CN113917596A - 一种用于色散补偿的微结构光纤 - Google Patents

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Abstract

一种用于色散补偿的微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底材料；包括内芯、包围内芯的第一层空气孔、空心环形外芯、外芯内包层和包层。包层空气孔和包围内芯的第一层空气孔采用相邻孔间距为Λ的正三角形排布方式；忽略1个空气孔形成的实心区域为内芯；外芯内包层为单个空气孔，其圆心对称分布于包围内芯的第4层多孔结构上六边形的6个顶角处；忽略包围外芯内包层的第一层空气孔形成的实心区域为空心环形外芯；外芯内包层在外芯内侧构成封闭边界，包层在空心环形外芯外侧构成泄露边界。本发明各外芯模式耦合形成超模，利用同相位超模与内芯模式耦合，使内芯模式在谐振波长具有绝对值很大的负色散，以实现补偿前端单模光纤累积正色散的技术效果。

Description

一种用于色散补偿的微结构光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种用于色散补偿的微结构光纤。
背景技术
光纤具有很好的光学特性，是一种优良的光信息传输介质，在通信领域具有重要应用。携带了信息的光脉冲在频域上有一定的带宽，当信号在光纤中传输时，由于不同频率的光在光纤中传播速度的不同，受到色散带来的负面影响，使得不同频率的光不能同时到达输出端，导致信号时域的展宽，使信号失真而误码。随着人们对传输容量需求的增大，累积色散对长距离光通信的危害越来越大。为了提高系统性能，需要对前端单模光纤中累积的正色散进行补偿。具有大负色散的色散补偿光纤，是实现用较短长度补偿较长线路累积色散的一个很好的解决方案。
微结构光纤，又叫光子晶体光纤，端面含有很多微小空气孔，其结构可设计性强，可实现许多普通光纤难以实现的特性。现阶段利用微结构光纤实现色散补偿特性(或者大负色散特性)，主要有两类方式：
第一类是单芯结构。比如，T.A.Birks等制备的色散补偿微结构光纤，可实现单一波长上补偿标准光纤长度100倍以上的大负色散(T.A.Birks,et al.Dispersioncompensation using single-material fibers[J].IEEE photonics technologyletters,1999.11(6):674-676.)。张立超研究了一种六边形结构的微结构光纤，其第一层空气孔的半径越大，获得的负色散绝对值越大，且第一层空气孔的半径将会影响色散斜率(张立超.光子晶体光纤色散补偿特性研究[D].秦皇岛:燕山大学硕士学位论文,2011.)。此类光纤仅依靠设计光纤结构调控波导色散实现大负色散，调控色散不利用芯间模式的耦合。
第二类是同轴双芯结构。通过忽略或缩小包层中某一层空气孔形成与内芯中心同轴的环状外芯，当内、外芯模式折射率数值在某些波长接近时，内、外芯模式的光能量强烈耦合，使内芯模式折射率随波长的变化产生折变，从而产生大负色散。比如，Yang Sigang等人，F.
Figure BDA0003298696820000011
等人，Md.Selim Habib等人和张立超均提出了具有大负色散值的同轴双芯微结构光纤(Yang Sigang,et al.Theoretical study and experimental fabrication ofhigh negative dispersion photonic crystal fiber with large area mode field[J].Optics express,2006.14(7):3015-3023.,F.
