CN113189697B - 一种硫系高双折射十边形光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

一种硫系高双折射十边形光子晶体光纤，属于光纤技术领域。该硫系高双折射十边形光子晶体光纤，以硫系玻璃作为基底材料，椭圆空气孔形成内包层，在内包层外周还设置有外包层；内包层为两种不同椭圆率的椭圆空气孔组成，每种椭圆率的椭圆空气孔为2个，不同椭圆率的椭圆空气孔呈交替排列，每个椭圆的长轴方向相同；外包层为数层圆空气孔组成，每层圆空气孔均按正十边形排列。该光纤通过引入中心区域四个椭圆空气孔，能够更好的破坏光纤端面结构的对称性，从而获得较高的双折射，同时减小了光纤的有效模场面积。该光纤，可以减少偏振方向的耦合，提高保偏的效果。

Description

一种硫系高双折射十边形光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，设计了一种硫系高双折射十边形光子晶体光纤。
背景技术
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)是一种有缺陷的二维光子晶体，其包层结构通常是由沿着光纤轴向规律分布的空气孔和以石英、软玻璃等为基底材料组成的周期结构，纤芯是由空气孔、纯基底材料或者填充的功能型材料所组成的缺陷结构。PCF灵活可调的结构可以实现传统光纤难以实现的特性：如无截止的单模传输特性、高非线性、高双折射特性等。
传统保偏光纤通常是在光纤制作过程中出现扭转、弯曲、外场及应力等因素引起的，其双折射一般在10-5-10-4量级。而PCF主要是通过破坏结构的对称性获得高双折射，比如增大纤芯附近的空气孔直径，在纤芯或者包层引入椭圆孔、矩形孔，改变光纤空气孔排列方式，双折射可达到10-3-10-2量级。除此之外，利用亚碲酸盐玻璃、软玻璃及硫系玻璃等非石英玻璃代替石英材料作为PCF的基底材料并引入非对称结构可以获得更高的双折射，其数量级可以达到10-2到10-1量级。相比传统光纤，高双折射PCF具有更高的双折射、更灵活的设计结构、更宽的单模传输范围、以及温度稳定性更高等优越性能，使其在保偏光纤、光纤传感、偏振型光纤器件等领域有极其广发的应用前景。
2014年印度维特大学Revathi等人在PCF结构中加入了椭圆气孔，将其称之为螺旋形PCF，首次出现双折射达到10-2量级。
2016年，中国科学院韩杰等人提出由填充碲酸盐玻璃椭圆形纤芯、外包层是矩形排列的圆空气孔和八角形排列的圆空气孔组成的HC-PCF，双折射值达到了0.119，非线性系数为3.42W-1·m-1。
2018年chen等人提出了空气孔以非周期性排列所构成的光子准晶体光纤，该光纤纤芯具有可控双折射功能，波长为1550nm时双折射达到1.5×10-2。同年，Jianfei Liao等人设计了4层包层空气孔的双芯光纤，其双折射为2.93×10-2，非线性系数为14.3W-1·km-1。
2020年孟加拉国Rajshahi工程技术大学Amit Halder提出了基于纯熔融石英材料的HyDCF)。在包层中加入2个六边形、4个八角形圆空气孔环，组成复合PCF，引入缺陷的内芯以实现高双折射。在1550nm处双折射为3.769×10-2。
发明内容
本发明提供了一种硫系高双折射十边形光子晶体光纤，该硫系高双折射十边形光子晶体光纤是一种具有高双折射、小模场面积、高非线性等特点的光子晶体光纤，该光纤结构以硫系玻璃作为基底材料，外包层是数层圆空气孔十边形结构，内包层由两种不同椭圆率的椭圆空气孔组成，得到的硫系高双折射十边形光子晶体光纤能够提高光子晶体光纤器件在保偏方面上的性能。
本发明的一种硫系高双折射十边形光子晶体光纤，以硫系玻璃作为基底材料，椭圆空气孔形成内包层，在内包层外周还设置有外包层；
内包层为两种不同椭圆率的椭圆空气孔组成，每种椭圆率的椭圆空气孔为2个，不同椭圆率的椭圆空气孔呈交替排列，每个椭圆的长轴方向相同；
外包层为数层圆空气孔组成，数层优选为3-5层，更优选为四层，每层圆空气孔均按正十边形排列。
