CN112363269A - 一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光子准晶光纤，具体涉及一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤，光纤包层上分布有八重型光子准晶结构排布的第一空气孔，在第二层、第三层和第四层所构成的每个菱形区域内嵌入了一个直径小于第一空气孔的第二空气孔，在光纤纤芯区域周围分布有6个圆形空气孔，包括2个直径小于第二空气孔的第三空气孔和4个直径小于第三空气孔的第四空气孔，且这2个第三空气孔与纤芯处的虚拟椭圆相切；光纤以Ge20Sb15Se65玻璃为基底材料。该准晶体光纤在包层处插入八个半径较小的空气孔，使得限制损耗更低；该光子准晶光纤采用全圆空气孔，制作难度大大降低，在实现高双折射的同时保持了低限制损耗的特点。

Description

一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤
技术领域：
本发明涉及一种光子准晶光纤，具体涉及一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤。
背景技术：
高双折射光子准晶光纤在保持光纤模式偏振态的作用上效果显著，在光纤传感、光通信、精密光学仪器等领域具有广阔的应用前景。商用保偏光纤的双折射大小约为10-4。为了提高双折射，研究人员利用光子晶体光纤(PCF)设计了高双折射光纤，光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)是其横截面的空气孔排列呈平移周期性的二维晶体结构，在通信波长双折射上达到10-2，与晶体结构相比，准晶体结构的格点排列具有旋转对称和长程指向性，是由一个正方形和一个正三角形或菱形和一个正方形组成的基本单元旋转而来的，可以得到具有6重，8重，10重，12重等多重准晶结构,还会出现2次和3次对称轴,甚至可能出现4次和6次对称轴。研究表明，准晶体结构光纤(photonic quasi-crystal fiber，PQF)具有普通光纤和传统光子晶体光纤所不具备的一些优良传输特性,比如,对单模操作具有较大的截止孔径比、近零的超平坦色散、两个低损耗波导的光子带隙、较大的负色散、较大的模场面积等。
近几年来，为了提高设计结构的双折射，研究人员采用了多种不同的方法去提高双折射，比如在纤芯处采用高折射率的椭圆纤芯，例如在2018年S.Maheswaran采用了在纤芯插入一个用碲酸盐玻璃为材料的椭圆芯来获得高双折射。在纤芯周围采用不同形状的空气孔，也有的结构采用高折射率的材料替代二氧化硅作为基底来获得高双折射，例如以ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF(ZBLAN)的光子准晶光纤，并且改变纤芯左右两侧圆形空气孔为柚子型空气孔，用两种方式来获取高双折射。也有很多结构采用不同形状的空气孔来增加结构的非对称性来获得高双折射，比如在包层采用椭圆空气孔或者菱形空气孔，也有一些研究人员在纤芯处插入椭圆形空气孔等方式来获得高双折射。但是这样在制作方面难度就会大大的提高，相对于其他类型空气孔排列的高双折射光纤，针对用全圆空气孔制作而成的高双折射光纤具有很大的意义。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤，在保持双折射的同时模场分布集中，在制作难度上有了极大的改善。采用了全圆空气孔而且空气孔排列具有严格的对称性；该准晶体光纤在包层处空气孔排列采用八重准晶体结构；该准晶体光纤在包层处插入八个半径较小的空气孔，使得限制损耗更低；该准晶体光纤在纤芯处空气孔对称排列，制造类椭圆的纤芯，使双折射得到大大的增强；在传感通讯方面具有较高的应用前景。
