CN113671620B - 一种单芯保偏色散补偿微结构光纤 - Google Patents

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Abstract

一种单芯保偏色散补偿微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底材料；包括纤芯，包围纤芯的第一层空气孔，x轴上包层缺陷，y轴上包层缺陷，包层。光纤端面上的空气孔均采用正三角形排列方式；忽略连续3个空气孔形成的实心区域为纤芯；2个x轴上包层缺陷中心均位于x轴上六边形顶角处，每个x轴上包层缺陷包含7个空气孔且与纤芯仅隔1层空气孔；2个y轴上包层缺陷中心均位于y轴上六边形中垂线上与纤芯相隔3层空气孔，每个y轴上包层缺陷包含1个空气孔。本发明中纤芯x和y两偏振方向上光模式在同一波长处均具有绝对值很大的负色散，并且在传输时能够保持长、短轴两偏振光的线偏振态，可以实现均衡补偿前端光纤两偏振光累积的正色散的技术效果。

Description

一种单芯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，尤其涉及一种单芯保偏色散补偿微结构光纤。
背景技术
光纤目前广泛应用于电信、电力、广播等部门的信号传输领域。具有保偏色散补偿特性的光纤，可以保持传输的光信号偏振方向，同时补偿该线偏振态累积的正色散。因此能同时消除偏振模色散和色散的危害，在高速光通信中具有良好的应用前景。
微结构光纤又叫光子晶体光纤，利用此类光纤结构设计灵活的特点，人们设计出了很多具有保偏色散补偿特性的微结构光纤。其中一类方案，光纤采用了同(z)轴双芯结构。比如，王伟和杨骐豪等人的一种保偏色散补偿微结构光纤，通过在中心忽略一个空气孔和减小第三层椭圆形空气孔构成同轴双芯结构。光纤端面上的椭圆形空气孔采用等腰三角形排布方式，综合利用多种模式折射率调节机制，实现外芯的双折射方向与内芯相同。同时，外芯具有与内芯数值大小相匹配的双折射，不仅使内芯具有保偏特性，而且内芯的两个偏振方向都可以在1550nm处实现色散补偿。(王伟，杨骐豪等.一种保偏色散补偿微结构光纤:中国，CN201911121696.2[P].2020-02-14.)又如，王伟和周凡迪等人的一种保偏色散补偿微结构光纤，内芯和外芯区域中的空气孔均填入液晶，使液晶在0°(或90°)时，内、外纤芯区域的x偏振模式(或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，并能改变光纤色散补偿的偏振方向。(王伟，周凡迪等.一种保偏色散补偿微结构光纤:中国，CN201911207733.1[P].2020-03-13.)上述方案均明确利用了内芯和外环芯的模式耦合机理，在内、外芯模式折射率随波长变化曲线斜率具有较大差异的前提下，调整内、外芯模式折射率数值，使两者在某一波长相交，但在其他波长两曲线快速分开。这样，在交点附近就会有强烈耦合而在其他波长耦合较弱，造成仅在交点处内、外芯模式折射率数值突变，进而形成整个模式折射率随波长变化的曲线在该点附近的折变，产生大负色散，并最终实现可对传统单模光纤累积正色散进行补偿的技术效果。冯朝印等人也设计了一种具有高双折射、高负色散特性的同轴双芯结构微结构光纤。该光纤在纤芯左右有两个小空气孔，形成二重旋转对称性的微结构光纤，使内芯模式产生双折射。该论文研究了如何调整光纤结构参数来控制色散特性，但是并未指出是否存在内、外芯的模式耦合。(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.)另外一类常用方案，光纤仍然为多芯结构，但是多个芯并非同(z)轴分布。比如，王伟和杨慢等人设计的一种保偏色散补偿微结构光纤，通过在光纤y方向忽略两个空气孔形成内芯，缩小x方向两个空气孔形成外芯，使内、外芯快慢轴方向相反。综合利用多种技术方案，实现在x偏振态模式具有色散补偿特性的技术效果。(王伟，杨慢等.一种保偏色散补偿微结构光纤:中国，CN202110769340.0[P].)
仅以实现单一色散补偿或者保偏特性为目的，人们也发明了多种类型的微结构光纤。在色散补偿微结构光纤方面，主要是利用了同轴双芯结构下内、外芯模式耦合的机理实现谐振点附近的大负色散。比如，F.
