CN113740956A - 一种高双折射低损耗的色散补偿光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高双折射低损耗的色散补偿光纤，属于光子晶体光纤通信领域。本发明的光纤包括包层和纤芯，基底材料为SiO₂，其特征在于：包层包含六个轴对称的三角晶格，左右两边的三角晶格由6层大小相同的圆形空气孔呈正三角形排列构成，中间两个三角晶格由5层椭圆形空气孔构成，光纤包层的中间沿x轴引入一排大椭圆形空气孔，其中纤芯处的左右两个大椭圆形空气孔被长轴与大椭圆空气孔长轴垂直的小椭圆形空气孔取代，其几何中心为原大椭圆形空气孔的几何中心。本发明所提供的光子晶体光纤可以通过调整结构参数，同时实现高双折射、低损耗和大负色散特性，其将在高速光通信、光纤传感、光纤器件和色散管理等领域发挥重要作用。

Description

一种高双折射低损耗的色散补偿光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种高双折射低损耗的色散补偿光子晶体光纤。

背景技术

随着光纤接入网及全光网络的发展，超高速度、超大容量和超长距离传输是全世界通信系统发展的挑战，全光网络更是人们追求的终极目标。高速光通信系统、长距离稳定传输光学系统等都需要光纤在通信波段有很小的色散和损耗，大负色散补偿光纤能抵消积累的正色散。分布式光纤传感技术可作为能源、电力、建筑、通讯、交通等诸多领域的故障诊断和事故预警手段，光纤传感系统一般采取具有高双折射特性的保偏光纤作为传感光纤以降低光纤中偏振模式耦合对传感系统信噪比的影响。因此，非常有必要设计出具有高双折射低损耗和大负色散的新型光纤。

光子晶体光纤，是一类基于光子晶体和光纤技术演变而来的新型微结构光纤，是近年来迅速发展的一种具有较高科研价值并引起广泛关注的新型光纤，它可以改变光的产生、传递和使用方式，是一种极具前景的光纤。由于光子晶体光纤在结构上具有较高的可调性，可以表现出传统光纤难以企及的特点，比如无线单模传输、高双折射、高非线性、低损耗和色散管理等，设计者可以通过改变空气孔大小、排列、形状等参数的方式，以实现所需的不同传输特性，其在光纤传感、光通信以及非线性光学等领域都有着广泛的应用。

尽管现在已有光子晶体光纤可以实现部分特性，但是并不能同时使双折射、损耗以及色散性能达到更优。Xu Qiang(Xu Qiang，Miao Runcai，Zhang Yani.OpticalMaterials，2012，35(2)：217-221.)等人提出一种双折射为4.92×10^-3的光子晶体光纤，但其色散仅为-20ps/(nm·km)，有待改善。Islam M.S.(Islam M S，Sultana J，Ahmed K，etal.IEEE Sensors Journal，2017，18(2)：575-582)等人通过引入方形空气孔提出一种限制性损耗低至1.7×10^-9dB/m的光子晶体光纤，其双折射为2.8×10^-3。Saha R.(Saha R，Hossain M M，Rahaman M E，et al.Frontiers of Optoelectronics，2019，12(2)：165-173)等人设计了一种1550nm处具有高双折射的光子晶体光纤，双折射系数为2.75×10^-2，负色散也较大，可达-540.67ps/(nm·km)，但其限制性损耗为10^-3dB/m数量级，仍有待优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种高双折射低损耗大负色散的光子晶体光纤，以解决现有技术中光子晶体光纤存在的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有高双折射低损耗的色散补偿光子晶体光纤，所述光纤的横截面包括包层和纤芯。其特征在于：该光子晶体光纤的包层包含六个轴对称的三角晶格，且三角晶格由不同形状及大小的空气孔组成，左右两边的三角晶格是由6层大小相同的圆形空气孔呈正三角形排列所构成的，中间两个三角晶格是由5层椭圆形空气孔构成，在光纤包层的中间沿x轴引入一排大椭圆空气孔，其中纤芯处的左右两个大椭圆空气孔被长轴与大椭圆空气孔长轴垂直的小椭圆空气孔取代，其几何中心为原大椭圆空气孔的几何中心。在上述结构中，(1)圆形空气孔的直径为c₁，相邻空气孔的孔间距为c₁；(2)三角晶格中椭圆形空气孔的长轴为a₁，短轴为b₁，相邻空气孔的孔间距为b₁；(3)中间一排大椭圆形空气孔长轴为a₂，短轴为b₂，相邻空气孔的孔间距为d₁；(4)纤芯左右两个小椭圆空气孔的长轴为a₃，短轴为b₃，绕几何中心的旋转角为

