术方案为：(1)在具有正六边形排列空气孔的二氧化硅材料中心忽略一个空气孔形成实心区域，该实心区域形成内纤芯区；通过减小某一层空气孔的直径增加该层平均折射率形成外纤芯。通过上述方法构成同轴双芯光纤结构。(2)设计内纤芯及相邻区域的几何结构，如紧邻内纤芯空气孔的大小、形状等，以降低内纤芯对称性，使内纤芯传输模式产生结构双折射，从而使光纤(内纤芯)具有保偏特性。(3)对于外纤芯，则有两种情况：不改变外纤芯的对称性，使其仍然具有C_6v对称性，不在外纤芯区域产生双折射；或者设计外纤芯及相邻区域的几何结构降低其对称性(如改变外纤芯空气孔的大小、形状等)，使得在外纤芯区域产生双折射。(4)合理优化外纤芯结构参数，使外纤芯某一个或两个偏振模式折射率随波长变化曲线与内纤芯的某一个或两个偏振模式折射率随波长变化曲线在1550nm处相交，从而产生内、外纤芯模式能量耦合，进而造成内纤芯模式折射率随波长变化的突变，产生大负色散，实现一个方向或两个正交方向的色散补偿效果。

利用上述技术方案，冯朝印等人设计了一种保偏色散补偿光纤，其技术方案为：(1)在具有正六边形排列空气孔的二氧化硅材料上，忽略中心的空气孔形成实心区域，此实心区域形成内纤芯。缩小第三层空气孔的直径，形成外纤芯，构成同轴双芯结构。(2)减小紧邻内纤芯的第一层空气孔x方向上2个空气孔的直径，降低内纤芯区域对称性，使内纤芯模式产生高达2.36×10^-2的双折射，使光纤具有保偏特性。(3)调整外纤芯区域所含空气孔的直径，使其模式折射率随波长变化曲线与内纤芯模式折射率随波长变化曲线在1550nm附近相交，使得内、外纤芯模式在1550nm附近发生耦合，造成内纤芯模式折射率随波长变化曲线突变，形成值为-7740ps/(nm·km)的大负色散。(冯朝印,王继仙.一种新型高双折射光子晶体光纤特性分析[J].光通信研究,2014,40(1):41-44.)

上述实现“保偏色散补偿微结构光纤”方案的关键在于，通过改变光纤内纤芯区域几何结构的方式(改变空气孔的大小、形状，或进行压缩等操作)来减低其几何对称性，使光纤产生结构双折射，从而具有保偏特性；通过改变外纤芯区域几何结构的方式，利用外纤芯某一个偏振方向或两个偏振方向与内纤芯某一个偏振方向或两个偏振方向的模式耦合效应形成内纤芯的大负色散，从而使光纤具有色散补偿特性。上述方案的缺点在于，一旦此保偏色散补偿微结构光纤结构确定，能够对保偏光纤的色散进行补偿的偏振方向也将固定，无法进行动态调整，不能满足色散补偿的偏振方向可变的要求。

发明内容

针对上述方案的不足，本发明的目的在于提供一种可以通过改变液晶分子偏转方向从而对色散补偿的偏振方向进行改变和控制的一种保偏色散补偿微结构光纤。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种保偏色散补偿微结构光纤，该微结构光纤包括内纤芯区域和由内至外依次呈正六边形排列包裹在内纤芯区域外层的内包层空气孔、外纤芯区域和外包层空气孔，所述内纤芯区域是由中心空气孔与周围石英共同组成的C_6v对称性结构，所述外纤芯区域是由空气孔与周围石英共同组成的C_6v对称性结构，且所述中心空气孔与外纤芯区域空气孔内均填充有液晶。

