CN111273393A - 具有高二阶非线极化率的四芯光纤热极化结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高二阶非线极化率的四芯光纤热极化结构，本发明采用四芯双孔光纤，四根独立光纤芯以正方形的形式排列并近似位于正方形的四个边角上，四个纤芯共享同一个包层，包层折射率低于纤芯的折射率，每个纤芯作为一个独立的导模；两个电极孔等距地分布在四个纤芯的两侧，两个电极孔接上相同的外加正电压，使得四个纤芯能同时均匀高效地进行热极化。本发明相对于现有的光纤热极化结构具有更高的二阶非线系数极化率，仿真模拟得到纤芯的二阶非线性系数高达0.46pm/V,是现有最优热极化结构系数的2.1倍。

Description

具有高二阶非线极化率的四芯光纤热极化结构
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，涉及一种可应用于传感、电场检测、全光纤开关、频率转换器、纠缠光子对等领域的具有高二阶非线极化率的四芯光纤热极化结构。
背景技术
石英玻璃结构的反演对称性决定了它不具有二阶非线性，热极化技术可以打破这种结构的对称性，进而诱导出稳定的二阶非线性。它的主要步骤是：将样品加热到250-300℃，同时给样品施加3-5kV的直流高电压，极化时间持续几分钟或者几个小时后，保持高电压作用，将样品冷却至室温后移除电压。
在热极化过程中，非线性层内产生的内建电场会记录在石英玻璃中，内建电场与光纤本身固有的三阶非线性极化率耦合成二阶非线性极化率，即χ(2)＝3c(3)Erec,Erec为内建电场。
根据黄琳等人的研究工作表明，纤芯距离阳极越近或距离阴极越远时，它的内建电场就越强。目前，最优的热极化方式是由W. Margullis等人提出的双阳极单芯光纤热极化结构(光纤表面接地)，它相对于传统的单阳极单阴极光纤结构得到的系数更高更稳定，是传统模型的1.5-2倍，极化系数可达0.21pm/V，但这个系数远小于石英玻璃热极化的二阶非线性系数，极大程度地限制了它在非线性光学中的应用。
提出多芯光纤的最初目的是为了能在降低光纤光缆的制造成本下继而开发高密集度数多芯光缆。四芯光纤除了能用于制作高密度光缆外，在光纤传感领域以及光纤通讯中还具有许多其他的用途，例如利用四芯光纤进行能量泵浦,制造更大功率的光纤激光器。由上述可见，可以根据热极化光纤内建电场的分布特征以及四芯光纤的优良特性提出新型的四芯光纤热极化结构，这种结构为光纤高效热极化带来了极大的可能性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种新型的光纤热极化结构，使得光纤热极化的二阶非线系数得以提高。
为实现上述目的，本发明采用的结构方案为：
具有高二阶非线极化率的四芯光纤热极化结构，采用四芯双孔光纤，四根独立光纤芯以正方形的形式排列并近似位于正方形的四个边角上，四个纤芯共享同一个包层，包层折射率低于纤芯的折射率，每个纤芯作为一个独立的导模；两个电极孔等距地分布在四个纤芯的两侧，两个电极孔接上相同的外加正电压，使得四个纤芯能同时均匀高效地进行热极化。
进一步说，所述的纤芯半径为4.1μm，包层半径为62.5μm，两电极孔半径均为15μm，两电极孔的距离为15μm～30μm，包层材料的折射率为1.4444，纤芯折射率为1.4502。
进一步说，所述的纤芯与电极孔的圆心距离为22.1μm，纤芯与电极孔的最短边缘距离为3μm。
进一步说，所述的纤芯与电极孔的圆心的连线设为A，则连线A 与水平线的夹角绝对值为25°。
本发明相对于现有的光纤热极化结构具有更高的二阶非线系数极化率，仿真模拟得到纤芯的二阶非线性系数高达0.46pm/V,是现有最优热极化结构系数的2.1倍，该系数的增大极大地推动了光纤在二阶非线性光学上的应用，在热极化光纤道路上具有里程碑的意义。
附图说明
附图1为四芯光纤热极化结构的横截面示意图；
附图2为四芯光纤热极化结构的基模电场能量图；
附图3为四芯光纤热极化二阶非线性极化率(电场x分量)效果图。
具体实施方式
以下实施例进一步阐述本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