本发明采用的技术方案为：一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤，所述光子准晶光纤包层上分布有八重Penrose型光子准晶结构排布的第一空气孔，其中在第二层、第三层和第四层所构成的每个菱形区域内嵌入了一个直径小于第一空气孔的第二空气孔，在光纤纤芯区域周围分布有6个圆形空气孔，所述6个圆形空气孔包括2个直径小于第二空气孔的第三空气孔和4个直径小于第三空气孔的第四空气孔，且这2个第三空气孔与纤芯处的虚拟椭圆相切；所述光子准晶光纤以Ge20Sb15Se65玻璃为基底材料。
进一步地，所述光子准晶光纤的直径为14μm，所述第一空气孔的直径d1为1.58μm，第二空气孔的直径d2为1.3μm，第二空气孔的中心到光纤中心的距离为3.65μm，所述第三空气孔的直径d3为1.1μm，第四空气孔的直径d4为0.66μm；所述虚拟椭圆的长半轴b为1.34μm，其短半轴a为0.2μm；该结构的优化参数分别是d1，d2，d3，d4；第四空气孔的中心坐标为[±0.46,±0.835]，第三空气孔的中心坐标是[±(a+d3/2),0]，通过对参数的优化得到最优值。
进一步地，所述八重Penrose型光子准晶结构的晶格常数Λ为2.13μm。
进一步地，光纤包层上分布有八重Penrose型光子准晶结构排布的第一空气孔，其中在第二层、第三层和第四层所构成的每个菱形区域内嵌入了一个直径较小第二空气孔，第二空气孔的位置固定；所述虚拟椭圆的虚拟短半轴长度为a，长半轴长度为b，与虚拟椭圆相切圆的直径变化不会影响虚拟椭圆大小的变化；光纤的背景材料为Ge20Sb15Se65，一种商用的玻璃，具有良好的玻璃成型能力，光纤为折射率引导型光纤；在包层和纤芯周围所用的空气孔均为圆形空气孔，虚拟椭圆周围区域圆第三空气孔与椭圆相切，确保单一变量原则。
本发明的有益效果：提供了一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤，弥补和改善了现有技术的不足之处。由于纤芯处的两个大圆和四个小圆的特殊排布使得该光纤在通讯波长1.55μm处可以获得极高的双折射。在八重准晶体光纤的包层处插入的八个旋转对称的空气孔的作用下，也可以得到较低的限制损耗。全圆形的空气孔，相对于其他类型的光纤在获得高双折射的同时也大大的降低了制作难度。主要优点如下：
(1)、高双折射低限制损耗光子准晶光纤采用圆形空气孔极大的降低制作难度；
(2)、高双折射低限制损耗光子准晶光纤中插入的空气孔在波段1410到1690nm极大的降低了限制损耗。X方向基模的损耗小于10-3dB/m并且在Y方向基模的损耗小于10-6dB/m；
(3)、高双折射低限制损耗光子准晶光纤在通讯波段1550nm处获得了0.133的高双折射；
(4)、高双折射低限制损耗光子准晶光纤，其椭圆形虚拟纤芯的引入使得优化结构时确保单一变量原则；
(5)、高双折射低限制损耗光子准晶光纤直径为7μm，更适合微型传感通讯设备。
附图说明：
图1是本发明中光子准晶光纤的横截面示意图；
图2是本发明中光子准晶光纤纤芯周围空气孔的排布示意图；
图3是本发明中第一空气孔构成的八重Penrose型准晶体结构基本图；
图4是本发明中构成八重Penrose型准晶体结构的基本结构单元图；
图5是本发明中光子准晶光纤双折射和第一空气孔直径d1的关系图；
图6是本发明中光子准晶光纤X方向限制损耗和第一空气孔直径d1的关系图；
图7是本发明中光子准晶光纤Y方向限制损耗和第一空气孔直径d1的关系图；
图8是本发明中光子准晶光纤双折射和第二空气孔直径d2的关系图；
图9是本发明中光子准晶光纤X方向限制损耗和第二空气孔孔直径d2的关系图；
图10是本发明中光子准晶光纤Y方向限制损耗和第二空气孔孔直径d2的关系图；
图11是本发明中光子准晶光纤双折射和第三空气孔直径d3的关系图；
图12是本发明中光子准晶光纤X方向限制损耗和第三空气孔直径d3的关系图；