Figure BDA0003298696820000021
J.-L.Auguste andJ.M.Blondy.Design of dispersion-compensating fibers based on a dual-concentric-core photonic crystal fiber[J].Opt Lett,2004.29(23):2725-7.，Md.Selim Habib,Md.Samiul Habib,S.M.A.Razzak.Study on Dual-Concentric-CoreDispersion Compensating Photonic Crystal Fiber.International journal ofengineering&technology(Dubai)[J],2012.1(4):377.和张立超.光子晶体光纤色散补偿特性研究[D].秦皇岛:燕山大学硕士学位论文,2011.)。而在Jui-Ming Hsu等人的同轴双芯微结构光纤设计中，内包层第一层大孔直径d1最大，且d1越大，内芯模式折射率曲线斜率越大，内外芯模式折射率曲线斜率差越大，从而使色散系数越大。(Jui-Ming Hsu,Wen-HaoZheng,Cheng-Ling Lee,et al.Theoretical investigation of a dispersioncompensating photonic crystal fiber with ultra-high dispersion coefficientand extremely low confinement loss[J].Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications,2015,16:1-8.)。此类光纤实现大负色散的本质为：通过构建不同形态的内芯和外芯，使得内外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率失配的同时，内外芯模式折射率数值匹配。当内外芯在谐振点发生强烈耦合，内芯折射率数值在谐振点处突变，导致内芯具有绝对值很大的负色散。由于此类光纤利用芯的形态不同，同时实现内外芯模式折射率数值匹配和斜率失配，设计难度大。而外环芯为一个环绕内芯的整体结构，面积大且分布范围广，制备时容易发生形变而影响光纤性能。
同轴双芯微结构光纤在结构上兼具多芯及环芯两大特点。仅利用多芯结构构建多芯微结构光纤，各芯间能量耦合后也将出现新的效应。比如，Cen Xia等人研究发现，如果多个芯间存在能量耦合，则多芯光纤支持的模式不再是各单芯光纤的模式，而是各单芯模式相互耦合后形成的超模。具有多个相同纤芯的多芯光纤，其支持的模式为超模且模式数量与纤芯数量相等：六芯光纤就会产生六个超模(Cen Xia,Neng Bai,Ibrahim Ozdur,etal.Supermodes for optical transmission[J].Optics express,2011,19(17):16653-64.)。Xiaolei Zhang等人研究了环型和同心型两种典型微结构光纤的超模，分别产生了六个和七个超模(Xiaolei Zhang,Xingyu Zhang,et al.In-phase supermode selection inring-type and concentric-type multicore fibers using large-mode-area single-mode fiber[J].J.Opt.Soc.Am.A Opt Image Sci Vis,2011.28(5):924-33.)。而具有环状纤芯的微结构光纤，也在其他技术领域得到了应用。Xiao-Xia Zhang等人设计了一种能够产生空心光束的环状芯微结构光纤。该光纤所有空气孔呈圆形排布，保留光纤中心的一个空气孔但孔径不变，去除外侧一层空气孔形成环形芯。(Xiao-Xia Zhang,Shu-Guang Li,etal.Generation of hollow beam from photonic crystal fiber with an azimuthallypolarized mode[J].Optics Communications,2012.285(24):5079-5084.)。李曙光和訾剑臣发明了一种用于产生局域空心光束的双环状纤芯微结构光纤。该光纤具有两个对称分布于光纤中心的环状芯，每一个环状芯均保留中心空气孔但缺失周围6个空气孔，且中心空气孔与包层空气孔直径不同。但该发明中并未提到两环状纤芯之间有耦合作用(李曙光，訾剑臣.一种用于产生局域空心光束的双环状纤芯光子晶体光纤:中国，CN201510050228.6[P].2015-06-03.)。
发明内容：
