CN114035264B - 一种色散补偿微结构光纤 - Google Patents

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Abstract

一种色散补偿微结构光纤，采用纯石英玻璃作为基底，包括纤芯、一类缺陷、二类缺陷和包层。光纤端面上的空气孔采用具有相同相邻空气孔间距的正三角形排布；忽略1个空气孔构成纤芯；包围纤芯的第3层六边形多孔结构的6个顶角空气孔及其周围基底材料构成一类缺陷，包围每个一类缺陷的第一层空气孔及其周围基底材料构成二类缺陷。二类缺陷既可与包层一起作为包围一类缺陷及缺陷基模的多孔结构，又可与一类缺陷一起作为缺陷二阶模的芯，从而利用同一缺陷结构形成两种不同缺陷波导结构并支持两类缺陷模式。调控两个缺陷模式折射率随波长红移曲线的数值与斜率，使它们均可与芯模数值匹配和斜率失配，使芯模在2个谐振波长均产生绝对值很大的负色散。

Description

一种色散补偿微结构光纤
技术领域
本发明涉及光纤通讯领域，尤其涉及一种色散补偿微结构光纤。
背景技术
单模光纤作为信号传输介质，广泛应用于电信、电力、广播等领域。但其内部的正色散累积，会导致信号脉冲展宽。色散补偿光纤具有绝对值很大的负色散，可以实现用较短长度补偿较长线路中累积的正色散，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速度、大容量、长距离的通信。
微结构光纤，在端面上具有大小与波长为同一个数量级的微孔结构。利用此类光纤设计灵活的特点，人们设计出了很多具有色散补偿特性的微结构光纤，主要有两类方式：
第一类是单芯结构，通过设计光纤结构调控波导色散实现色散补偿。比如，T.A.Birks等人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.Dispersion compensation using single-materialfibers[J].IEEE photonics technology letters,1999,11(6):674-676.)。黄田野和魏倩设计的超平坦色散补偿微结构光纤，采用ZBLAN氟化物为基底材料，轴心设有一个空气孔，最内层空气孔和包层空气孔依次分布在其外侧。在2μm波段附近实现了色散平坦，可用于宽带的色散补偿(黄田野，魏倩.一种ZBLAN氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤：中国，CN201821987796.4[P].2019-08-16.)。
第二类是多芯结构，利用模式耦合机理，使内芯、外芯(或缺陷)模式发生强烈能量耦合，导致内芯模式折射率数值在谐振点处突变，使得内芯模式产生绝对值很大的负色散。其中一类方案，光纤采用了同轴双芯结构，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一个环状外芯。比如，Yang Sigang等人，F.
Figure BDA0003361059140000021
等人，Md.Selim Habib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(Yang Sigang,etal.Theoretical study and experimental fabrication of high negative dispersionphotonic crystal fiber with large area mode field[J].Optics express,2006,14(7):3015-3023.F.