Figure GDA0003595764410000021
等人，赵兴涛等人和张亚妮等人均利用此结构设计得到了通信波段的色散补偿光纤。(
Figure GDA0003595764410000022
F,Auguste J L,Blondy J M.Design ofdispersion-compensating fibers based on a dual-concentric-core photoniccrystal fiber.[J].Optics letters,2004,29(23).Zhao Xingtao,Zhou Guiyao,LiShuguang,Liu Zhaolun,Wei Dongbin,Hou Zhiyun,Hou Lantian.Photonic crystalfiber for dispersion compensation.[J].Applied optics,2008,47(28).张亚妮.低损耗低非线性高负色散微结构光纤的优化设计[J].物理学报，2012，61(08)：261-267.)。在保偏微结构光纤(或者高双折射微结构光纤)方面，主要利用了光纤结构呈C2v对称性时芯内基模的x和y方向偏振态不再简并(x和y偏振态的模式折射率数值的实部不再相等)的特性。其中一种方式是采用呈C6v对称性的正六边形排布(也可以看作呈正三角形排布)空气孔阵列，忽略若干个相邻空气孔形成类长方形芯，使光纤整体对称性降至C2v。比如，娄淑琴等人、G.Statkiewicz等人均通过忽略x方向三个相邻的空气孔，形成类长方形芯区，通过改变纤芯的几何形状来获得高的双折射。(娄淑琴,任国斌,延凤平,简水生.类矩形芯微结构光纤的色散与偏振特性[J].物理学报,2005(03)：1229-1234.)(G.Statkiewicz etal.Birefringent holey fiber with triple defect[J].IEEE,2004,1：350-353)
另外，在保偏微结构光纤基础上，在包层中引入外芯(也可以看作包层的缺陷)，能够利用耦合机理增大某一偏振态模式损耗以滤除此偏振模式，形成单偏振单模微结构光纤。比如，唐子汇设计的一种单偏振单模微结构光纤，通过在中心忽略一个空气孔构建无损耗区域，在x轴右侧忽略三个空气孔构建侧芯芯区形成高损耗区域。令中心芯和侧芯的折射率和斜率匹配，侧芯双折射越大，中心芯和侧芯折射率斜率越匹配单偏振的传输带宽越大，最终实现了单偏振单模传输。(唐子汇.新型双折射微结构光纤的设计[D].南京邮电大学,2015.)又如，Sun-Goo Lee等人的一种单偏振单模微结构光纤，在包层中引入两个较小的空气孔组成包层缺陷。中芯的x偏振模式和外芯模式耦合，抑制不需要的x偏振模式。(Sun-GooLee,Sun Do Lim,Kwanil Lee,Sang Bae Lee.Single-polarization single-modephotonic crystal fiber based on index-matching coupling with a single silicamaterial[J].Optical Fiber Technology,2010,17(1).)
在包层中引入外芯(缺陷)，除了可以滤除高双折射微结构光纤基模的某一偏振态实现单模单偏振效果，还可以用来滤除其他高阶模式。比如，Tanmay Bhowmik等人提出了一种宽带单模微结构光纤，在包层引入小孔形成三个缺陷区域，使内芯的高阶模式与缺陷模式耦合，从而抑制高阶模式，实现单模传输。(Tanmay Bhowmik,Annesha Maity.Design andanalysis of broadband single-mode photonic crystal fiber for transmissionwindows of the telecom wavelengths[J].Optik-International Journal for Lightand Electron Optics,2017,139.)需要说明的是，以上两段中提到的利用包层中引入外芯(缺陷)滤除不需要模式的光纤，均要求外芯模式和拟被滤除的模式的折射率随波长变化曲线的数值和斜率都尽可能接近，以达到宽带工作的效果。
发明内容：
本发明的目的是提供一种在同一波长处，在纤芯x和y两偏振方向上光模式均具有绝对值很大的负色散,并且在该波长传输时能够保持长、短轴两偏振光的线偏振态的微结构光纤。此光纤可以补偿光信号在前端光纤内传输过程中累积的正色散，同时可以保持光信号的线偏振态。为了达到上述技术效果，本发明提供的技术方案同时解决了以下4个技术问题：
(1)纤芯内产生高双折射保持芯内光的线偏振态。
本发明沿六边形某一边长方向忽略连续3个空气孔形成实心区域作为纤芯(记这3个被忽略空气孔位于中间的空气孔圆心为坐标原点，3个圆心的连线所在的轴为x轴，通过原点且与x轴垂直的轴为y轴)；增大包围纤芯的第一层空气孔的直径使其大于包层中空气孔的直径；减小相邻空气孔间距3项技术方案，均会改变纤芯x、y偏振态模式折射率的数值，使其增大或者减小。但是每一项技术方案都会使纤芯中x偏振态模式折射率数值大于y偏振态模式折射率数值。3项技术方案共同作用下，最终使纤芯中x偏振态模式折射率数值远大于y偏振态模式折射率数值，从而产生x方向为慢轴，y方向为快轴的高双折射。同时，上述所有技术方案均会调整纤芯x、y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率，使其绝对值增大或者减小。但是每一技术方案都会使纤芯中x偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。3项技术方案共同作用下，最终使纤芯中x偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值远小于y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。