本发明通过在包层对称位置放置多个空心环形外芯(以下简称外芯)，引入多芯各模式间能量耦合机理，更加有效的调控各外芯模式间耦合形成的超模的光场能量分布、模式折射率随波长红移曲线的数值与斜率。同时，结合内、外芯的不同形态、边界条件及相对位置分布，使各外芯模式间耦合形成的同相位超模和内芯模式的折射率实现数值匹配和斜率失配，并在谐振波长附近产生高效能量耦合。最终，通过内芯模式和外芯同相位超模在谐振波长处的强烈能量耦合和偏离谐振波长的能量耦合迅速衰减，使内芯模式折射率在谐振波长附近产生突变而形成绝对值很大的负色散，实现对前端单模光纤累积的正色散进行补偿的技术效果。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3个技术问题：
(1)外芯同相位超模与内芯模式折射率随波长红移曲线在工作波长附近实现斜率失配。
本发明内芯和外芯的实心区域，均为忽略空气孔的纯石英玻璃结构，因此内芯与外芯均以纯石英玻璃的折射率作为各自芯内模式折射率上限，即其上限相等。包围内芯和外芯的多孔结构(不包括包围内芯第一层空气孔与外芯中心空气孔)形成的多孔结构包层(以下简称包层)，均包含具有相同孔间距和直径的空气孔，此区域既是内芯的包层也是外芯(外)包层，内芯与外芯均以包层的平均折射率作为模式折射率初始下限，即其初始下限相等。
在此基础上，内芯忽略1个空气孔构建点状芯，其光场呈高斯分布；每个外芯保留并扩大其中心空气孔(即外芯内包层)，忽略包围外芯内包层的第一层(6个)空气孔构建环形芯，其光场呈环状分布，且每个外芯面积远大于内芯面积(约为内芯面积的5倍)。因此，每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，使得外芯模式与内芯模式随波长红移曲线在工作波长附近实现斜率失配。
增大相邻空气孔间距使其明显大于工作波长的技术方案，会同时增大内芯和每个外芯的面积，从而减小内芯模式和每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。但是由于增大每个外芯面积的作用更明显，因此减小每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值的作用也更明显。此技术方案，有利于增大外芯模式与内芯模式随波长红移曲线在工作波长附近实现斜率失配的技术效果。
增大包围内芯的第一层空气孔的技术方案，不仅减小了内芯的面积，还降低了包围内芯的第一层空气孔与纯石英玻璃基底的平均折射率(作为包围内芯的多孔结构的一部分，会降低内芯模式折射率的下限)，两者均会增大内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。包围内芯的第一层空气孔同时作为包围外芯的多孔结构的一部分。但由于外芯内包层位于包围内芯的第4层多孔结构上且忽略围绕外芯内包层的第一层空气孔构建外芯，因此每个外芯主要受1个与其最接近的孔影响且两者还相隔1层空气孔，距离较远。同时，包围内芯的第一层空气孔不会改变外芯面积。因此增大包围内芯的第一层空气孔虽然会降低包围每个外芯的多孔结构的平均折射率，降低每个外芯模式折射率的下限，但是仅会稍微增大每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。综上，增大包围内芯的第一层空气孔的技术方案，有利于增大外芯模式与内芯模式折射率随波长红移曲线在工作波长附近实现斜率失配的技术效果。
此外，外部多个外芯的构成方案具有如下特征：6个外芯构成完全相同；外芯内包层的圆心对称分布于包围内芯第4层多孔结构中六边形的6个顶角处，其直径略大于工作波长的2倍；忽略包围外芯内包层的第一层空气孔构建6个外芯；外芯内包层在外芯内侧构成封闭边界，(外)包层在外芯外侧构成泄露边界；每个外芯结构完整的情况下相邻两个外芯间的距离最近(仅隔1层包层空气孔)；相邻两个外芯相隔的包层空气孔直径小于工作波长。上述方案共同作用使得6个外芯的构成完全相同并且位置在以内芯中心为原点的C6v对称性结构中处于等同地位，因此各自的模式折射率随波长红移曲线完全重合。6个外芯模式间发生能量耦合形成超模后，在能量耦合的作用下其同相位超模折射率数值将增大，其值大于每个外芯模式折射率数值。将外芯内包层空气孔直径增大至略大于工作波长的2倍，将使每个外芯的环宽略小于工作波长；外芯内包层位于包围内芯的第4层多孔结构上使两个外芯间仅隔1层包层空气孔，且此空气孔直径略小于工作波长；同时外芯内包层在外芯内侧构成封闭边界、(外)包层在外芯外侧构成泄露边界。上述每一项技术方案，均会使得波长大于工作波长时，外芯光能量向外芯外侧泄露更为明显，各个外芯间能量耦合更强烈；而当波长小于工作波长时，外芯光能量向外芯外侧泄露明显减少，各个外芯间能量耦合显著减弱。由于在长波处耦合更强，外芯同相位超模折射率数值在长波处的增大效果与短波长处相比更明显，因此会减小外芯同相位超模折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，使其小于每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。