图13是本发明中光子准晶光纤不同d3的X方向限制损耗和第三空气孔直径d3的关系图；
图14是本发明中光子准晶光纤Y方向限制损耗和第三空气孔直径d3的关系图。
图15是本发明中光子准晶光纤双折射和第四空气孔直径d4的关系图；
图16是本发明中光子准晶光纤X方向限制损耗和第四空气孔直径d4的关系图；
图17是本发明中光子准晶光纤Y方向限制损耗谱和第四空气孔直径d4的关系图。
具体实施方式：
参照各图，一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤，所述光子准晶光纤包层上分布有八重Penrose型光子准晶结构排布的第一空气孔1，取其第二、三、四、五层空气孔，其中在第二层、第三层和第四层所构成的每个菱形区域内嵌入了一个直径小于第一空气孔1的第二空气孔2，图3所示，在光纤纤芯区域周围分布有6个圆形空气孔，所述6个圆形空气孔包括2个直径小于第二空气孔2的第三空气孔3和4个直径小于第三空气孔3的第四空气孔4，且这2个第三空气孔3与纤芯处的虚拟椭圆相切；所述光子准晶光纤以Ge20Sb15Se65玻璃为基底材料；所述光子准晶光纤的直径为14μm，所述第一空气孔1的直径d1为1.58μm，第二空气孔2的直径d2为1.3μm，第二空气孔2的中心到光纤中心的距离为3.65μm，所述第三空气孔3的直径d3为1.1μm，第四空气孔4的直径d4为0.66μm；所述虚拟椭圆的长半轴b为1.34μm，其短半轴a为0.2μm；所述八重Penrose型光子准晶结构的晶格常数Λ为2.13μm。
如图1所示，为高双折射低限制损耗光子准晶光纤的横截面图，中心区域是由6个圆形空气孔(2个第三空气孔和4个第四空气孔)围成的一个类椭圆实心区域，其长半轴和短半轴分别是b和a，如图2所示。第一空气孔的分布以八重Penrose型光子准晶结构排列，如图3所示，由相邻的正方形与内角为45°和135°的菱形构成，如图4所示。所述光纤的背景材料为Ge20Sb15Se65，其折射率由Sellmeier方程确定，空气折射率为1，光纤为折射率引导型光子准晶光纤。
通过仿真软件建立本发明的光纤模型，经过模拟计算，可以得出某一波长下的光子准晶光纤基模有效折射率，该折射率是一个复数，在同一波长下的两个有效折射率实部之差就是双折射值，而虚部的大小则决定了限制损耗的大小。经模拟和计算所得的最优结构(d1＝1.58μm,d2＝1.3μm,d3＝1.1μm,d4＝0.66μm,a＝0.2μm,b＝1.34μm,)。基模的有效折射率和光纤结构对模场的压缩程度有关，光纤结构参数的变化需要引起有效折射率在不同基模的变化差才能引起双折射。
利用有效模式折射率的实部可以求出光纤的双折射：
Figure BDA0002774416380000061
其中，
Figure BDA0002774416380000062
和
Figure BDA0002774416380000063
是同一波长下不同偏振方向上的基模有效折射率，Re表示取有效折射率的实部。根据模式有效折射率的虚部可以求出光纤的限制损耗：
Figure BDA0002774416380000071
这里λ代表入射波长，单位为nm，neff代表基模有效折射率，Im(neff)表示取的是有效折射率的虚部。本发明所用的材料为Ge20Sb15Se65，其折射率和波长的关系由Sellmeier方程得到：
Figure BDA0002774416380000072
其中的常数分别为A＝3.8667,B1＝0.1366,B2＝2.2727,B3＝0.0138,C1＝0.0420,C2＝0.01898,C3＝68.8303.本发明的双折射在通讯波段1.55μm可以达到0.133。同时在波段1.41到1.69μm处，X方向上基模的损耗小于10-3dB/m并且在Y方向上基模损耗小于10-6dB/m。
该光纤双折射的影响因素：