此外，构建2个结构完全相同的x轴上包层缺陷和2个结构完全相同的y轴上包层缺陷，使其分别关于y轴和x轴对称分布，保持了光纤整体结构的C2v对称性。每个x轴上包层缺陷中包含7个缩小的空气孔且与纤芯仅隔1层空气孔的技术方案，增大了纤芯x偏振态模式折射率的数值。由于2个x轴上包层缺陷构成完全相同且关于y轴对称分布，因此其增大纤芯折射率数值的作用等同。而2个y轴上包层缺陷构成完全相同且关于x轴对称分布，每个y轴上包层缺陷中仅包含1个缩小的空气孔且与纤芯最近距离需要相隔3层空气孔的技术方案，因此2个y轴上包层缺陷几乎不改变纤芯y偏振态模式折射率的数值。从而进一步增大了纤芯的双折射数值。
上述技术方案在纤芯中形成x偏振态模式折射率数值远大于y偏振态模式折射率数值的高双折射，使得光纤纤芯具有良好的偏振保持效果。
(2)x、y轴上包层缺陷内的模式分别与相应的纤芯x、y偏振态模式在相近波长实现折射率数值匹配。
在解决技术问题(1)的同时，若要实现纤芯x、y偏振态模式分别与相应的x、y轴上包层缺陷内的模式在工作波长处发生谐振和强烈能量耦合，产生绝对值很大的负色散，需要使包层中x、y轴上引入的缺陷内的模式折射率分别与相应的纤芯x、y偏振态模式折射率在工作波长附近数值相等(或者称匹配)，这就要求x轴上包层缺陷内的模式折射率数值远大于y轴上包层缺陷内的模式折射率数值，增大了包层缺陷内的模式与纤芯偏振态模式实现折射率数值匹配的难度。
为了解决上述技术问题，本发明在包层中x、y轴方向分别通过不同方式构建了两种包层缺陷：2个x轴上包层缺陷中心位于x轴上六边形顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔，关于y轴对称分布，包含1个中心位于x轴上的空气孔以及围绕该孔的6个空气孔，其直径相等且小于包层中空气孔的直径；2个y轴上包层缺陷中心位于y轴上六边形边长的中垂线上与纤芯相隔3层空气孔，关于x轴对称分布，包含1个空气孔，其直径小于x轴上包层缺陷中空气孔的直径。
但如(1)所述，此种缺陷构成方式增大了纤芯双折射数值(纤芯x偏振态模式折射率数值大于y偏振态折射率数值)，进一步增大了包层缺陷内的模式与纤芯偏振态模式实现折射率数值匹配的难度。但是，本发明的缺陷构成方式又能抵消掉上述不利效果：x轴上包层缺陷包含7个缩小的空气孔而y轴上包层缺陷中仅包含1个缩小的空气孔，所以x轴上包层缺陷的面积大约为y轴上包层缺陷面积的7倍，使得x轴上包层缺陷内的模式折射率数值远大于y轴上包层缺陷内的模式折射率数值。因此，两种包层缺陷的构成方式及其共同作用，在具有增大纤芯双折射(纤芯x偏振态模式折射率数值大于纤芯y偏振态模式折射率数值)效果的同时，其增大x、y轴上包层缺陷内的模式折射率数值差值(x轴上包层缺陷内的模式折射率数值大于y轴上包层缺陷内的模式折射率数值)的技术效果更明显。同时，由于x轴上包层缺陷中心位于六边形的顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔，增大包围纤芯的第一层空气孔直径使其大于包层中空气孔直径的技术方案，不仅减小了纤芯的面积，也减小了x轴上包层缺陷的面积，从而减小了纤芯x、y偏振态与x轴上包层缺陷内的模式折射率的数值。由于纤芯受到10个包围纤芯的第一层空气孔的削弱作用，而x轴上包层缺陷仅受到1个包围纤芯的第一层空气孔的削弱作用，其减小纤芯x、y偏振态模式折射率数值的技术效果更明显。此外，增大(或减小)包层中空气孔的直径和相邻空气孔间距均会减小(或增大)x、y轴上包层缺陷的面积，从而减小(或增大)x、y轴上包层缺陷内的模式折射率的数值。综合上述技术方案，实现了x、y轴上包层缺陷内的模式分别与相应的纤芯x、y偏振态模式在相近波长折射率数值匹配的技术效果，保障了纤芯x、y偏振态模式与x、y轴上包层缺陷内的模式在工作波长附近发生强烈的能量耦合(谐振)。
(3)x、y轴上包层缺陷内的模式分别与相应的纤芯x、y偏振态模式在折射率数值匹配波长附近实现折射率斜率失配。
在解决技术问题(1)和(2)的同时，为了使谐振点及其附近波长处的纤芯x、y偏振态模式折射率的数值发生突变从而产生绝对值很大的负色散，还需要使纤芯x、y偏振态模式折射率曲线分别与相应的x、y轴上包层缺陷内的模式折射率曲线在非谐振波长快速分离以迅速降低纤芯模式与包层缺陷内的模式的能量耦合。为此要使包层中x、y轴上引入的缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于纤芯x、y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值(即斜率失配)。