Figure BDA0003361059140000022
J.-L.Auguste,J.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-Core Dispersion Compensating PhotonicCrystal Fiber[J].International journal of engineering&technology(Dubai),2012,1(4):377.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.)。另外一类常用方案，构建了多个外芯(或缺陷)。比如，王伟和赵畅等人设计的一种用于色散补偿的微结构光纤，在包围内芯的第4层的多孔结构上构建6个空心环形外芯，利用外芯同相位超模与点状内芯模式耦合，使内芯模式具有色散补偿特性(王伟,赵畅等.一种用于色散补偿的微结构光纤:中国,CN202111184780.6[P].)。王伟和康晓晨等人设计的一种色散补偿微结构光纤，通过缩小空气孔构建x轴和y轴上缺陷，缺陷内的模式分别与长方形纤芯的x、y偏振态模式在相近波长实现折射率数值匹配和斜率失配，不仅使纤芯模式具有保偏特性，而且纤芯的两个偏振态模式都可以在1550nm处产生绝对值很大的负色散(王伟,康晓晨等.一种单芯色散补偿微结构光纤:中国,CN202110969178.7[P].)。
在微结构光纤中构建多个纤芯，利用各芯间模式耦合机理还会产生其他效应。比如，Xiaolei Zhang等人研究了环型和同心型两种典型多芯光纤的超模，分别产生了与纤芯数量相同的超模(Xiaolei Zhang,Xingyu Zhang,et al.In-phase supermode selectionin ring-type and concentric-type multicore fibers using large-mode-areasingle-mode fiber[J].J.Opt.Soc.Am.A Opt Image Sci Vis,2011,28(5):924-33.)。XueQi等人研究了一种七芯微结构光纤，七芯耦合产生的同相位超模具有模场均匀分布等诸多技术效果(Xue Qi,Sheng-Ping Chen,et al.Design and analysis of seven-corephotonic crystal fiber for high-power visible supercontinuum generation[J].Optical Engineering,2015,54(6):066102.)。
发明内容
本发明在包层对称位置通过缩小7个空气孔的方式构建6个缺陷结构。通过一系列技术方案的有机作用，在同一缺陷中形成缺陷超模和缺陷二阶模两类缺陷模式，并分别控制缺陷超模和缺陷二阶模的模式折射率数值，使二者分别在2个波长与纤芯模式(以下简称芯模)的模式折射率实现数值匹配和斜率失配，从而使芯模在2个波长处均能产生绝对值很大的负色散，对前端单模光纤累积的正色散进行补偿。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)在同一缺陷结构中，产生两类缺陷模式。
本发明的光纤，其基底材料采用纯石英玻璃，上面引入具有相同空气孔间距、呈正三角形排列的空气孔，构成正六边形排布的多孔石英玻璃结构。调整空气孔间距和空气孔直径的数值，可调整空气孔与纯石英玻璃材料的面积占比，从而调整光纤局部区域的等效折射率(即空气孔与纯石英玻璃基底按面积占比折算后的平均折射率)。在所有空气孔初始直径相同的基础上，通过缩小包层中6处对称位置、每处位置7个空气孔，构建缺陷结构：①缩小包围纤芯的第3层六边形多孔结构顶角位置的空气孔，使其孔直径最小。此空气孔与其周围纯石英玻璃基底构成一类缺陷。一类缺陷的折射率为上述空气孔与其周围纯石英玻璃基底按面积占比折算后的平均折射率；②缩小包围一类缺陷的第一层空气孔(共6个)，使其孔直径小于包层空气孔直径，但大于一类缺陷空气孔直径。此6个空气孔与其周围纯石英玻璃基底构成二类缺陷。二类缺陷的折射率为上述6个空气孔与其周围纯石英玻璃基底按面积占比折算后的平均折射率，其数值小于一类缺陷，但大于包层的折射率(包层空气孔与其周围纯石英玻璃基底按面积占比折算后的平均折射率)。另外，上述6个缺陷结构，整体以纤芯中心为中点呈C6v对称，不会使芯模产生双折射。