进一步的，硫系玻璃为硫族元素S、Se、Te和其他元素形成的玻璃中的一种，优选为As2Se3玻璃、或As2S5玻璃，更优选为As2Se3玻璃。
进一步的，硫系高双折射十边形光子晶体光纤的截面结构呈中心对称。
进一步的，每个椭圆空气孔的长轴方向和外包层的每层圆空气孔形成的正十边形的其中一条对角直径垂直，并且每层圆空气孔形成的正十边形沿椭圆空气孔的长轴呈轴对称。
进一步的，两种不同椭圆率的椭圆空气孔中，第一椭圆空气孔的椭圆率<第二椭圆空气孔的椭圆率，两种椭圆空气孔的椭圆率差值为0.1～0.6，更优选为0.5。
进一步的，两个第二椭圆空气孔的长轴位于同一条直线上，两个第一椭圆空气孔短轴位于同一条直线上，并且第二椭圆空气孔长轴连线和第一椭圆空气孔短轴连线垂直。
作为优选，第二椭圆空气孔，其长轴为a1＝1.2μm、短轴为b1＝0.4μm，第二椭圆空气孔的孔间距为Λ1＝1.9μm。
第一椭圆空气孔，其长轴为a0＝2μm、短轴为b0＝0.8μm，第一椭圆空气孔的孔间距为Λ0＝1.4μm。
进一步的，外包层中，数层圆空气孔形成的数层正十边形的每个对角连线位于同一条直线上。
进一步的，以靠近内包层外周的一层圆空气孔设置为第一层圆空气孔，以第一层圆空气孔形成的正十边形的半径为Λ，其相邻的一层圆空气孔形成的正十边形的半径为2Λ，依次类推，最后一层圆空气孔形成的正十边形的半径为NΛ，N为外包层包括的圆空气孔的层数，其中Λ优选为Λ＝2μm。
进一步的，每层正十边形之间的层间厚度为Λ。
进一步的，外包层中，每个圆空气孔的直径均相同，其直径记为D，作为优选，D＝1μm。
本发明的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其在1550nm的波长处的双折射值为8.73×10-2～8.99×10-2，X偏振态有效模场面积为0.461μm2～0.466μm2，Y偏振态有效模场面积为0.459μm2～0.47μm2。
本发明的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其在1550nm的波长处，X偏振态的非线性系数为199.89m-1·W-1～202.05m-1·W-1，Y偏振态的非线性系数为198.25m-1·W-1～203.22m-1·W-1。
本发明所设计的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，和现有光纤技术相比，优点在于：
本发明通过引入中心区域四个椭圆空气孔，能够更好的破坏光纤端面结构的对称性，从而获得较高的双折射，同时减小了光纤的有效模场面积。本发明所设计的光纤，可以减少偏振方向的耦合，提高保偏的效果。
本发明实现了高双折射效应，在1550nm的波长处的双折射值达到了8.99×10-2，接近10-1的数量级，该数值比现有的光纤更加优异。
在具备高双折射系数的同时，该光纤还具有小模场面积的特点，可以用于光纤陀螺方面的研究。
由于该基底材料为硫系玻璃As2Se3，相比与石英材料具有较高的非线性折射率系数，同时在小模场面积的影响下，在1550nm的波长处X、Y偏振态的非线性系数分别为199.89m-1·W-1和198.25m-1·W-1。可应用于非线性光学领域。
附图说明
图1是本发明具体实施例中硫系高双折射十边形光子晶体光纤结构横截面示意图。
图中：1-基底材料；2-外包层中圆空气孔；3-内包层中第二椭圆空气孔；4-内包层中第一椭圆空气孔；Λ-每层正十边形之间的层间厚度；D-圆空气孔直径；a0-第一椭圆空气孔的长轴；b0-第一椭圆空气孔的短轴；a1-第二椭圆空气孔的长轴；b1-第二椭圆空气孔的短轴；Λ0-第一椭圆空气孔孔间距；Λ1-第二椭圆空气孔孔间距。
图2为具体实施例中硫系高双折射十边形光子晶体光纤两个偏振态有效折射率及双折射值随波长变化关系图。
图3为具体实施例中硫系高双折射十边形光子晶体光纤两个偏振态的非线性系数随波长变化关系图。
图4为对比例2中硫系十边形光子晶体光纤的结构横截面示意图。
图5为对比例3中硫系十边形光子晶体光纤的结构横截面示意图。