(1)、包层空气孔直径d1和d2大小的影响
当d3＝1.1μm,d4＝0.66μm,a＝0.2μm,b＝1.34μm时，改变半径为d1和d2的包层空气孔大小，其双折射和其直径的关系见图5和图8，其基模限制损耗谱见图6、图7、图9和10。从图中可以看出半径为d1和d2的包层空气孔大小变化并不能引起双折射的变化，这是因为在包层的空气孔变化并不能影响纤芯中的模场分布，也不会引起有效折射率在不同方向的差值，所以包层空气孔大小对双折射影响不大，但是包层空气孔的大小却会引起限制损耗的变化，因为随着半径为d1和d2的包层空气孔直径的变化，会引起包层中占空比的变化，包层空气孔直径越大，则占空比也就越大，限制损耗也就会越小，所以在合理的范围内选择较大的空气孔更能降低光纤的损耗。
(2)、空气孔直径d4的影响
当参数d1＝1.58μm,d2＝1.3μm,d3＝1.1μm,a＝0.2μm,b＝1.34μm时，从图11我们可以看到在固定波长时当纤芯层空气孔直径大小d4变大时，双折射也会变大，这是因为由于纤芯层空气孔直径d4的变大在X方向上的模场被压缩，模场能量逐渐扩散到包层中，但在Y方向上，模场并没有太大的变化，这会产生较大的有效折射率差，导致了双折射变大。同时从图中我们可以看出，固定圆空气孔直径时，波长越大双折射就越大。因为光纤限制损耗主要由包层空气孔的直径决定，所以这里直径为d4的空气孔对光纤限制损耗的影响较小，如图12和图13所示随着直径d4的增大，X偏振基模的损耗增加，Y偏振基模的损耗减小。
(3)、空气孔直径d3大小的影响
从图14我们可以看到在固定波长时，随纤芯层空气孔直径d3变大，双折射也会变大。同时，X方向基模的限制损耗先减小而后增大，而直径d3的变化对Y方向的限制损耗影响较小，如图15、图16和图17所示。
由以上计算分析可知d1＝1.58μm,d2＝1.3μm,d3＝1.1μm,d4＝0.66μm,a＝0.2μm,b＝1.34μm为最优结构参数，在通讯波段1.55μm处产生了0.133的高双折射，高于普通保偏光纤三个数量级，同时在波段1.41-1.69μm处，X偏振基模的损耗小于10-3dB/m，Y偏振基模的损耗小于10-6dB/m。
该光子准晶光纤采用全圆空气孔，制作难度大大降低，同时采用了独特的虚拟椭圆形状的实体纤芯，在合适的位置插入了八个半径较小的空气孔，在实现高双折射的同时保持了低限制损耗的特点。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤，其特征在于：所述光子准晶光纤包层上分布有八重Penrose型光子准晶结构排布的第一空气孔(1)，其中在第二层、第三层和第四层所构成的每个菱形区域内嵌入了一个直径小于第一空气孔(1)的第二空气孔(2)，在光纤纤芯区域周围分布有6个圆形空气孔，所述6个圆形空气孔包括2个直径小于第二空气孔(2)的第三空气孔(3)和4个直径小于第三空气孔(3)的第四空气孔(4)，且这2个第三空气孔(3)与纤芯处的虚拟椭圆相切；所述光子准晶光纤以Ge20Sb15Se65玻璃为基底材料。
2.根据权利要求1所述的一种高双折射低限制损耗光子准晶光纤，其特征在于：所述光子准晶光纤的直径为14μm，所述第一空气孔(1)的直径d1为1.58μm，第二空气孔(2)的直径d2为1.3μm，第二空气孔(2)的中心到光纤中心的距离为3.65μm，所述第三空气孔(3)的直径d3为1.1μm，第四空气孔(4)的直径d4为0.66μm；所述虚拟椭圆的长半轴b为1.34μm，其短半轴a为0.2μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种中高双折射低限制损耗光子准晶光纤，其特征在于：所述八重Penrose型光子准晶结构的晶格常数Λ为2.13μm。
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