以上技术方案所产生的技术效果为：以一类缺陷作为缺陷(芯)，二类缺陷和包层共同作为包围此缺陷(芯)的多孔结构，可以形成波导结构；以一类缺陷与二类缺陷共同作为芯区并整体形成1个缺陷(环芯)，包层为包围这个环状分布的缺陷(环芯)的多孔结构，可以形成另外一类波导结构。
以一类缺陷作为缺陷(芯)，以二类缺陷和包层共同作为包围此缺陷(芯)的多孔结构，能够构成波导结构。由于相邻两个一类缺陷之间至少相隔2层空气孔(位于包围纤芯的第3层空气孔上的2个二类缺陷空气孔)，本发明的光纤在结构上具有对称分布的6个独立的缺陷(芯)。每个独立缺陷(芯)内支持的模式为缺陷基模，此模式以一类缺陷的折射率作为模式折射率上限，以二类缺陷和包层按面积占比折算后的平均折射率作为模式折射率下限。在此基础上，相邻缺陷基模的能量通过中间的2个二类缺陷空气孔泄露后发生耦合，设置包层空气孔直径为所有空气孔直径中最大值，促进相邻缺陷基模的光能量通过这2个空气孔泄露，增强相邻缺陷基模间的耦合强度，最终6个缺陷(芯)内的缺陷基模将演化成1个光能量覆盖整个包围纤芯的第3层空气孔(6个一类缺陷空气孔与12个二类缺陷空气孔)及其周围纯石英玻璃区域的、光场连通呈六边形分布的缺陷超模。在耦合的作用下，缺陷超模的模式折射率数值将大于缺陷基模，但其模式折射率上、下限数值保持不变。
以一类缺陷与二类缺陷共同作为芯区，以包层为包围这个环状分布的缺陷(环芯)的多孔结构，也能够构成波导结构。由于相邻两个二类缺陷存在没有包层空气孔阻隔而相互接触的区域，本发明的6处缺陷从结构上连通，整体形成1个包含6个一类缺陷空气孔、36个二类缺陷空气孔及其周围纯石英玻璃的缺陷(环芯)。此缺陷(环芯)中存在一个光场连通呈环形分布的模式。其以一类缺陷与二类缺陷按面积占比折算后的平均折射率作为模式折射率上限，以包层的折射率作为模式折射率下限，其上、下限数值分别低于上一段所述缺陷超模的模式折射率上、下限数值。因此，在任意波长处，缺陷(环芯)内支持的模式，其模式折射率数值均小于缺陷超模模式折射率数值，即缺陷(环芯)内支持的模式为缺陷二阶模。
利用上述技术方案，本发明中的二类缺陷既能充当包围缺陷基模的多孔结构，又能充当缺陷二阶模的芯区，即利用同一缺陷结构形成了两种不同波导结构，实现了在同一缺陷结构中产生缺陷超模和缺陷二阶模两类缺陷模式的技术效果。
(2)利用同一缺陷结构，使缺陷超模和缺陷二阶模分别与芯模在不同波长实现模式折射率数值匹配与斜率失配。
本发明中，无论纤芯中的模式还是缺陷中的模式，波长较短时，能量更集中于自身芯区；随着波长变长，更多能量将逐步扩散至包围芯区的多孔结构。因此，各个模式的模式折射率数值，均随着波长变长而变小，即模式折射率随波长红移曲线的斜率为负值。
通过忽略被6个包层缺陷结构围绕的多孔结构的中心位置的1个空气孔，本发明构建了纯石英玻璃材料的纤芯，包层为包围此纤芯的多孔结构。芯模的模式折射率以纯石英玻璃的折射率作为上限，此数值为本发明中各部分折射率的最大值；其模式折射率以包层的折射率作为下限，此数值为本发明中各部分折射率的最小值。因此，芯模模式折射率随波长红移的曲线，其斜率绝对值为各模式中最大。此外，同一空气孔间距的前提下，设置包层空气孔直径大于其他空气孔直径这一技术方案，使得纤芯的直径为各芯区中直径最小。此技术方案会降低芯模模式折射率数值，且其在长波处降低数值的作用更明显，从而进一步增大了芯模模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。