综合作用下，最终实现了外芯同相位超模与内芯模式随波长红移曲线在工作波长附近斜率失配的技术效果。
(2)外芯同相位超模与内芯模式折射率在工作波长处实现数值匹配。
本发明的构成方案，在实现(1)的技术效果的同时，还可以保证外芯同相位超模与内芯模式折射率数值在工作波长处相等(或者称匹配)。具体方案如下：
如(1)所述，本发明内芯与每个外芯具有相同的模式折射率上限(纯石英玻璃的折射率)与模式折射率初始下限(包层的平均折射率)。设定相邻空气孔间距使其明显大于工作波长，再忽略1个空气孔构成点状内芯后，内芯直径明显大于工作波长；忽略包围外芯内包层的第一层空气孔构建环形外芯再增大外芯内部空气孔后，外环芯的环宽略小于工作波长。这将使得内芯模式折射率的数值大于外芯模式折射率的数值。
在此基础上，增大包围内芯的第一层空气孔的技术方案，不仅减小了内芯的直径，还降低了包围内芯的第一层空气孔的平均折射率，两者均会降低内芯模式折射率的数值。包围内芯的第一层空气孔同时作为包围外芯的多孔结构的一部分。但由于外芯内包层位于包围内芯的第4层多孔结构上且忽略围绕外芯内包层的第一层空气孔构建外芯，因此每个外芯主要受1个与其最接近的孔影响且两者还相隔1层空气孔，距离较远。同时，包围内芯的第一层空气孔不会改变外芯的环宽。因此增大包围内芯的第一层空气孔仅会稍微降低每个外芯模式折射率的数值。综上，增大包围内芯的第一层空气孔的技术方案，减小内芯模式折射率的数值的作用更明显，有利于外芯模式与内芯模式折射率在工作波长处实现数值匹配。
此外，如(1)中第3段所述，外芯内包层为单个空气孔的技术方案，将导致外芯模式折射率的下限降低。这将导致外芯模式折射率数值降低。但是，仍然如(1)中第3段所述，形成外芯内包层的单个空气孔直径略大于工作波长的2倍；外芯环宽小于工作波长，在内部为封闭边界条件在外部为泄露边界条件；各外芯中心位于包围内芯的第4层多孔结构上使得两个外芯仅相隔一个直径小于工作波长的空气孔的一系列技术方案，增大了各外芯模式间的耦合强度，使得6个外芯模式间发生强烈能量耦合产生同相位超模并增大其折射率数值，且在长波处增大效果更明显。本段所述所有技术方案共同作用下的最终效果，使得同相位超模的折射率数值在每个外芯模式折射率数值基础上进一步增大，利于外芯同相位超模与内芯模式折射率在工作波长处实现数值匹配。
综合以上作用，使同相位超模折射率与内芯模式折射率数值随波长红移曲线在工作波长处相交，实现了外芯同相位超模与内芯模式折射率在工作波长处的数值匹配。
(3)外芯同相位超模与内芯模式在谐振波长附近发生强烈能量耦合，使内芯模式产生绝对值很大的负色散。
为了使内芯模式产生绝对值很大的负色散，在同时满足内芯模式与外芯同相位超模折射率数值匹配与斜率失配的条件下，还需使内芯模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值在工作波长附近突然增大，造成内芯模式折射率数值突降形成下凹。这就需要使内芯模式与外芯同相位超模之间在谐振波长附近产生强烈的能量耦合。
相邻空气孔间距明显大于工作波长的技术方案会增大内芯的直径，增大包围内芯的第一层空气孔的技术方案虽然会减小内芯直径，但两技术方案综合作用下使内芯直径明显大于工作波长。较大的内芯直径，可以有效增大内芯模式的面积，一方面减小了功率密度，减弱非线性造成的影响；另一方面更易与传统单模光纤的模场进行匹配，降低了耦合损耗。但是上述技术方案也增大了内芯对光能量限制作用，不利于内芯模式与外芯模式耦合。同时，增大包围内芯的第一层空气孔，还会降低包围内芯的第一层空气孔的平均折射率在内芯外形成折射率凹槽，进一步加强了对内芯光能量的限制，进一步增大了内芯模式与每个外芯模式耦合的难度。
但是从本发明整体结构看，忽略紧邻中心的6个空气孔构建环形外芯，为忽略1层空气孔构建环形外芯的方案中，面积最小的方案；构建的6个外芯中心位于包围内芯的第4层多孔结构上，与内芯仅隔2层空气孔，在保持外芯结构完整的情况下距离内芯最近；设置相邻空气孔间距明显大于工作波长，可以扩大外芯内包层空气孔直径使其略大于工作波长的2倍；外芯内包层空气孔在外环芯内侧形成封闭内边界，光能量在内包层以倏逝波形式存在，限制了光由环芯向内部的泄漏，而(外)包层在外芯外侧构成泄露边界，光能量能够通过泄露通道向(外)包层传播，外芯两侧边界条件的差异，使外芯光能量分布向(外)包层方向偏移；且(外)包层空气孔在本发明的所有空气孔中直径最小(小于工作波长)，增大泄露边界的泄露通道；增大外芯内包层空气孔直径，减小外芯环宽使其略小于工作波长。本段所述所有技术方案共同作用下，加剧了外芯光能量向内芯扩散，从而加强了外芯模式与内芯模式在谐振波长附近的耦合强度。此外，如(1)和(2)所述，各外芯模式间发生强烈能量耦合后产生超模，本发明的内芯模式最终是与外芯同相位超模进行的能量耦合而非单个外芯的模式。超模的能量除了在各环状外芯中，其部分光能量也分布于各环状外芯附近的(外)包层中，因此更易与内芯模式发生耦合。