所述空气孔的孔间距Λ为1.27～1.29μm。

所述内包层空气孔由两层呈正六边形排列的空气孔构成，孔数分别为6个和12个；所述外包层空气孔由两层呈正六边形排列的空气孔构成，孔数分别为24个和30个。

所述中心空气孔的直径d₁为0.76Λ～0.78Λ。

所述外纤芯区域空气孔由一层呈正六边形排列的空气孔构成，孔数为18个，孔直径d₃为0.59Λ～0.61Λ。

所述内包层和外包层空气孔大小相同，孔直径d₂为0.91Λ～0.93Λ。

所述液晶为E7液晶。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本专利为一种保偏色散补偿微结构光纤，由内、外纤芯区域和内、外包层空气孔组成。利用液晶分子可旋转的特性以及光纤具有的C_6v对称性，实现液晶方向偏转，光纤内纤芯区域结构(对称性)改变，两偏振模式折射率随波长变化曲线位置互换，但数值不变的技术效果；同时由于内纤芯区域填入液晶，使内纤芯区域模式折射率曲线斜率的绝对值变大，即曲线变陡峭；利用在外纤芯区域设置的空气孔、缩小空气孔直径并填入液晶的方式，达到液晶方向偏转，光纤外纤芯区域结构(对称性)改变，两偏振模式折射率随波长变化曲线位置互换，但是降低数值偏移量的技术效果；最终通过控制液晶分子在0°和90°这两个方向进行偏转，从而得到对x偏振模式或y偏振模式分别实现色散补偿的保偏色散补偿光纤。因此，本方案有效的解决了在色散补偿过程中，要补偿的偏振方向一旦确定就无法改变的技术问题。实施例采用该技术方案，最终在1550nm的通信波长处获得的结果为：在内纤芯区域产生1.376×10^-1的双折射，液晶角度为0°时在外纤芯区域产生7.344×10^-3的双折射，液晶角度为90°时，在外纤芯区域产生5.068×10^-3的双折射；对x偏振模式得到的负色散为-16040.3ps/(nm·km)，对y偏振模式得到的负色散为-12354.2ps/(nm·km)。

附图说明

图1是本发明所提出的一种保偏色散补偿微结构光纤一个实施例的结构示意图；

图2是液晶为0°时内外纤芯区域x偏振模式的有效折射率曲线以及液晶为90°时内外纤芯区域y偏振模式的有效折射率曲线；

图3是液晶为0°时内外纤芯区域y偏振模式的有效折射率曲线以及液晶为90°时内外纤芯区域x偏振模式的有效折射率曲线；

图4是液晶0°时x偏振模式和液晶90°时y偏振模式色散曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1，给出了本发明所提出的一种保偏色散补偿微结构光纤的一个实施例的具体结构。该微结构光纤包括内纤芯区域1、内包层空气孔2、外纤芯区域3、外包层空气孔4、液晶5和石英基底材料6。所述光纤以中心空气孔11为中心，光纤结构由内至外依次为内纤芯区域1、内包层空气孔2、外纤芯区域3及外包层空气孔4。

所述微结构光纤中所有空气孔均采用正六边形的排列方式，组成五层的光纤结构，所述每两个空气孔的孔间距Λ设置为1.27-1.29μm，本实施例中，孔间距Λ为1.28μm；所述内纤芯区域1是由中心空气孔11与孔周围石英基底材料6共同组成的C_6v对称性结构，所述中心空气孔11的直径d₁设置为0.76-0.78Λ，本实施例中，中心空气孔11的直径d₁为0.77Λ，且所述中心空气孔11内填入有液晶5；所述内包层空气孔2采用正六边形排列，位于内纤的第一、二层，其中，第一层的孔数为6个，第二层的孔数为12个，所述内包层空气孔2的直径d₂均为0.91-0.93Λ，本实施例中，内包层空气孔2的直径d₂为0.917Λ；所述外纤芯区域3是由位于光纤第三层采用正六边形方式排列的18个外纤芯空气孔31和孔周围石英基底材料6共同组成的C_6v对称性结构，且在每个外纤芯区域空气孔31内都填入有液晶5并缩小孔径尺寸，所述外纤芯空气孔31的直径d₃设置为0.59-0.61Λ，本实施例中，外纤芯区域空气孔31的直径d₃为0.6Λ；所述外包层空气孔4位于光纤的第四、五层，其中，第四层的孔数为24个，第五层的孔数为30个，且所述外包层空气孔4的直径与内包层空气孔2的大小相同。

本发明由于在内纤芯区域1的中心空气孔11和外纤芯区域3空气孔31均填入液晶5，故可以降低两区域的对称性，产生较高双折射，使两芯区域均具有保偏特性。本方案还缩小了外纤芯区域空气孔31的直径，增大了芯中能量泄露程度，加大了各个芯形成超模的能量耦合强度，用以减小液晶5旋转后外纤芯区域3折射率曲线的偏移，降低耦合波长的移动。在中心空气孔11内填入液晶5可以使内纤芯区域1的模式折射率曲线斜率的绝对值变大，保证了在液晶5旋转后，外纤芯区域3的模式折射率曲线移动，但耦合波长移动较小。