为解决上述技术问题，缩小但保留x和y方向包层缺陷中的空气孔，会降低包层缺陷内的模式折射率的上限；包层中空气孔的直径小于包围纤芯的第一层空气孔直径，会升高包层缺陷内的模式折射率的下限，这2项技术方案，均会减小x、y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。同时，包层x轴上引入的关于y轴对称的2个缺陷中分别包含7个缩小的空气孔且与纤芯仅隔1层空气孔，增大了纤芯x方向多孔结构的平均折射率，降低了纤芯x偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值；包层y轴上引入的关于x轴对称的2个缺陷中分别包含1个缩小的空气孔且与纤芯最近距离需要相隔3层空气孔的技术方案，几乎不改变纤芯y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。
上述技术方案与(1)中影响纤芯模式折射率曲线斜率的技术方案共同作用下，进一步增大了纤芯x偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值的技术效果。包层空气孔作为围绕纤芯和包层缺陷的多孔结构，其平均折射率决定了纤芯和包层缺陷内的模式折射率具有相同的下限，而增大包围纤芯的第一层空气孔直径使其大于包层中空气孔直径的技术方案，减小了包围纤芯的第一层空气孔与纯石英玻璃基底的平均折射率，降低了纤芯两偏振态模式折射率的下限。由于x轴上包层缺陷中心位于六边形顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔，因此，增大包围纤芯的第一层空气孔直径也会降低x轴上包层缺陷内的模式折射率的下限，同时增大了纤芯与x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。但由于纤芯受到10个空气孔的作用，而x轴上包层缺陷仅受到1个空气孔的作用，其增大纤芯x、y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值的技术效果更明显。上述技术方案共同作用下，在纤芯x、y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率差值很大时，仍然实现了x、y轴上包层缺陷内的模式分别与相应的纤芯x、y偏振态模式在相近波长折射率随波长红移曲线的斜率失配的技术效果。
(4)均衡纤芯x、y偏振态模式在谐振波长处大负色散值的数值。
如(3)所述的技术方案虽然实现了x、y轴上包层缺陷内的模式分别与相应的纤芯x、y偏振态模式在相近波长折射率随波长红移曲线的斜率失配的技术效果，但是本发明纤芯x偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值远小于y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，会带来以下新的技术问题：在谐振点处纤芯x偏振态模式和x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率的差值(或称为斜率失配量)，与纤芯y偏振态模式和y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率的差值，两个数值相差过大。此外，由于x轴上包层缺陷的面积约为y轴上包层缺陷的面积的7倍，会使纤芯x、y偏振态模式与相应的x、y轴上包层缺陷内的模式的耦合强度不一致。最终导致纤芯x、y偏振态模式在谐振波长处的负色散值的数值之间相差过大。
而本发明的构成方案，其自身恰恰又能同时消除上述技术问题，实现纤芯x、y偏振态模式在谐振波长处大负色散值的数值的均衡，方式如下：x轴上的包层缺陷面积约为y轴上包层缺陷面积的7倍、x轴上包层缺陷内的空气孔直径大于y轴上包层缺陷内的空气孔直径2项技术方案，均会使x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。使纤芯x偏振态模式和x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率差值与纤芯y偏振态模式和y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率差值接近(即斜率差匹配)。从而均衡了纤芯x、y偏振态模式与相应的x、y轴上包层缺陷内的模式的耦合强度及纤芯x、y偏振态模式在谐振波长处大负色散值的数值。此外，x轴上的包层缺陷的面积约为y轴上包层缺陷面积的7倍，使x轴上包层缺陷内的模式与纤芯x偏振态模式的耦合强度弱于y轴上包层缺陷内的模式与纤芯y偏振态模式的耦合强度；但是x轴上的包层缺陷中心位于六边形的顶角处，由于y轴上包层缺陷需垂直于x轴上包层缺陷分布，因此y轴上包层缺陷内空气孔的中心必须位于y轴上六边形边长的中垂线上。使得x轴上的包层缺陷与纤芯可以仅隔1层空气孔，包层缺陷距离纤芯近；y轴上包层缺陷中心与纤芯最近距离需要相隔3层空气孔，包层缺陷距离纤芯远。此种缺陷与纤芯的间隔距离又使x轴上包层缺陷内的模式与纤芯x偏振态模式的耦合强度强于y轴上包层缺陷内的模式与纤芯y偏振态模式的耦合强度。部分包层空气孔介于y轴上包层缺陷与纤芯中间，增大(或减小)包层孔的孔径，也会减小(或增大)y轴上包层缺陷内的模式与纤芯y偏振态模式的耦合强度。综合利用上述技术方案，最终实现了纤芯x、y偏振态模式在谐振波长处大负色散值的数值均衡的技术效果。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种单芯保偏色散补偿微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底材料；包括纤芯、包围纤芯的第一层空气孔、x轴上包层缺陷、y轴上包层缺陷和包层五部分；