由(1)中所述可知，缺陷超模以一类缺陷的折射率作为模式折射率的上限，其小于芯模模式折射率的上限；以二类缺陷和包层按面积占比折算后的平均折射率作为模式折射率的下限，其大于芯模模式折射率的下限。因此，数值上，芯模的模式折射率数值区间包含了缺陷超模模式折射率数值区间；斜率上，芯模模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值大于缺陷超模。同时，由于缺陷基模间发生耦合形成缺陷超模时，其在长波处的耦合强度大于在短波处的耦合强度。因此缺陷超模模式折射率数值在长波处的增量大于短波处，从而进一步降低了缺陷超模的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，增大了缺陷超模与芯模两者模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值。上述技术方案，实现了缺陷超模与芯模的模式折射率随波长红移的曲线在第一谐振波长处相交(即两者数值匹配)，并且增大了两者斜率绝对值的差值(即斜率失配)的技术效果。
由(1)中所述可知，缺陷二阶模以一类缺陷与二类缺陷按面积占比折算后的平均折射率作为模式折射率的上限，小于芯模模式折射率的上限；以包层的折射率作为模式折射率的下限，与芯模模式折射率的下限相同。因此，数值上，芯模的模式折射率数值区间包含了缺陷二阶模模式折射率数值区间，斜率上，芯模模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值大于缺陷二阶模。同时，由于每个缺陷的面积约为纤芯的7倍，6处缺陷从结构上连通构成一个环芯后其面积约为纤芯的42倍。芯区面积的增大会显著增强长波处束缚光能量的能力，增大缺陷二阶模长波处模式折射率的数值，从而进一步降低了缺陷二阶模模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，增大了缺陷二阶模与芯模两者模式折射率随波长红移曲线斜率绝对值的差值。本发明利用同一缺陷结构，又实现了芯模与缺陷二阶模的模式折射率随波长红移的曲线在第二谐振波长处的数值匹配与斜率失配的技术效果。
另外，由(1)中所述可知，在任意波长处，缺陷二阶模的模式折射率数值均小于缺陷超模，因此第二谐振波长大于第一谐振波长。
(3)利用同一缺陷结构，调控2个谐振波长的位置。
如(2)中所述，忽略1个空气孔构成纤芯、包层为包围纤芯的多孔结构、调整空气孔间距的数值、包层空气孔直径最大等4个技术方案共同作用，用于实现对芯模模式折射率数值的调控。
在此基础上，综合利用多种技术方案调整缺陷超模与缺陷二阶模的模式折射率数值，以调控它们与芯模的谐振波长位置：①缩小但保留一类缺陷空气孔，会同时降低缺陷超模与缺陷二阶模的模式折射率上限，降低二者的模式折射率数值，造成2个谐振波长红移。②二类缺陷空气孔的直径大于一类缺陷空气孔，小于包层空气孔的直径，因此二类缺陷的折射率小于一类缺陷的折射率，大于包层的折射率。当二类缺陷(与包层共同)作为包围缺陷基模的多孔结构时，不仅会抬高缺陷基模的模式折射率下限，还会增大缺陷基模所在芯区的直径，从而增大其模式折射率数值，造成第一谐振波长蓝移。而当二类缺陷(与一类缺陷共同)作为缺陷二阶模的缺陷(芯)时，则会降低缺陷二阶模的模式折射率上限，降低其模式折射率数值，造成第二谐振波长红移。③此外，由(1)中第二段所述，相邻缺陷基模的能量通过围绕纤芯的第3层空气孔上2个二类缺陷空气孔泄露，发生耦合形成缺陷超模后，其模式折射率数值大于缺陷基模模式折射率数值，造成第一谐振波长蓝移。综合利用以上技术手段，实现了利用同一缺陷结构调控2个谐振波长的位置的技术效果。
以上三个技术问题的解决，使得本发明实现了缺陷超模与缺陷二阶模分别与芯模在不同波长发生谐振，导致芯模模式折射率随波长红移曲线在2个谐振波长处均发生突变，使芯模产生绝对值很大的负色散，从而实现在2个波长对前端单模光纤累积色散进行补偿的技术效果。
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、一类缺陷、二类缺陷和包层四部分；所述纤芯为忽略1个空气孔形成的实心区域；