本发明中的四芯双孔光纤的四根独立光纤芯以正方形的形式排列并近似位于正方形的四个边角上，四个纤芯共享同一个包层，包层折射率低于纤芯的折射率，此时每个纤芯都可以作为一个独立的导模；两个电极孔等距地分布在四个纤芯的两侧，两个电极孔接上相同的外加正电压，使得四个纤芯能同时均匀高效地进行热极化。
本发明中考虑放置电极孔金属丝的材料，不同的电极材料会因趋肤效应而产生不同的传输损耗以及模式色散。经过理论设计和模拟仿真验证后，选用镍铬钛合金丝作为电极孔材料。设计两电极孔的距离为15μm～30μm，确保两电极孔能正常地进行热极化，不发生电极击穿，两电极孔边沿水平方向相距应大于安全距离。
实施例：
四芯光纤的热极化结构的横截面如附图1所示。四芯光纤的四根独立光纤芯以正方形的形式排列，并近似的位于正方形的四个边角上；根据Sellmeier色散公式，设定本实施例中包层材料的折射率为 1.4444，纤芯折射率为1.4502；纤芯半径为4.1μm，包层半径为62.5 μm，两电极孔半径均为15μm。
考虑到阳极孔极化的范围通常只在距离阳极表面3-8μm处，为了得到有效的更高的二阶非线性系数，本实施例设定纤芯与电极孔的圆心距离为d＝22.1μm，两者的最短边缘距离为3μm，两阳极相对坐标原点对称分布。从热极化光纤的内建电场的分布特征可知，当纤芯距离阳极越近或距离阴极越远时(光纤表面接地)电场就越大，因此本实施例设定纤芯从水平方向相对电极孔旋转25°分布在正方形的四个边角上。
又考虑到平行波导可能会发生信道之间的串扰以及插入损耗，经过模拟仿真，本实施例确定纤芯相距横纵坐标轴的垂直距离均为 d*sin25°，即纤芯间的圆心距为2d*sin25°(约18.68μm)。电极孔圆心相距原点距离为d*cos25°+d*sin25°，这一距离刚好可以确保热极化顺利进行，避免两电极孔因相距过近而造成电极击穿。为了确保四芯光纤能够满足实际的光路传输要求，本实施例利用仿真软件模拟四芯光纤在1550nm入射光下基模的电场能量分布，如图2所示，从图中可以看到四个纤芯都能均衡地传输光，因此说明本实施例提出的新型结构满足实际的应用要求。
再者，考虑到电极金属丝需手动植入电极孔这一实际操作条件以及电极金属丝材料会因趋肤效应而产生不同的传输损耗以及模式色散，本实施例确定电极孔材料为镍铬钛合金丝。
此后将样品加热到250℃，同时给两电极孔施加5kV的直流高电压，光纤外表面接地，极化时间持续6600s后，保持高电压作用，将样品逐渐冷却至室温后移除电压，此时完成四芯光纤的热极化。由于纤芯的电场y轴方向比x轴方向小一个数量级，因此这里只分析二阶非线性系数在x轴方向的演化。随着时间的推移，非线性层逐渐从阳极表面向外扩展，直至把纤芯完全覆盖，如图3所示，光纤在6600s 完成热极化，此时得到的二阶非线系数极化率高达0.46pm/V，约是现有热极化结构系数的2.1倍。
以上所述仅为本方案结构的具体实施例，但本方案的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (4)

1.具有高二阶非线极化率的四芯光纤热极化结构，采用四芯双孔光纤，其特征在于：四根独立光纤芯以正方形的形式排列并近似位于正方形的四个边角上，四个纤芯共享同一个包层，包层折射率低于纤芯的折射率，每个纤芯作为一个独立的导模；两个电极孔等距地分布在四个纤芯的两侧，两个电极孔接上相同的外加正电压，使得四个纤芯能同时均匀高效地进行热极化。
2.根据权利要求1所述的具有高二阶非线极化率的四芯光纤热极化结构，其特征在于，所述的纤芯半径为4.1μm，包层半径为62.5μm，两电极孔半径均为15μm，两电极孔的距离为15μm～30μm，包层材料的折射率为1.4444，纤芯折射率为1.4502。
3.根据权利要求2所述的具有高二阶非线极化率的四芯光纤热极化结构，其特征在于，所述的纤芯与电极孔的圆心距离为22.1μm，纤芯与电极孔的最短边缘距离为3μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的具有高二阶非线极化率的四芯光纤热极化结构，其特征在于，所述的纤芯与电极孔的圆心的连线设为A，则连线A与水平线的夹角绝对值为25°。
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