本发明的作用原理在于：中心空气孔11与孔周围石英基底材料6是具有C_6v对称性的结构，共同作为内纤芯区域1，无双折射；在内纤芯区域1的中心空气孔11中填入液晶5，目的是使内纤芯区域1对称性降低为C_2v，在不具有双折射的内纤芯区域1产生双折射，使光纤具有保偏特性；此外，在中心空气孔11填入液晶5这种高折射率掺杂的物质，会使内纤芯区域1的模式折射率曲线斜率的绝对值变大。当液晶分子为0°时，液晶5的长轴与光纤x轴方向(正六边形相距最远的两个孔连线方向)一致，短轴与光纤y轴方向一致。当液晶分子由0°偏转90°后，液晶5的长轴与光纤y轴方向(正六边形相距最远的两个孔连线的垂直平分线方向)一致，短轴与光纤x轴方向一致。虽然内纤芯区域的x方向与y方向存在差异，即x方向轴线在正六边形相距最远的两个孔连线方向，对应着两个空气孔，而y方向轴线在该连线方向的垂直平分线方向上，对应相邻空气孔之间的石英。但由于中心空气孔11为圆形，具有无穷维对称性，被具有C_6v对称性的空气孔分割后，剩余的石英区域也具有C_6v的对称性，中心空气孔11内液晶分子具有C_2v的对称性，故三者的组合结构具有C_2v的对称性，即填充液晶5后内纤芯区域1具有C_2v的对称性，并且旋转对称的角度和轴对称的角度均为180°，液晶5每次的旋转角度为对称轴角度的一半，故液晶5从0°旋转到90°(或从90°变为0°)，光纤可达到内纤芯区域1结构(对称性)改变，两偏振模式折射率随波长变化曲线位置互换，但是数值不变的技术效果。

空气孔31与孔周围石英基底材料6共同作为外纤芯区域3，具有C_6v对称性，不具备双折射。外纤芯区域3采用18个空气孔31，同时减小18个空气孔31的孔径，并在其中填入液晶5，使液晶分子在0°与90°时的方向与内纤芯区域1中心空气孔11内液晶分子方向保持一致。由于外纤芯区域3不具有中心圆空气孔11的无穷维对称性，且x方向与y方向存在差异，故液晶5旋转方向后，外纤芯区域3的两偏振模式折射率曲线位置会互换，但数值会改变，使实际耦合点远离目标耦合点。所以在第四层设置18个空气孔31，使外纤芯区域3与光纤整体结构保持一致；同时，外纤芯区域3的18个空气孔31均填入液晶5，提高外纤芯区域3的平均折射率，使其便于与内纤芯区域1耦合，并在外纤芯区域3产生双折射，使外纤芯区域3也具有保偏特性；由于液晶5折射率高于石英，故每个填充液晶5的区域均会传输模式，因此外纤芯区域3的模式实际上是18个液晶区域模式之间相互耦合产生的超模。缩小18个空气孔31的直径后，相当于缩小了每个液晶芯的芯径，增大了芯中能量泄露程度，加大了各个芯形成超模的能量耦合强度。外纤芯区域3不缺失空气孔，从而保证光纤结构的完整，同样可以增强外纤芯区域3超模耦合强度。在上述两点基础上，使液晶分子在0°与90°时的方向与内纤芯区域1的中心空气孔11内液晶分子方向保持一致，可以最大限度的减小其他多因素对折射率曲线偏移的影响，从而控制折射率曲线的偏移。所以，在外纤芯区域3内设置18个空气孔31、缩孔直径并填入液晶，从结构对称性和模式耦合两方面减小液晶旋转后由于光纤x、y方向上的差异带来的两折射率曲线翻转后的移动。达到液晶5方向偏转，光纤外纤芯区域3结构(对称性)改变，两偏振模式折射率随波长变化曲线位置互换，同时可以降低数值偏移量的技术效果。

以上方案，由于内纤芯区域1在填入液晶5后，模式折射率曲线斜率的绝对值变大，即曲线变陡，同时在液晶旋转后，外纤芯区域3的模式折射率曲线移动较小，因此保证了液晶5旋转后，内外纤芯区域的x偏振态到y偏振态(或y偏振态到x偏振态)的耦合波长移动较小。