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；所述一类缺陷由位于包围纤芯的第3层六边形多孔结构的6个顶角的空气孔及其周围基底材料构成，共包含6个空气孔，其直径均为d3；所述二类缺陷由包围每个一类缺陷的第一层空气孔及其周围基底材料构成，共包含36个空气孔，其直径均为d2；所述包层由包围纤芯及二类缺陷的空气孔及其周围基底材料构成，其空气孔直径均为d1；上述三种空气孔的直径大小满足：d1>d2>d3。
进一步的，所述相邻空气孔间距Λ的范围为1.98-2.02μm。
进一步的，所述一类缺陷中空气孔直径d3的范围为0.385-0.425μm。
进一步的，所述二类缺陷中空气孔直径d2的范围为0.99-1.03μm。
进一步的，所述包层中空气孔直径d1的范围为1.33-1.37μm。
本发明所提出的一种色散补偿微结构光纤，其既能够以一类缺陷作为缺陷超模的芯区，二类缺陷与包层共同作为包围此模式的多孔结构形成波导结构；又能够以一类缺陷与二类缺陷共同作为缺陷二阶模的芯区，包层作为包围此模式的多孔结构形成波导结构，从而实现了利用同一缺陷结构形成了两种不同波导结构，在同一缺陷结构中产生缺陷超模和缺陷二阶模两类缺陷模式。调控缺陷超模及缺陷二阶模的模式折射率随波长红移曲线的数值与斜率，使二者均可与芯模的模式折射率随波长红移曲线实现数值匹配和斜率失配。最终，利用芯模与两种缺陷模式在谐振波长处的能量耦合，实现了芯模在2个谐振波长均产生绝对值很大的负色散的技术效果，以补偿前端单模光纤在上述2个谐振波长处的累积正色散。与现有技术相比具有以下有益效果：与在单一波长处实现色散补偿效果的微结构光纤(不引入双折射)方案相比，本发明所提出的色散补偿微结构光纤，在同一缺陷结构中产生2类模式(即缺陷超模与缺陷二阶模)，使其在2个波长处分别与芯模发生谐振，从而在2个谐振波长处，均会使芯模产生绝对值很大的负色散，对前端单模光纤中累积的正色散进行补偿。在一些保偏色散补偿微结构光纤中，其芯模也会与包层模式发生2次谐振，产生绝对值很大的负色散。但这些方案是通过在芯模引入双折射，利用芯模的两个不同偏振态实现的，芯模的每一个偏振态与包层模式仅发生一次谐振。因此，这些方案产生的负色散与模式的偏振态相关，仅能补偿前端单模光纤芯模相同偏振态积累的正色散。而本发明不论在结构上，还是在缺陷模式与芯模的谐振上，都不会在芯模引入双折射。因此，在2个谐振波长处，芯模均能对前端单模光纤两偏振态中累积的正色散进行补偿。
采用该技术方案，实施例最终得到的结果为：在1552nm处，芯模的色散值为-3312ps/(nm·km)；在1571nm处，芯模的色散值为-6065ps/(nm·km)。
附图说明
图1为实施例的横截面示意图；
图2为实施例的芯模、缺陷超模与缺陷二阶模的模式折射率随波长红移曲线示意图；
图3为实施例的芯模色散数值随波长红移曲线示意图。
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、一类缺陷、二类缺陷和包层四部分；所述纤芯为忽略1个空气孔形成的实心区域；光纤端面上的空气孔均采用相邻空气孔间距为Λ的正三角形排布方式，Λ的范围为1.98-2.02μm，本实施例取Λ＝2μm；所述一类缺陷由位于包围纤芯的第3层六边形多孔结构的6个顶角的空气孔及其周围基底材料构成，共包含6个空气孔，其直径d3的范围为0.385-0.425μm，本实施例取d3＝0.405μm；所述二类缺陷由包围每个一类缺陷的第一层空气孔及其周围基底材料构成，共包含36个空气孔，其直径d2的范围为0.99-1.03μm，本实施例取d2＝1.01μm；所述包层由包围纤芯及二类缺陷的空气孔及其周围基底材料构成，其空气孔直径d1的范围为1.33-1.37μm，本实施例取d1＝1.35μm；上述三种空气孔的直径大小满足：d1>d2>d3。
本专利的具体技术方案可以描述为：
本发明的光纤结构具有以下参数：纤芯忽略1个空气孔；相邻空气孔间距Λ；包层空气孔直径d1；缺陷结构中心位于包围纤芯的第3层六边形多孔结构6个顶角位置；一类缺陷空气孔直径d3；二类缺陷空气孔直径d2。