因此，本发明的最终实现了外芯同相位超模和内芯模式在工作波长处的强烈能量耦合(谐振)，实现了内芯模式折射率随波长红移曲线在工作波长附近的突变，最终使内芯模式产生绝对值很大的负色散，得到了一种用于色散补偿的微结构光纤。
(4)光纤内芯模式不产生双折射。
光纤端面上相邻空气孔采用正三角形排布方式，整体排布为正六边形；采用直径相同的空气孔作为包层；忽略1个空气孔构建内芯；增大包围内芯的第一层空气孔，6个空气孔直径相等；6个外芯构成完全相同，且其中心对称分布于包围内芯第4层多孔结构上六边形的6个顶角处，6个外芯处于等同地位。上述整体方案使得本发明的内芯及其周围多孔结构具有以内芯中心为原点的C6v对称性；同时，6个外芯作为一个整体，也具有以内芯中心为原点的C6v对称性。对于内芯的模式而言，内芯结构的C6v对称性保证了其模式不产生双折射。
同时，本发明的每个外芯的构成方案为：外芯内包层为单个空气孔且位于包围内芯第4层多孔结构上；忽略包围外芯内包层的第一层空气孔构建环形外芯；包围每个外芯的第一层空气孔直径相同，均采用相同相邻空气孔间距排布，且相邻两个外芯间相隔1层空气孔，外芯与内芯相隔2层空气孔。因此，保证了每个外芯结构(包含外芯内包层、环形外芯、包围每个外芯的第一层空气孔)的完整性，并且每个外芯结构以外芯内包层中心为原点，具有C6v对称性。因此每个外芯的模式均不会产生双折射。
由于每个外芯结构具有以外芯内包层中心为原点的C6v对称性(外芯模式不产生双折射)，同时6个外芯整体结构具有以内芯中心为原点的C6v对称性，因此各外芯模式间耦合产生的同相位超模也没有双折射。由于内芯模式也不产生双折射，因此外芯同相位超模与内芯模式耦合后，虽然会导致内芯模式折射率随波长红移曲线在谐振波长附近的突变，但是仍然不会导致内芯模式产生双折射。最终形成了内芯模式在不产生双折射的情况下具有绝对值很大的负色散的技术效果。此技术效果保证了本发明设计的色散补偿微结构光纤可以与现有通信系统中的单模光纤较好地对接，同时保证了本发明光纤的内芯传输的两个偏振模式简并，不会产生模间串扰。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种用于色散补偿的微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底材料；包括内芯、包围内芯的第一层空气孔、包层、空心环形外芯和外芯内包层五部分；所述内芯为忽略1个空气孔形成的实心区域；
包层空气孔和包围内芯的第一层空气孔采用相邻孔间距为Λ的正三角形排布方式；所述包围内芯的第一层空气孔包含6个空气孔，其直径均为d2；所述外芯内包层为单个空气孔，6个外芯内包层的圆心对称分布于包围内芯的第4层多孔结构上六边形的6个顶角处，其直径均为d3；所述空心环形外芯为忽略包围外芯内包层的第一层(6个)空气孔形成的实心区域；所述包层中的空气孔直径均为d1；上述三种空气孔的直径大小满足：d3>d2>d1。
进一步的，所述空心环形外芯共6个，构成完全相同，相邻两个空心环形外芯间仅隔1层空气孔。
进一步的，所述相邻孔间距Λ的范围为2.14-2.16μm。
进一步的，所述包围内芯的第一层空气孔直径d2的范围为1.544-1.564μm。
进一步的，所述形成外芯内包层的空气孔直径d3的范围为3.47-3.49μm。
进一步的，所述包层空气孔直径d1的范围为1.24-1.26μm。
本发明所提出的一种用于色散补偿的微结构光纤，与现有技术相比具有以下有益效果：(1)本发明的外芯同相位超模与内芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配的技术效果优异。忽略包围外芯内包层的第一层(6个)空气孔构建环形外芯使得外芯光场呈环状分布，且每个外芯面积远大于内芯面积(约为内芯面积的5倍)；设置相邻空气孔间距Λ明显大于工作波长，增大包围内芯的第一层空气孔使其直径d2大于包层空气孔直径d1，以进一步增大外芯面积大于内芯面积的效果；d2大于d1使内芯模式折射率下限小于外芯模式折射率下限；上述技术方案共同作用，产生每个外芯模式与内芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配的技术效果。在此基础上，6个外芯模式间发生能量耦合后形成同相位超模。外芯内包层空气孔直径d3略大于工作波长的2倍，使外芯环宽略小于工作波长；外芯内包层位于包围内芯的第4层多孔结构上，使两个外芯间仅隔1层直径略小于工作波长的空气孔(包层空气孔)；外芯内包层在外芯内侧构成封闭边界、(外)包层在外芯外侧构成泄露边界，上述技术方案的共同作用，加剧了外芯光能量在大于工作波长的波段，向(外)包层方向的泄露和各外芯模式间的能量耦合。因此，各外芯模式在长波处(大于工作波长)的耦合强度明显大于短波处，进一步增强了与内芯模式折射率随波长红移曲线斜率失配的技术效果。上述技术效果保证了内芯模式折射率曲线与外芯同相位超模折射率曲线在非谐振波长处快速分离，以迅速降低内芯模式与外芯同相位超模在非谐振波长的能量耦合。从而减小了内芯模式的色散值随波长红移曲线的半高宽，实现增大内芯模式负色散值数值的技术效果。