相邻空气孔的孔间距为d₂；(5)光纤包层直径为c₂。

进一步地，所述参数中，a₁＝a₃＝b₂，c₁＝b₁，c₂＝13μm；d₁、d₂大于1μm而小于1.7μm，b₃大于0.6μm而小于0.8μm，旋转角

大于等于0°而小于等于90°；大椭圆形空气孔中b₂/a₂的取值范围为0.5～1。

进一步地，所述光纤的基底材料为SiO₂。

本发明的优点及有益效果在于：

本发明设计了一种新型光子晶体光纤，具有较高的结构调节特性，当a₁＝a₃＝b₂＝1μm，c₁＝b₁＝0.8μm，c₂＝13μm，d₁＝1.7μm，d₂＝1.4μm，

b₃＝0.8μm时，该新型光子晶体光纤在波长为1550nm处获得3.618×10^-2的高双折射以及-827.6ps/(nm·km)的大负色散；a₁＝a₃＝b₂＝1μm，c₁＝b₁＝0.8μm，c₂＝13μm，d₁＝1.7μm，d₂＝1.4μm，

b₃＝0.6μm时，限制性损耗也得到了很好的改善，降低至1.2918×10^-15dB/m。因此，通过改进光子晶体光纤的结构，增强包层中空气孔排布的不对称性，使得该光子晶体光纤具有高双折射、低限制性损耗和大负色散等特性，可被广泛应用于光纤通信、光纤传感和色散补偿领域。

本发明的新型光子晶体光纤结构简单，易于集成和工艺加工。

附图说明

图1为本发明具体实施例中光子晶体光纤结构横截面示意图。图中：1-基底材料；2-包层中圆形空气孔；3-包层中构成三角晶格的椭圆空气孔；4-包层中大椭圆空气孔；5-包层中小椭圆空气孔。

图2为具体实施例中光子晶体光纤模式分布图，其中：

图2a为x偏振方向模场，图2b为y偏振方向模场。

图3为具体实施例中光子晶体光纤在小椭圆形空气孔的短轴b₃取不同值时的双折射随波长的变化关系图。

图4为具体实施例中光子晶体光纤在小椭圆形空气孔的短轴b₃取不同值时的限制性损耗随波长的变化关系图，其中：

图4a为x偏振方向双折射，图4b为y偏振方向双折射。

图5是具体实施例中光子晶体光纤在小椭圆形空气孔的短轴b₃取不同值时的色散随波长的变化关系图，其中：

图5a为x偏振方向色散，图5b为y偏振方向色散。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，一种高双折射低损耗的色散补偿光子晶体光纤，基底材料1为SiO₂，包层包含六个轴对称的三角晶格，左右两边的三角晶格是由大小相同的6层圆形空气孔2呈正三角形排列所构成的，中间两个三角晶格是由5层椭圆形空气孔3构成，光纤的中间沿x轴引入一排大椭圆形空气孔4，其中纤芯处的左右两个大椭圆形空气孔被长轴与大椭圆空气孔长轴垂直的小椭圆形空气孔5取代，且小椭圆形空气孔的几何中心为原大椭圆形空气孔的几何中心。在上述结构中，(1)圆形空气孔的直径为c₁，相邻孔间距为c₁；(2)三角晶格中椭圆形空气孔的长轴为a₁，短轴为b₁，孔间距为b₁；(3)中间一排大椭圆形空气孔长轴为a₂，短轴为b₂，孔间距为d₁；(4)纤芯左右两个小椭圆空气孔的长轴为a₃，短轴为b₃，孔间距为d₂，绕几何中心的旋转角为

(5)光纤直径为c₂。

本实施例中，圆形空气孔直径c₁为0.8μm，三角晶格中椭圆空气孔的长轴a₁和短轴b₁分别为1μm和0.8μm，大椭圆形空气孔长轴a₂和短轴b₂分别为2μm和1μm，大椭圆形空气孔的孔间距d₁为1.7μm，小椭圆形空气孔的孔间距d₂为1.4μm，光纤包层直径c₂＝13μm，纤芯左右两个小椭圆形空气孔的长轴a₃为1μm，旋转角

短轴b₃取0.6μm、0.7μm、0.8μm。

本发明可以采用有限元法并结合完美匹配层边界吸收条件进行理论计算，得到本发明的模场分布特性、双折射特性、限制性损耗以及色散特性。

如图2所示，可以看出本发明的模场分布特性。在光子晶体光纤中，光波的能量被很好的束缚在光纤的纤芯中，图2给出的是纤芯左右两个小椭圆形空气孔的短轴b₃为0.8μm时的模场分布，可见对于x、y偏振方向模场能量均集中在纤芯，满足单模传输的要求。