对于三角形晶格的空气孔阵列，其某一晶格内空气孔与纯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 BDA0003361059140000111
(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，di为相应位置空气孔的直径)。di取d1、d2、d3时，分别对应包层、一类缺陷、二类缺陷的折射率。一类缺陷与二类缺陷按面积占比折算后的平均折射率为
Figure BDA0003361059140000112
上述参数还会影响纤芯和包层缺陷(芯)区域的直径、面积和间距：纤芯的直径为2Λ-d1，面积为
Figure BDA0003361059140000121
仅一类缺陷为缺陷(芯)，二类缺陷和包层共同作为包围此缺陷(芯)的多孔结构，可以形成波导结构，此时缺陷(芯)的直径为2Λ-d2，面积为
Figure BDA0003361059140000122
一类缺陷与二类缺陷共同作为芯区，包层作为包围此缺陷(芯)的多孔结构，也可以形成波导结构，此时芯区在6个顶角处的环宽最宽，为4Λ-d1，六条边长处的环宽最窄，为
Figure BDA0003361059140000123
其面积为
Figure BDA0003361059140000124
且缺陷结构中心与纤芯中心相距3Λ，相邻两缺陷结构中心的距离也为3Λ。
根据上述各结构参数对本发明的影响可知：
(1)Λ为所有空气孔(包括一类缺陷空气孔、二类缺陷空气孔、包层空气孔)共用的孔间距。减小Λ，将会产生以下技术效果：①会同时减小纤芯和包层缺陷(芯)区域的直径、面积，从而降低各芯区模式的模式折射率数值，增大其模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。②会同时降低芯模的模式折射率下限、缺陷超模和缺陷二阶模模式折射率的上、下限，可以同时降低三者的模式折射率数值，增大芯模模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。③会减小相邻缺陷芯区间的距离及缺陷芯区与纤芯间的距离。相邻缺陷芯区间的距离减小，会增强相邻缺陷基模间的耦合强度，增大缺陷超模的模式折射率数值。由于相邻缺陷基模在长波处的耦合强度大于在短波处，其模式折射率数值在长波处的增量大于短波处，因此还会同时降低其模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。上述两个因素使得第一谐振波长蓝移。缺陷芯区与纤芯间的距离减小，会增强两类缺陷模式(即缺陷超模、缺陷二阶模)与芯模的谐振强度，增大芯模在2个谐振波长处产生的负色散值的数值。反之，增大Λ具有相反的技术效果。
(2)包层由直径为d1的空气孔与其周围纯石英玻璃基底构成，既可作为包围芯模和缺陷二阶模的多孔结构，又可作为包围缺陷超模的多孔结构的一部分。调整d1，将产生如下技术效果：①设置d1为所有空气孔直径中最大值，因此包层空气孔环绕的方向限制光能量的作用强，促使相邻缺陷基模的光能量沿包围纤芯的第3层多孔结构中的2个二类缺陷空气孔所在的通道泄露，加强了缺陷基模间的耦合强度。②在此基础上，使d1小于工作波长，保证了在2个谐振波长处，缺陷超模和缺陷二阶模的光能量向纤芯泄露，两类缺陷模式均会与芯模发生强烈的谐振，使芯模在2个谐振波长处产生绝对值很大的负色散。③此外，减小d1还会增大包层的折射率进而抬高各芯区模式的模式折射率下限、增大芯模及缺陷二阶模所在芯区的直径和面积，从而增大芯模、缺陷超模与缺陷二阶模的模式折射率数值，降低上述三类模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值。反之，增大d1具有相反的技术效果。