(2)内芯模式与外芯同相位超模在谐振波长附近发生强烈能量耦合。从单个外芯构成方案上看：忽略围绕中心的6个空气孔构建环形外芯，为忽略1层空气孔构建环形外芯的方案中，面积最小的方案；Λ明显大于工作波长但d3略大于工作波长的2倍，使外芯环宽略小于工作波长；d3略大于工作波长的2倍，使外芯内包层在外芯内侧构成封闭边界，同时(外)包层为直径为d1的多孔结构，在外芯外侧构成泄露边界；以上技术方案共同作用起到了增强内、外芯模式耦合的技术效果。从多个外芯构成方案看，中心分布于包围内芯的第4层多孔结构上六边形的6个顶角处的外芯模式耦合形成超模，超模的部分光能量分布在(外)包层中，进一步增强了外芯的同相位超模与内芯模式的能量耦合，从而加剧了内芯模式折射率随波长红移曲线在谐振波长附近的突变，使内芯模式产生绝对值很大的负色散，得到了一种用于色散补偿的微结构光纤。
采用该技术方案，实施例最终得到的结果为：在1550nm处，内芯模式的色散值为-2586ps/(nm·km)。
附图说明
图1为实施例的横截面示意图；
图2为实施例的内芯模式与外芯同相位超模在谐振点之前的波长及谐振波长处的电场分布图；
图3为实施例内芯模式与同相位超模的折射率数值随波长红移的曲线示意图；
图4为实施例内芯模式的色散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用于色散补偿的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；包括内芯、包围内芯的第一层空气孔、空心环形外芯、外芯内包层和包层五部分；所述内芯为忽略1个空气孔形成的实心区域；包层空气孔和包围内芯的第一层空气孔采用相邻孔间距为Λ的正三角形排布方式，相邻空气孔间距Λ的范围为2.14-2.16μm，本实施例取Λ＝2.15μm；所述包围内芯的第一层空气孔中包含6个空气孔，其直径d2的范围为1.544-1.564μm，本实施例取d2＝1.554μm；所述外芯内包层为单个空气孔，6个外芯内包层的圆心对称分布于包围内芯的第4层多孔结构上六边形的6个顶角处，其直径d3的范围为3.47-3.49μm，本实施例取d3＝3.48μm；所述空心环形外芯为忽略包围外芯内包层的第一层空气孔形成的实心区域，空心环形外芯共6个，构成完全相同，相邻两个空心环形外芯间仅隔1层空气孔；所述包层中的空气孔直径d1的范围为1.24-1.26μm，本实施例取d1＝1.25μm；上述三种空气孔的直径大小满足：d3>d2>d1。
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。包层空气孔和包围内芯的第一层空气孔采用相邻孔间距为Λ的正三角形排布方式，初始直径均为d1。
设置包层空气孔和包围内芯的第一层空气孔相邻空气孔间距Λ明显大于工作波长，此技术方案的作用如下：①同时增大了内芯和每个外芯的面积，减小了内芯模式和每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。由于增大每个外芯面积的作用更明显，因此减小每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值的作用也更明显。从而使每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。②增大了内芯的直径，可以有效增大内芯模式的面积，一方面减小了功率密度，减弱非线性造成的影响；另一方面更易与传统单模光纤的模场进行匹配，降低了耦合损耗。③增大了外芯(外)包层泄露边界的泄露通道，加剧了外芯内光能量向(外)包层泄露，加强了各外芯模式在长波处(大于工作波长)的耦合强度，同时也加强了外芯模式和内芯模式在谐振波长处的耦合强度。
设置包层空气孔和包围内芯的第一层空气孔初始直径均为d1，此技术方案的作用如下：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 BDA0003298696820000111