光纤端面上的空气孔采用相邻空气孔间距为Λ的正三角形排布方式；所述纤芯为沿六边形某一边长方向忽略连续3个空气孔形成的实心区域；所述包围纤芯的第一层空气孔中包含10个直径为d1的空气孔；所述x轴上包层缺陷共有2个，构成完全相同，且关于y轴对称分布：每个x轴上包层缺陷中心均位于x轴上六边形顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔，包含1个中心位于x轴上的空气孔以及围绕该孔的6个空气孔，直径均为d3；所述y轴上包层缺陷共有2个，构成完全相同，且关于x轴对称分布：每个y轴上包层缺陷中心均位于y轴上六边形中垂线上且与纤芯相隔3层空气孔，包含1个中心位于y轴上的空气孔，直径为d4；所述包层中的空气孔直径均为d2；上述四种空气孔直径大小满足：d1﹥d2﹥d3﹥d4。
进一步的，所述相邻空气孔间距Λ的范围为1.64-1.66μm。
进一步的，所述包围纤芯的第一层空气孔直径d1的范围为1.465-1.485μm。
进一步的，所述x轴上包层缺陷包含的空气孔直径d3的范围为0.632-0.652μm。
进一步的，所述y轴上包层缺陷包含的空气孔直径d4的范围为0.339-0.359μm。
进一步的，所述包层中空气孔的直径d2的范围为0.914-0.934μm。
本发明所提出的一种单芯保偏色散补偿微结构光纤，与现有技术相比具有以下有益效果：(1)本发明中纤芯与包层缺陷(芯)联合作用增大了纤芯的双折射数值。本发明忽略x轴上连续3个空气孔，增大包围纤芯的第一层空气孔d1，减小相邻空气孔间距Λ，构成具有C2v对称性的类长方形纤芯，使纤芯中x偏振态模式折射率数值远大于y偏振态模式折射率数值，从而产生x方向为慢轴，y方向为快轴的高双折射。同时，作为包围纤芯的多孔结构的一部分，构建的2个x轴上包层缺陷和2个y轴上包层缺陷，分别关于y轴和x轴对称分布，保持了光纤整体结构的C2v对称性。且x轴上包层缺陷包含7个缩小的空气孔与纤芯仅隔1层空气孔，增大了纤芯x方向多孔结构的平均折射率，进一步增大了纤芯x偏振态模式折射率的数值和纤芯的双折射数值。(2)本发明x方向构成方案可以同时调整纤芯x偏振态和x轴上包层缺陷模式折射率的数值，以实现两者的匹配。本发明x轴上包层缺陷包含的7个空气孔，既是x轴上包层缺陷的芯，又是包围纤芯的多孔结构的一部分。其直径d3小于包层中空气孔直径d2，会同时增大纤芯x偏振态模式和x轴上包层缺陷内的模式的折射率数值，但对x轴上包层缺陷内的模式折射率数值增大作用更明显。包围纤芯的第一层空气孔，既是包围纤芯的多孔结构的一部分，部分空气孔又是包围x轴上包层缺陷的多孔结构的一部分。d1大于d2，会同时减小纤芯x偏振态模式和x轴上包层缺陷内的模式的折射率数值，但对纤芯x偏振态模式折射率数值减小作用更明显。上述技术方案共同作用产生了x轴上包层缺陷内的模式折射率与纤芯x偏振态模式折射率数值在工作波长相等(匹配)的技术效果。(3)本发明的整体构成方案实现了纤芯x、y偏振态模式负色散值在谐振波长数值的均衡。2个x轴上包层缺陷构成完全相同，且关于y轴对称分布，每个x轴上包层缺陷缩小但保留的7个直径为d3的空气孔，作为x轴上包层缺陷的芯，又是包围纤芯的多孔结构的一部分，会同时减小纤芯x偏振态模式与x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，但对x轴上包层缺陷作用更明显。2个y轴上包层缺陷构成完全相同，且关于x轴对称分布，每个y轴上包层缺陷包含1个小空气孔。x轴上包层缺陷面积约为y轴上包层缺陷的7倍、d3大于y轴上包层缺陷内空气孔直径d4的2项技术方案，均会使x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于y轴上包层缺陷。上述技术方案与纤芯快、慢轴方案联合作用，最终形成纤芯x偏振态模式和x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率差值与纤芯y偏振态模式和y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率差值接近的技术效果。同时，本发明x轴上包层缺陷内缩小但保留7个空气孔，中心位于六边形顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔，包层缺陷面积大导致与纤芯x偏振态模式耦合弱，但是距离纤芯近使得与纤芯x偏振态模式耦合强。由于另一对包层缺陷需垂直于x轴上包层缺陷分布，因此y轴上包层缺陷内空气孔的中心必须位于y轴上六边形边长的中垂线上，此限定条件决定了y轴包层缺陷中心与纤芯最近距离需要相隔3层空气孔。y轴上包层缺陷内缩小但保留1个空气孔，面积小导致与纤芯y偏振态模式耦合强，但是距离纤芯远使得与纤芯y偏振模式耦合弱。这些技术方案最终实现了纤芯x、y偏振态模式在谐振波长处负色散值的数值均衡的技术效果。综上，本发明既保证了纤芯具有高双折射数值，又均衡了纤芯x、y偏振态模式在谐振波长处大负色散值的数值。本发明的光纤应用于光纤通信系统后，不仅可以保持光信号的线偏振态，而且可以均衡补偿前端光纤两偏振光累积的正色散。