(3)6处包层缺陷结构完全相同，其中心分别位于包围纤芯的第3层六边形多孔结构的顶角位置，此种缺陷的分布形式和位置将产生以下技术效果：①本发明整体具有以纤芯中心为原点的C6v对称性，保证了芯模没有双折射。②使相邻两个二类缺陷存在没有包层空气孔阻隔而互相接触的区域，从而使6处缺陷从结构上连通，整体形成1个缺陷(环芯)。增大了缺陷二阶模的模式折射率数值，增大了缺陷二阶模芯区的面积，使其远大于其他芯区的面积，降低了缺陷二阶模的模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，使第二谐振波长蓝移。③使相邻缺陷基模的芯区间仅隔2层二类缺陷空气孔，利于相邻缺陷基模的光能量通过这2个空气孔泄露，增强相邻缺陷基模间的耦合强度，从而增大缺陷超模的模式折射率数值，降低其模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，使第一谐振波长蓝移。④使缺陷超模的芯区与纤芯隔2层空气孔，缺陷二阶模的芯区与纤芯仅隔1层空气孔，保证了两类缺陷(芯)结构完整的前提下，模式均会与芯模发生强烈耦合(谐振)，在2个谐振波长处均产生绝对值很大的负色散。
(4)一类缺陷由直径为d3的空气孔及其周围纯石英玻璃基底构成，既可作为缺陷超模的芯区，又可作为缺陷二阶模芯区的一部分。每个一类缺陷中包含1个直径为d3的空气孔，并设置d3为所有空气孔直径中最小值。此种一类缺陷的构建方式，将产生如下技术效果：①使一类缺陷的折射率大于二类缺陷和包层的折射率。因此以一类缺陷为芯，二类缺陷与包层联合作为包围其的多孔结构形成波导结构时，一类缺陷内部可形成模式。②使一类缺陷折射率小于纤芯的折射率(即纯石英玻璃的折射率)，降低了缺陷超模与缺陷二阶模的模式折射率上限，从而降低了二者的模式折射率数值，降低二者模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，使2个谐振波长红移。③与实芯相比，会降低缺陷芯区限制光的能力，促进缺陷模式的光能量向外泄露。不仅增强了相邻缺陷基模间的耦合强度，也增强缺陷超模、缺陷二阶模与芯模的谐振强度。前者增大缺陷超模的模式折射率数值，降低其模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，使第一谐振波长蓝移；后者增大芯模在2个谐振波长处产生的负色散值的数值。
(5)二类缺陷由直径为d2的空气孔及其周围纯石英玻璃基底构成，既可作为包围缺陷超模多孔结构的一部分，又可作为缺陷二阶模芯区的一部分。每个二类缺陷中包含6个包围一类缺陷的空气孔，其直径d2满足：d1>d2>d3。此种二类缺陷的构建方式，将产生如下技术效果：①d2大于d3，使二类缺陷可作为包围缺陷超模多孔结构的一部分。在此基础上，d2小于d1使得二类缺陷的折射率大于包层的折射率。因此，二类缺陷与包层共同作为包围缺陷超模的多孔结构，会抬高缺陷超模的模式折射率下限。d2小于d1还会增大缺陷超模所在芯区的直径和面积。综上，设置d2小于d1，将增大缺陷超模的模式折射率的数值，降低其模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，从而使第一谐振波长蓝移。②d2小于d1，使二类缺陷可作为缺陷二阶模芯区的一部分。此时，相邻缺陷从结构上连通，6个缺陷将整体形成1个缺陷(环芯)，从而增大缺陷二阶模的面积。这会导致缺陷二阶模长波处模式折射率的数值增大，其模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值降低，使第二谐振波长蓝移。在此基础上，d2大于d3将使得二类缺陷的折射率小于一类缺陷的折射率。因此，二类缺陷与一类缺陷共同作为芯区，会降低缺陷二阶模的模式折射率上限，从而降低缺陷二阶模的模式折射率的数值，降低其模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，使第二谐振波长红移。③此外，由于d2小于d1，会促进缺陷芯区内的光能量通过二类缺陷向外泄露，不仅加强相邻缺陷基模间的耦合强度，还会加强缺陷超模与芯模的谐振强度。前者增大了缺陷超模的模式折射率数值，降低了其模式折射率随波长红移曲线的斜率绝对值，也会使第一谐振波长蓝移；后者增大了芯模在第一谐振波长处产生的负色散值的数值。由于d2大于d3，一类缺陷与二类缺陷按面积占比折算后的平均折射率小于一类缺陷的折射率，会进一步降低缺陷芯区限制光的能力，促进缺陷二阶模的光能量向纤芯泄露，从而增强了缺陷二阶模与芯模的谐振强度，增大了芯模在第二谐振波长处产生的负色散值的数值。