通过合理调整各偏振模式的折射率，使液晶5在0°时，内、外纤芯区域的x偏振模式折射率曲线在1550nm附近相交；液晶5在90°时，内、外纤芯区域的y偏振模式折射率曲线在1550nm附近相交，产生内、外纤芯区域的模式能量耦合，进而造成x偏振模式或y偏振模式折射率随波长变化曲线的突变，产生大负色散，实现色散补偿，从而达到改变光纤色散补偿偏振方向的技术效果。

参见图2，在液晶5角度为0°时，内外纤芯区域的x偏振模式在1550nm处发生能量耦合，在该波长处产生大负色散；在液晶5角度为90°时，内外纤芯区域的y偏振模式在1562nm处发生能量耦合，耦合点在1550nm附近，可以在1550nm处产生大负色散。参见图3，在液晶5角度为0°时，内外纤芯区域的y偏振模式在1550nm附近不发生耦合。同样的，在液晶5角度为90°时，内外纤芯区域的x偏振模式在1550nm附近不发生耦合。当液晶5角度由0°变为90°(或90°变为0°)时，本方案的光纤色散补偿的偏振模式由x偏振模式变为y偏振模式(或由y偏振模式变为x偏振模式)，从而实现改变光纤色散补偿偏振方向的技术效果。

本发明内纤芯区域1的中心空气孔11为圆形，具有无穷维对称性，被具有C_6v对称性的空气孔分割后，剩余的石英区域也具有C_6v的对称性，中心空气孔11内液晶分子具有C_2v的对称性，故三者的组合结构具有C_2v的对称性，对称角度为180°，由于液晶5每次的旋转角度为对称轴角度的一半，故液晶5从0°旋转到90°(或从90°变为0°)，两偏振模式折射率随波长变化曲线位置互换，但是数值不变。故图2中n₁曲线为内纤芯区域液晶5为0°时x偏振模式折射率曲线和液晶5为90°时y偏振模式折射率曲线。由于外纤芯区域3不具有内纤芯区域中心空气孔11的无穷维对称性，在液晶5旋转后，两偏振模式折射率曲线会产生偏移，使实际耦合点远离目标耦合点。本发明在外纤芯区域3内设置18个空气孔31，缩小直径并填入液晶5，从结构对称性和模式耦合两方面减小液晶旋转后由于光纤x、y方向上的差异带来的两折射率曲线翻转后的移动。同时，由于中心空气孔11填入液晶5，使内纤芯区域1模式折射率曲线的斜率变大，保证了在液晶5旋转后，外纤芯区域3的模式折射率曲线虽然移动，但耦合波长移动较小。由图2仍可以看出，由于本方案的设计，外纤芯区域3在液晶5旋转后折射率数值偏移量控制在较小范围。

参见图4，给出了液晶5在0°时的x偏振模式和液晶在90°时的y偏振模式的色散值曲线，液晶5角度为0°时内外纤芯区域的x偏振模式在1550nm处发生能量耦合，在1550nm处得到-16040.3ps/(nm·km)的负色散，液晶5角度为90°时内外纤芯区域的y偏振模式在1562nm处发生能量耦合，在1550nm处仍存在较大负色散值，为-12354.2ps/(nm·km)。

本方案在内纤芯区域1产生1.376×10^-1的双折射；液晶5角度为0°时，在外纤芯区域3产生7.344×10^-3的双折射；液晶5角度为90°时，在外纤芯区域3产生5.068×10^-3的双折射。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种保偏色散补偿微结构光纤，该微结构光纤由石英作为基底材料，所述微结构光纤包括内纤芯区域和由内至外依次呈正六边形排列包裹在内纤芯区域外层的内包层空气孔、外纤芯区域和外包层空气孔，所述内包层空气孔由两层呈正六边形排列的空气孔构成，孔数分别为6个和12个，所述外纤芯区域是由空气孔与周围石英共同组成的C6v对称性结构，所述外包层空气孔由两层呈正六边形排列的空气孔构成，孔数分别为24个和30个，所述空气孔的孔间距Λ为1.27~1.29μm，所述内包层和外包层空气孔大小相同，孔直径d2为0.91Λ~0.93Λ，所述液晶为E7液晶，其特征在于：所述内纤芯区域是由中心空气孔与周围石英共同组成的C6v对称性结构，且所述中心空气孔与外纤芯区域空气孔内均填充有液晶。

2.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述中心空气孔的直径d1为0 .76Λ~0 .78Λ。

3.根据权利要求1所述的一种保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述外纤芯区域空气孔由一层呈正六边形排列的空气孔构成，孔数为18个，孔直径d3为0.59Λ~0.61Λ。

Images