图6为对比例4中硫系十边形光子晶体光纤的结构横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。以下实施例仅仅用于对本发明的解释说明。本发明并不局限于该实施例。
图1是实施例硫系高双折射十边形光子晶体光纤的截面图。该光纤的基底材料1是硫系玻璃As2Se3，外包层是由四层圆空气孔十边形结构，内包层由两种不同椭圆率的椭圆空气孔组成。外包层每个圆空气孔2的直径均相同，其直径记为D，以靠近内包层外周的一层圆空气孔设置为第一层圆空气孔，以第一层圆空气孔形成的正十边形的半径为Λ，其相邻的一层圆空气孔形成的正十边形的半径为2Λ，依次类推，最后一层圆空气孔形成的正十边形的半径为4Λ。每层正十边形之间的层间厚度也是Λ。内包层为两种不同椭圆率的椭圆空气孔组成，每种椭圆率的椭圆空气孔为两个，不同椭圆率的椭圆空气孔呈交替排列，每个椭圆的长轴方向相同，第二椭圆空气孔3，第一椭圆空气孔4，其中，第二椭圆空气孔的长轴为a1、短轴为b1，第二椭圆空气孔间距为Λ1。第一椭圆空气孔的长轴为a0、短轴为b0，第一椭圆空气孔间距为Λ0。
本发明采用全矢量有限元法并结合完美匹配层边界吸收条件进行理论计算，得到实施例硫系高双折射十边形光子晶体光纤的双折射特性以及非线性特性。本实施例中选定硫系高双折射十边形光子晶体光纤结构参数：第一椭圆空气孔间距Λ0＝1.4μm、第二椭圆空气孔间距Λ1＝1.9μm，第一椭圆空气孔长轴a0＝2μm、短轴为b0＝0.8μm，第二椭圆空气孔长轴为a1＝1.2μm、短轴为b1＝0.4μm，外包层中每层圆空气孔形成的正十边形层间厚度Λ＝2μm、圆空气孔直径D＝1μm。图2和图3是由上述参数所得的变化图。观察图2可知该实施例光纤两个偏振态的有效折射率随波长的增大而减小，双折射随着波长的增大而增大，在1550nm的波长处的双折射值达到8.99×10-2。和已有的光纤技术相比，双折射值提高了1～2个数量级，减少了两偏振态传输信号时耦合作用，提高了保偏的性能。图3可观察在1550nm的波长下X偏振态的非线性系数γ达到了199.89m-1·W-1，Y偏振态非线性系数γ达到了198.25m-1·W-1，说明该实施例光纤结构具有高非线性特性。可应用于非线性光学领域中。
实施例2
一种硫系十边形光子晶体光纤，同实施例1，不同之处在于基底材料换成了硫系玻璃As2S5，同样能得到较高的双折射，但相较于As2Se3，As2S5的折射率与空气孔折射率差值较小，在纤芯中束缚能量的能力较弱。
实施例3
一种硫系十边形光子晶体光纤，同实施例1，不同之处在于外包层为3层圆空气孔组成的正十边形，得到的硫系玻璃十边形光子晶体光纤在1550nm的波长处的双折射值为8.99×10-2。
对比例1
一种石英玻璃十边形光子晶体光纤，同实施例1，不同之处在于，采用石英玻璃为基底，其他和实施例1相同，得到的石英玻璃十边形光子晶体光纤由于光纤纤芯面积过小、基底材料石英和空气的折射率之差有限，在1550nm的波长处基模无法很好的约束在纤芯内。
对比例2
一种硫系十边形光子晶体光纤，其结构横截面示意图见图4，同实施例1，不同之处在于，内包层的两种不同椭圆率的椭圆空气孔不是交替排列，其长轴均垂直于X轴，其中，两个相对小的椭圆率为3的第二椭圆空气孔远离X轴且短轴连线和X轴平行，两个相对大的椭圆率为2.5的第一椭圆空气孔靠近X轴且短轴连线和X轴平行，非中心对称，其他和实施例1相同，得到的硫系十边形光子晶体光纤由于结构特殊，无法形成单一纤芯的基模。
对比例3
一种硫系十边形光子晶体光纤，其结构横截面示意图见图5，同实施例1，不同之处在于，内包层的两种不同椭圆率的椭圆空气孔不是交替排列，其长轴均垂直于X轴，其中，两个相对小的椭圆率为3的第二椭圆空气孔的长轴连线垂直于X轴，两个相对大的椭圆率为2.5的第一椭圆空气孔长轴连线垂直于X轴，非中心对称，其他和实施例1相同，得到的硫系十边形光子晶体光纤在1550nm的波长处的双折射值为2.48×10-2。并且由于内包层左右两侧的占空比不同了，基模未能在光纤中心传输。
对比例4