(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)。此石英玻璃-多空气孔结构的平均折射率为内芯的包层折射率，也是内芯模式折射率的下限。同时，此石英玻璃-多空气孔结构的平均折射率为外芯(外)包层的折射率，由于其大于外芯内包层的折射率，因此也是外芯模式折射率的下限。综上，Λ和d1确定了内芯与外芯模式折射率的初始下限。d1在本发明的所有空气孔中直径最小，还具有以下作用：①位于两个相邻外芯之间，d1小于工作波长，利于各外芯模式间的耦合。②增大了外芯(外)包层泄露边界的泄露通道，加剧了外芯内光能量向(外)包层泄露，加强了各外芯模式在长波处(大于工作波长)的耦合强度，同时也加强了外芯模式和内芯模式在谐振波长处的耦合强度。
(2)忽略光纤端面的1个空气孔，形成实心区域，增大包围内芯的第一层空气孔，使其直径从d1增大到d2，内芯为由包围此实心区域的第一层空气孔围成的点状芯。内芯模式以纯石英玻璃的折射率作为上限，其光场呈高斯分布，此种内芯的构成方案不会破坏光纤整体的C6v对称性，因此内芯模式不会产生双折射。由(1)中平均折射率的公式可知，增大d2使其大于d1，①减小了包围内芯的第一层空气孔与纯石英玻璃基底的平均折射率，减小了使包围内芯的多孔结构的平均折射率，降低了内芯模式折射率的下限，从而降低了内芯模式折射率的数值，增大了内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。②虽然也降低了包围外芯的多孔结构的平均折射率，但由于每个外芯与直径为d2的空气孔(且仅有1个)至少相隔1层空气孔，其对于外芯模式折射率数值减小、模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值增大的作用几乎可以忽略。
由于内芯的直径和面积均由忽略空气孔的数量、包围内芯的第一层空气孔的直径d2和相邻空气孔间距Λ决定，具体为：内芯的直径为2Λ-d2，面积为
Figure BDA0003298696820000121
因此，增大d2会同时减小内芯的直径和面积，从而会减小内芯模式折射率的数值，增大内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。
(3)增大外芯内包层空气孔的直径d3，忽略包围外芯内包层的第一层(6个)空气孔构建环形外芯。本发明外芯为纯石英玻璃结构，因此外芯模式也以纯石英玻璃的折射率作为上限。
增大外芯内包层使d3略大于工作波长的2倍后，产生如下作用：①由外芯环宽公式
Figure BDA0003298696820000122
可知，增大d3使外芯环宽减小至略小于工作波长后，不仅减小了外芯模式折射率的数值，有利于外芯模式与内芯模式折射率实现数值匹配；同时也减弱了外芯限制光的能力，促进外芯内的光能量向(外)包层方向泄露，加强各外芯模式在长波处(大于工作波长)的耦合强度，以及每个外芯模式和内芯模式在谐振波长处的耦合强度。②外芯光场呈环状分布，外芯内包层在外芯内侧构成封闭边界，光能量以倏逝波向外芯内包层传播；(外)包层在外芯外侧构成泄露边界，光能量通过泄露通道向(外)包层泄露，结合(1)中所述d1为所有孔径最小值，Λ明显大于工作波长这2项增大泄露通道的技术方案，加剧了外芯内光能量向(外)包层泄露。同时，外芯两侧边界条件的差异，使外芯光能量分布向(外)包层方向偏移，利于外芯内光能量向(外)包层泄露。从而加强了各外芯模式在长波处(大于工作波长)的耦合强度，以及外芯模式和内芯模式在谐振波长处的耦合强度。③忽略围绕中心的6个空气孔构建环形外芯为忽略1层空气孔构建环形外芯的方案中面积最小的方案。增大d3后，由外芯的面积公式
Figure BDA0003298696820000131
可知，会进一步减小外芯的面积。与外芯环宽略小于工作波长共同作用下，减弱了外芯限制光的能力，促进外芯内光能量向(外)包层方向扩散。从而加强了各外芯模式在长波处(大于工作波长)的耦合强度，以及每个外芯模式和内芯模式在谐振波长处的耦合强度。由于外芯面积仍远大于内芯面积(约为内芯面积的5倍)，因此，每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值小于内芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。
(4)6个外芯中心对称分布于包围内芯的第4层多孔结构上六边形的6个顶角处。保证了每个外芯结构(包含外芯内包层、环形外芯、包围每个外芯的第一层空气孔)完整，并且以外芯内包层中心为原点，内芯及包围内芯的第一层空气孔具有C6v对称性。6个外芯结构完全相同，整体具有以内芯中心为原点的C6v对称性，保证了内芯中模式没有双折射。