综上所述，本发明的方案中所提出的缺陷结构，对称分布于包围纤芯的第3层六边形多孔结构的6个顶角处。以一类缺陷作为缺陷超模的芯区，二类缺陷与包层共同作为包围此模式的多孔结构可以形成波导结构；以一类缺陷与二类缺陷共同作为缺陷二阶模的芯区，包层作为包围此模式的多孔结构也可以形成波导结构，从而实现了利用同一缺陷结构形成两种不同波导结构并引入缺陷超模与缺陷二阶模两个模式的技术效果。综合利用上述技术方案调整缺陷超模与缺陷二阶模的模式折射率随波长红移曲线的数值与斜率，最终实现了缺陷超模与缺陷二阶模均可与芯模的模式折射率随波长红移曲线实现数值匹配和斜率失配，在2个谐振波长处均能发生强烈能量耦合(缺陷超模与缺陷二阶模的模式折射率随波长红移曲线分别在2个谐振波长处与芯模的模式折射率随波长红移曲线相交)；而在非谐振波长处，缺陷超模、缺陷二阶模的模式折射率随波长红移曲线均会与芯模的模式折射率随波长红移曲线快速分离，以迅速降低缺陷超模、缺陷二阶模与芯模在非谐振波长的能量耦合。最终实现了芯模在2个谐振波长处均具有绝对值很大的负色散，得到了一种色散补偿微结构光纤。
参见附图2，缺陷超模与缺陷二阶模的模式折射率随波长红移曲线分别在2个谐振波长处与芯模的模式折射率随波长红移曲线相交。在第一谐振波长(或第二谐振波长)附近向第一谐振波长(或第二谐振波长)靠近时，缺陷超模(或缺陷二阶模)与芯模的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；而当远离第一谐振波长(或第二谐振波长)时，缺陷超模(或缺陷二阶模)与芯模的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，迅速降低缺陷超模(或缺陷二阶模)与芯模在非谐振波长的能量耦合。最终使芯模的模式折射率数值在2个谐振点及其附近波长处均会发生突变，从而在2个谐振波长处，均会使芯模产生绝对值很大的负色散。参见附图3，在1552nm处，芯模的色散值为-3312ps/(nm·km)；在1571nm处，芯模的色散值为-6065ps/(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 (5)

1.一种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、一类缺陷、二类缺陷和包层四部分；所述纤芯为忽略1个空气孔形成的实心区域；
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；所述一类缺陷由位于包围纤芯的第3层六边形多孔结构的6个顶角的空气孔及其周围基底材料构成，共包含6个空气孔，其直径均为d3；所述二类缺陷由包围每个一类缺陷的第一层空气孔及其周围基底材料构成，共包含36个空气孔，其直径均为d2；所述包层由包围纤芯及二类缺陷的空气孔及其周围基底材料构成，其空气孔直径均为d1；上述三种空气孔的直径大小满足：d1>d2>d3。
2.根据权利要求1所述的一种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1.98-2.02μm。
3.根据权利要求1所述的一种色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述一类缺陷中空气孔直径d3的范围为0.385-0.425μm。
4.根据权利要求1所述的一种色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述二类缺陷中空气孔直径d2的范围为0.99-1.03μm。
5.根据权利要求1所述的一种色散补偿微结构光纤，其特征在于：所述包层中空气孔直径d1的范围为1.33-1.37μm。
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