采用该技术方案，实施例最终得到的结果为：在1550nm处，纤芯x、y偏振态模式的双折射数值为8.0×10-3，纤芯x偏振态模式的色散值为-2070ps/(nm·km)，纤芯y偏振态模式的色散值为-2298ps/(nm·km)。
附图说明
图1为实施例的横截面示意图；
图2为实施例纤芯模式与包层缺陷内的模式的折射率数值随波长红移的曲线示意图；
图3为实施例纤芯x、y偏振态模式的色散数值随波长红移的曲线示意图；
图4为实施例纤芯x、y偏振态模式的双折射数值随波长红移的曲线示意图。
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个实施例，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。
参见附图1，给出了本发明所提出的一种单芯保偏色散补偿微结构光纤的一个实施例的具体结构。本发明采用纯石英玻璃作为基底材料；包括纤芯、包围纤芯的第一层空气孔、x轴上包层缺陷、y轴上包层缺陷和包层五部分。光纤端面上的空气孔采用正三角形排布方式，相邻空气孔间距Λ的范围为1.64-1.66μm，本实施例取Λ＝1.65μm；纤芯是沿六边形某一边长方向忽略连续3个空气孔形成的实心区域(记这3个被忽略空气孔位于中间的空气孔的圆心为坐标原点，3个空气孔圆心连线所在的轴为x轴，通过原点且与x轴垂直的轴为y轴)；包围纤芯的第一层空气孔中包含10个空气孔，其直径d1的范围为1.465-1.485μm，本实施例取d1＝1.475μm；2个x轴上包层缺陷构成完全相同，位置以y轴为轴对称分布：每个x轴上包层缺陷中心位于x轴上六边形顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔，包含1个中心位于x轴上的空气孔以及围绕该孔的6个空气孔，其直径d3的范围为0.632-0.652μm，本实施例取d3＝0.642μm；2个y轴上包层缺陷构成完全相同，位置以x轴为轴对称分布：每个y轴上包层缺陷中心位于y轴上六边形中垂线上且与纤芯相隔3层空气孔，包含1个中心位于y轴上的空气孔，其直径d4的范围为0.339-0.359μm，本实施例取d4＝0.349μm；包层中空气孔的直径d2的范围为0.914-0.934μm，本实施例取d2＝0.924μm；上述四种空气孔直径大小满足：d1﹥d2﹥d3﹥d4。
本专利的具体技术方案可以描述为：
(1)采用纯石英玻璃作为基底材料。光纤端面上的空气孔采用相邻空气孔间距为Λ的正三角形排布方式，整体排布为正六边形，具有C6v对称性，此对称性结构本身并不会在纤芯产生双折射。
(2)忽略光纤端面x轴上连续3个空气孔。此技术方案的作用如下：形成实心区域，纤芯是由包围此实心区域的第一层空气孔围成的类长方形区域。纤芯x、y方向边长的长度由忽略连续空气孔的方向及数量(忽略x轴上连续3个空气孔)、包围纤芯的第一层空气孔的直径d1和相邻空气孔间距Λ决定，具体为：纤芯x方向(长边)边长为4Λ-d1，y方向(短边)边长为
Figure GDA0003595764410000111
此种纤芯构成方案使光纤整体对称性由C6v降低至C2v。由于x方向边长明显大于y方向边长，因此纤芯x偏振态模式折射率的数值必然大于纤芯y偏振态模式折射率的数值，从而产生x方向为慢轴，y方向为快轴的高双折射，并导致纤芯x偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于纤芯y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。
(3)包围纤芯的第一层空气孔直径为d1，相邻空气孔间距为Λ。此技术方案的作用如下：包围纤芯的第一层空气孔作为包围纤芯的多孔结构的一部分，增大d1使其大于包层中空气孔直径d2、减小Λ的2项技术方案，①将同时减小纤芯x、y方向的边长，从而减小了纤芯x、y偏振态模式折射率的数值。②降低了包围纤芯的第一层空气孔与纯石英玻璃基底的平均折射率，减小了包围纤芯的多孔结构的平均折射率，降低了纤芯x、y偏振态模式折射率的下限，从而增大了纤芯x、y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。③增大了纤芯的长宽比(纤芯长宽比：
Figure GDA0003595764410000121
)。这使得纤芯中x偏振态模式折射率数值大于y偏振态模式折射率数值的技术效果进一步增强，从而增大了纤芯双折射数值；又使得纤芯x偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于纤芯y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值的技术效果进一步增强。
增大d1，还具有以下作用：x轴上包层缺陷中心位于六边形顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔，包围纤芯的第一层空气孔中的部分空气孔同时也是包围x轴上包层缺陷的多孔结构的一部分，由于x轴上包层缺陷仅受到1个空气孔的作用，而纤芯受到10个空气孔作用，因此增大d1，①会减小x轴上包层缺陷的面积，从而减小了x轴上包层缺陷内的模式折射率数值，但效果弱于d1减小纤芯x偏振态模式折射率数值的效果。②会减小包围x轴上包层缺陷的多孔结构的平均折射率，从而降低了x轴上包层缺陷内模式折射率的下限，增大了x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，但效果弱于d1增大纤芯x偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值的效果。