一种硫系十边形光子晶体光纤，其结构横截面示意图见图6，同实施例1，不同之处在于，内包层的两种不同椭圆率的椭圆空气孔是交替排列，呈中心对称，但是仅两个相对大的椭圆率为2.5的第一椭圆空气孔长轴垂直于X轴，两个相对小的椭圆率为3的第二椭圆空气孔的长轴平行于X轴，其他和实施例1相同，得到的硫系十边形光子晶体光纤在1550nm的波长处的双折射值为6.19×10-2。
以上所述仅为本发明的一种实施例，不是全部或唯一的实施例，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均落入本发明的权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其特征在于，该硫系高双折射十边形光子晶体光纤是以硫系玻璃作为基底材料，椭圆空气孔形成内包层，在内包层外周还设置有外包层；
内包层为两种不同椭圆率的椭圆空气孔组成，每种椭圆率的椭圆空气孔为2个，不同椭圆率的椭圆空气孔呈交替排列，每个椭圆的长轴方向相同；
外包层为数层圆空气孔组成，数层选用3-5层，每层圆空气孔均按正十边形排列；
两个第二椭圆空气孔的长轴位于同一条直线上，两个第一椭圆空气孔短轴位于同一条直线上，并且第二椭圆空气孔长轴连线和第一椭圆空气孔短轴连线垂直；
其中，第一椭圆空气孔间距Λ0＝1.4μm、第二椭圆空气孔间距Λ1＝1.9μm，第一椭圆空气孔长轴a0＝2μm、短轴为b0＝0.8μm，第二椭圆空气孔长轴为a1＝1.2μm、短轴为b1＝0.4μm；
硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其在1550nm的波长处的双折射值为8.73×10-2～8.99×10-2，X偏振态有效模场面积为0.461μm2～0.466μm2，Y偏振态有效模场面积为0.459μm2～0.47μm2。
2.根据权利要求1所述的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其特征在于，硫系玻璃为硫族元素S、Se、Te和其他元素形成的玻璃中的一种。
3.根据权利要求1所述的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其特征在于，硫系高双折射十边形光子晶体光纤的截面结构呈中心对称。
4.根据权利要求1所述的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其特征在于，每个椭圆空气孔的长轴方向和外包层的每层圆空气孔形成的正十边形的其中一条对角直径垂直，并且每层圆空气孔形成的正十边形沿椭圆空气孔的长轴呈轴对称。
5.根据权利要求1所述的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其特征在于，两种不同椭圆率的椭圆空气孔中，第一椭圆空气孔的椭圆率<第二椭圆空气孔的椭圆率，两种椭圆空气孔的椭圆率差值为0.1～0.6。
6.根据权利要求1所述的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其特征在于，外包层中，数层圆空气孔形成的数层正十边形的每个对角连线位于同一条直线上。
7.根据权利要求1所述的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其特征在于，以靠近内包层外周的一层圆空气孔设置为第一层圆空气孔，以第一层圆空气孔形成的正十边形的半径为Λ，其相邻的一层圆空气孔形成的正十边形的半径为2Λ，依次类推，最后一层圆空气孔形成的正十边形的半径为NΛ，N为外包层包括的圆空气孔的层数，每层正十边形之间的层间厚度为Λ；外包层中，每个圆空气孔的直径均相同。
8.根据权利要求1所述的硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其特征在于，硫系高双折射十边形光子晶体光纤，其在1550nm的波长处，X偏振态的非线性系数为199.89m-1·W-1～202.05m-1·W-1，Y偏振态的非线性系数为198.25m-1·W-1～203.22m-1·W-1。
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