双折射系数B的公式为

式中Re表示取实部，

和

分别为x偏振模和y偏振模的有效折射率。

如图3所示，可以看出本发明的双折射特性。图3给出了本实施例中纤芯左右两个小椭圆形空气孔的短轴b₃取0.6μm、0.7μm、0.8μm时得到的光子晶体光纤的双折射。可以看出，光纤的中间沿x轴引入一排大椭圆形空气孔，其中纤芯处的左右两个大椭圆形空气孔被小椭圆形空气孔取代，破环了光纤结构的对称性，增大了两轴光波传播常数的差距，使得双折射随着b₃的增加而增大，在常用通信波长1550nm处，当b₃＝0.8μm时，可获高达3.618×10^-2的双折射。而普通光纤的双折射一般在10^-4数量级，已有光子晶体光纤双折射一般在10^-3数量级，其中，已知最高的双折射为2.54×10^-2，可见，本发明比现有光子晶体光纤高出1-2两个数量级，其在高速光通信系统、光纤传感和精密光学仪器等领域具有重要的作用。

限制性损耗的公式为

Im(n_eff)表示取有效折射率的虚部，表征光能量的损耗。

如图4所示，可以看出本发明的限制性损耗特性。限制性损耗会导致光波能量传播时无法完全集中在纤芯处，是限制信号长距离稳定传输的重要因素。图4给出了本实施例中限制性损耗在纤芯左右两个小椭圆形空气孔的短轴b₃取0.6μm、0.7μm、0.8μm时的变化曲线图。可以看出，随着波长和b₃的增加光子晶体光纤的限制性损耗增大，光场的约束力逐渐减弱。在波长为1550nm处，当b₃＝0.6μm时，x偏振方向的限制性损耗为1.2918×10^-15dB/m，y偏振方向的限制性损耗为3.4226×10^-14dB/m，两个方向限制性损耗相差3.2934×10^-14dB/m，当b₃＝0.8μm时，x偏振方向的限制性损耗为1.9994×10^-14dB/m，y偏振方向的限制性损耗为1.9031×10^-12dB/m，两个方向限制性损耗相差1.8831×10^-12dB/m，可认为这两个模式是可以同时传输的。而已知现有光子晶体光纤的限制性损耗最低为10^-11dB/m数量级，可见，与已有光子晶体光纤相比，能降低了1-3个数量级，而在波长为1330nm处的限制性损耗更低，可见，本实施例的损耗性能明显更优，能更好的将光束缚在纤芯内部，更有利于信号的长距离稳定传输。

色散系数的公式为

如图5所示，可以看出本发明的色散特性。光纤色散会导致光脉冲在传播过程中展宽，使前后脉冲互相交叠，引起信号的码间串扰，色散是限制光通信速率进一步提高的因素之一。图5为小椭圆形空气孔的短轴取不同值时x、y偏振方向的色散特性。可以看出，色散随着波长和短轴的增加而减小，且在1330nm和1550nm处x、y偏振方向的均为大负色散值，即在这两个通信窗口均可作为色散补偿光纤。更重要的是，在波长为1550nm且b₃＝0.8μm时y偏振方向色散可达-827.6ps/(nm·km)，且同一波长下不同结构的色散值相差较大，可以通过调整结构参数的设置使其抵消所需通信系统中的正色散。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，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，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种具有高双折射低损耗的色散补偿光子晶体光纤，所述光纤的横截面包括包层和纤芯。其特征在于：该光子晶体光纤的包层包含六个轴对称的三角晶格，且三角晶格由不同形状及大小的空气孔组成，左右两边的三角晶格是由6层大小相同的圆形空气孔呈正三角形排列所构成的，中间两个三角晶格是由5层椭圆形空气孔构成，光纤包层的中间沿x轴引入一排大椭圆空气孔，其中纤芯处的左右两个大椭圆空气孔被长轴与大椭圆空气孔长轴垂直的小椭圆空气孔取代，其几何中心为原大椭圆空气孔的几何中心。在上述结构中，(1)圆形空气孔的直径为c₁，相邻空气孔的孔间距为c₁；(2)三角晶格中椭圆形空气孔的长轴为a₁，短轴为b₁，相邻空气孔的孔间距为b₁；(3)中间一排大椭圆形空气孔长轴为a₂，短轴为b₂，相邻空气孔的孔间距为d₁；(4)纤芯左右两个小椭圆空气孔的长轴为a₃，短轴为b₃，孔间距为d₂，绕几何中心的旋转角为

(5)光纤包层直径为c₂。

2.按照权利要求1所述的一种具有高双折射低损耗的色散补偿光子晶体光纤，其特征在于：上述参数中，a₁＝a₃＝b₂，c₁＝b₁，c₂＝13μm；d₁、d₂大于1μm而小于1.7μm，b₃大于0.6μm而小于0.8μm，旋转角

大于等于0°而小于等于90°；大椭圆形空气孔中b₂/a₂的取值范围为0.5～1。

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