减小Λ，还具有以下作用：由于x轴上包层缺陷的面积为：
Figure GDA0003595764410000122
Figure GDA0003595764410000123
y轴上包层缺陷的面积为：
Figure GDA0003595764410000124
因此减小Λ，会同时减小x、y轴上包层缺陷的面积，从而减小x、y轴上包层缺陷内的模式折射率数值。
(4)包层中的空气孔直径为d2。此技术方案的作用如下：包层中的空气孔作为包围纤芯和包层缺陷的多孔结构，其平均折射率决定了纤芯和包层缺陷内的模式折射率共同的下限，①对于三角形晶格的空气孔阵列，其某一晶格内空气孔与石英玻璃基底按照面积比例折算的平均折射率计算公式为
Figure GDA0003595764410000131
(nsilica表示纯石英玻璃的折射率；nair表示空气的折射率，数值为1.0，d为相应位置空气孔的孔径)。根据上述公式可知，d2小于d1会使包围包层缺陷的多孔结构的平均折射率大于包围纤芯的多孔结构的平均折射率，包层缺陷内的模式折射率的下限大于纤芯内的模式折射率的下限，从而使包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于纤芯内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。②根据(3)中x、y轴上包层缺陷的面积公式可知，减小(或增大)d2会增大(或减小)x、y轴上包层缺陷的面积，从而增大(或减小)x、y轴上包层缺陷内的模式折射率的数值。③部分包层空气孔介于y轴上包层缺陷与纤芯中间，减小(或增大)d2可以增大(或减小)y轴上包层缺陷内的模式与纤芯y偏振态模式的耦合强度。
(5)构建2个x轴上包层缺陷关于y轴对称分布，每个x轴上包层缺陷包含1个中心位于x轴上的空气孔以及围绕该孔的6个空气孔，其直径均为d3且小于d2；其中心位于x轴上六边形顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔。此技术方案的作用如下：①x轴上包层缺陷的平均折射率为：
Figure GDA0003595764410000132
根据上述公式可知，减小d3使其小于d2，保证了x轴上包层缺陷平均折射率大于包层的平均折射率，使光可以在x轴上包层缺陷与包层的交界处发生全内反射，在包层缺陷中形成模式传输。②采用缩小但保留空气孔的方式构建x轴上包层缺陷，使x轴上包层缺陷的平均折射率小于纤芯的折射率nsilica，降低了x轴上包层缺陷内的模式折射率的上限，减小了x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。③7个直径为d3的空气孔作为x轴上包层缺陷的芯而言，增大了x轴上包层缺陷的面积，加强了对缺陷内光能量的限制，从而增大了x轴上包层缺陷内的模式折射率的数值，减小了x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，削弱了x轴上包层缺陷内的模式与纤芯x偏振态模式的耦合强度。④x轴上包层缺陷中心位于六边形的顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔，缩短了x轴上包层缺陷与纤芯的距离，增强了x轴上包层缺陷内的模式与纤芯x偏振态模式的耦合强度。
此外，构建的2个完全相同且关于y轴对称的x轴上包层缺陷，保持了光纤整体结构的C2v对称性。每个x轴上包层缺陷中心位于六边形的顶角处，且每个x轴上包层缺陷与纤芯仅隔1层空气孔，内部的7个直径d3小于d2的空气孔同时是包围纤芯的多孔结构的一部分。两个x轴上包层缺陷产生的对称作用如下所示：①会增大纤芯x方向多孔结构的平均折射率，进一步增大了纤芯x偏振态模式折射率数值；②但也提高了纤芯x偏振态模式折射率的下限，减小了纤芯x偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。
(6)构建2个y轴上包层缺陷关于x轴对称分布，每个y轴上包层缺陷包含1个空气孔，其直径为d4且小于d3；其中心位于y轴上六边形中垂线上且与纤芯最近距离需要相隔3层空气孔。此技术方案的作用如下：①由于d4小于d3，由(5)可知其同时小于d2。y轴上包层缺陷的平均折射率为：
Figure GDA0003595764410000141
根据上述公式可知，d4小于d2，保证了y轴上包层缺陷的平均折射率大于包层的平均折射率，使光可以在y轴上包层缺陷与包层的交界处发生全内反射，在包层缺陷中形成模式传输。②采用缩小但保留空气孔的方式构建y轴上包层缺陷，使y轴上包层缺陷的平均折射率均小于纤芯的折射率，降低了y轴上包层缺陷内的模式折射率的上限，减小了y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。更进一步的，由于d4小于d3，利用x、y轴上包层缺陷的平均折射率公式计算可知，y轴上包层缺陷的平均折射率大于x轴上包层缺陷的平均折射率，因此y轴上包层缺陷内的模式折射率的上限大于x轴上包层缺陷内的模式折射率的上限。使得y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值大于x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。③1个直径为d4的空气孔作为y轴上包层缺陷的芯，其面积小，约为x轴上包层缺陷面积的