在增强各外芯模式在长波处(大于工作波长)耦合强度方面：①相邻两个外芯间仅隔1层直径d1小于工作波长包层空气孔，加强了各外芯模式在长波处(大于工作波长)的耦合强度。结合(1)和(3)中所述增强各外芯模式间在长波处(大于工作波长)耦合强度的技术方案，使各外芯模式间发生强烈能量耦合产生超模，其中外芯同相位超模折射率数值大于每个外芯模式折射率数值，使得同相位超模的折射率数值在每个外芯模式折射率数值基础上进一步增大，利于外芯同相位超模与内芯模式折射率在工作波长处实现数值匹配。②波长大于工作波长时，外芯光能量向外芯外侧泄露更为明显，各个外芯间能量耦合更强烈；而当波长小于工作波长时，外芯光能量向外芯外侧泄露明显减少，各个外芯间能量耦合显著减弱。由于在长波处耦合更强，外芯同相位超模折射率数值在长波处的增大效果与短波长处相比更明显，因此会减小外芯同相位超模折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，使其小于每个外芯模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。③由于6个外芯整体结构具有以内芯中心为原点的C6v对称性，因此外芯各模式间耦合产生的同相位超模没有双折射。
在增强外芯同相位超模与内芯在谐振波长处耦合强度方面：①外芯中心位于包围内芯的第4层多孔结构使每个外芯与内芯仅隔2层空气孔，距离最近，加强了每个外芯模式与内芯模式的耦合强度。②各外芯模式间发生强烈能量耦合后产生超模(本发明选择其中的同相位超模)，其能量除了在各环状外芯中，部分光能量也分布于各环状外芯附近的(外)包层中，因此外芯同相位超模更易与内芯模式发生耦合。③由于内芯模式与外芯同相位超模均不产生双折射，因此外芯同相位超模与内芯模式耦合后，虽然会导致内芯模式折射率随波长红移曲线在工作波长附近的突变，但是仍然不会导致内芯模式产生双折射。
综上所述，本发明的方案中，通过设计结构及参数，实现了外芯同相位超模与内芯模式折射率随波长红移曲线实现数值匹配与斜率失配：在谐振波长处发生强烈能量耦合(内芯模式折射率曲线与外芯同相位超模折射率曲线在谐振波长处相交)，而在非谐振波长处，内芯模式折射率曲线与外芯同相位超模折射率曲线快速分离，以迅速降低内芯模式与同相位超模在非谐振波长的能量耦合。最终实现了内芯模式在谐振波长具有绝对值很大的负色散，得到了一种用于色散补偿的微结构光纤。
参见附图2，a)和c)分别是1500nm处内芯模式与外芯同相位超模的电场分布图，内芯模式的能量集中在内芯中，外芯同相位超模的能量主要分布在6个外芯中。b)和d)分别是1530nm处内芯模式与外芯同相位超模的电场分布图，内芯模式的能量仍集中在内芯中，外芯同相位超模的能量逐渐向内芯扩散。e)是在1550nm处，内芯模式与外芯同相位超模谐振时的电场分布图。
参见附图3，在谐振波长附近向谐振波长靠近时，内芯和外芯模式折射率随波长红移曲线迅速接近，使两者差值迅速减小；而当远离谐振波长时，内芯和外芯模式折射率随波长红移曲线快速分离，使两者数值上的差值迅速增大，迅速降低内芯模式与同相位超模在非谐振波长的能量耦合。最终使内芯模式折射率数值在谐振点及其附近波长处发生突变，从而产生绝对值很大的负色散。参见附图4，在1550nm处，内芯模式的色散值为-2586ps/(nm·km)。
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)

1.一种用于色散补偿的微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底材料；包括内芯、包围内芯的第一层空气孔、包层、空心环形外芯和外芯内包层五部分；所述内芯为忽略1个空气孔形成的实心区域；
其特征在于：包层空气孔和包围内芯的第一层空气孔采用相邻孔间距为Λ的正三角形排布方式；所述包围内芯的第一层空气孔包含6个空气孔，其直径均为d2；所述外芯内包层为单个空气孔，6个外芯内包层的圆心对称分布于包围内芯的第4层多孔结构上六边形的6个顶角处，其直径均为d3；所述空心环形外芯为忽略包围外芯内包层的第一层(6个)空气孔形成的实心区域；所述包层中的空气孔直径均为d1；上述三种空气孔的直径大小满足：d3>d2>d1。
2.根据权利要求1所述的一种用于色散补偿的微结构光纤，其特征在于：包含6个空心环形外芯，构成完全相同，相邻两个空心环形外芯间仅隔1层空气孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于色散补偿的微结构光纤，其特征在于：所述相邻孔间距Λ的范围为2.14-2.16μm。
4.根据权利要求1所述的一种用于色散补偿的微结构光纤，其特征在于：所述包围内芯的第一层空气孔直径d2的范围为1.544-1.564μm。
5.根据权利要求1所述的一种用于色散补偿的微结构光纤，其特征在于：所述形成外芯内包层的空气孔直径d3的范围为3.47-3.49μm。
6.根据权利要求1所述的一种用于色散补偿的微结构光纤，其特征在于：所述包层空气孔直径d1的范围为1.24-1.26μm。
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