Figure GDA0003595764410000142
对缺陷内光能量的限制能力弱，使得y轴上包层缺陷内的模式折射率数值小于x轴上包层缺陷内的模式折射率数值，使y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值大于x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，同时使y轴上包层缺陷内的模式与纤芯y偏振态模式的耦合强度增大。④由于y轴上包层缺陷需垂直于x轴缺陷分布，因此y轴上包层缺陷内空气孔的中心必须位于y轴上六边形边长的中垂线上。此限定条件决定了y轴包层缺陷中心与纤芯最近距离需要相隔3层空气孔，增大了y轴上包层缺陷与纤芯的距离，削弱了y轴上包层缺陷内的模式与纤芯y偏振态模式的耦合强度。同时，其作为包围纤芯的多孔结构而言，构建的2个完全相同且关于x轴对称的y轴上包层缺陷，保持了光纤整体结构的C2v对称性，几乎不会影响纤芯y偏振态模式折射率随波长红移曲线的数值与斜率。
参见附图2，纤芯x偏振态模式折射率的数值大于纤芯y偏振态模式折射率的数值；由于x轴上包层缺陷的面积大约为y轴上包层缺陷面积的7倍，使得x轴上包层缺陷内的模式折射率数值远大于y轴上包层缺陷内的模式折射率数值。使x、y轴上包层缺陷内的模式折射率分别与纤芯x、y偏振态模式折射率在相近波长实现数值匹配。
由于纤芯x、y偏振态模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值大于x、y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，使谐振点及其附近波长处的纤芯x、y偏振态模式折射率的数值发生突变，从而产生绝对值很大的负色散。结合纤芯x偏振态模式和x轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率差值与纤芯y偏振态模式和y轴上包层缺陷内的模式折射率随波长红移曲线的斜率差值接近、x、y轴上包层缺陷垂直分布的2项技术方案，均衡了纤芯x、y偏振态模式与相应的x、y轴上包层缺陷内的模式的耦合强度及纤芯x、y偏振态模式在谐振波长处大负色散值的数值。参见附图3，在1550nm处，纤芯x偏振态模式产生的色散值为-2070ps/(nm·km)，纤芯y偏振态模式产生的色散值为-2298ps/(nm·km)。
纤芯具有x方向为慢轴，y方向为快轴的双折射；与包层缺陷联合作用进一步增大了纤芯的双折射数值。参见附图4，在1550nm处纤芯x、y偏振态模式的双折射数值为8.0×10-3。
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 (6)

1.一种单芯保偏色散补偿微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底材料；包括纤芯、包围纤芯的第一层空气孔、x轴上包层缺陷、y轴上包层缺陷和包层五部分；
其特征在于：光纤端面上的空气孔采用相邻空气孔间距为Λ的正三角形排布方式；所述纤芯为沿六边形某一边长方向忽略连续3个空气孔形成的实心区域，记这3个被忽略空气孔位于中间的空气孔的圆心为坐标原点，3个空气孔圆心连线所在的轴为x轴，通过原点且与x轴垂直的轴为y轴；所述包围纤芯的第一层空气孔中包含10个直径为d1的空气孔；所述2个x轴上包层缺陷构成完全相同，且关于y轴对称分布：每个x轴上包层缺陷中心均位于x轴上六边形顶角处且与纤芯仅隔1层空气孔，包含1个中心位于x轴上的空气孔以及围绕该孔的6个空气孔，直径均为d3；所述2个y轴上包层缺陷构成完全相同，且关于x轴对称分布：每个y轴上包层缺陷中心均位于y轴上六边形中垂线上且与纤芯相隔3层空气孔，包含1个中心位于y轴上的空气孔，直径为d4；所述包层中的空气孔直径均为d2；上述四种空气孔直径大小满足：d1﹥d2﹥d3﹥d4。
2.根据权利要求1所述的一种单芯保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述相邻空气孔间距Λ的范围为1.64-1.66μm。
3.根据权利要求1所述的一种单芯保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述包围纤芯的第一层空气孔直径d1的范围为1.465-1.485μm。
4.根据权利要求1所述的一种单芯保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述x轴上包层缺陷包含的空气孔直径d3的范围为0.632-0.652μm。
5.根据权利要求1所述的一种单芯保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述y轴上包层缺陷包含的空气孔直径d4的范围为0.339-0.359μm。
6.根据权利要求1所述的一种单芯保偏色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述包层中的空气孔直径d2的范围为0.914-0.934μm。
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