CN114839714A - 一种温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，光子晶体光纤在石英基底上从内到外依次设置有内纤芯、内包层、外纤芯及外包层，内纤芯包括中心的石英基底；内包层包括最内层的椭圆形空气孔和两层的圆形空气孔；外纤芯包括一层圆形介质孔，圆形介质孔内填充有温敏液体材料；外包层包括三层圆形空气孔；其中，除最内层椭圆形空气孔，每层的圆形介质孔或圆形空气孔按正六边形结构排列。在不改变光纤结构的情况下，通过改变温度能够控制温敏液体材料的折射率，从而调整耦合波长和色散值。

Description

一种温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及一种温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，属于光子晶体光纤技术领域。
背景技术
DWDM，即密集波分复用，实质就是一种在光波段的波分复用技术，将不同波长的信号载波合并送入一根光纤进行传输，从而在一根光纤中可以实现多路光信号的复用传输，可以充分利用光纤的巨大带宽资源，增大传输容量、提高传输速率，因此在现代光纤通信系统中得到了广泛的应用。但是由于光纤色散的存在，限制了该类系统向超高速率、超大容量、超长距离这三个维度演进。由于现有通信光纤和色散补偿模块的相对色散斜率不一定相同，会在传输过程中产生残余色散，影响通讯质量。因此，具有可调谐功能的色散补偿模块才能适应未来光纤通信系统发展的需要。
DWDM系统主要应用于1550nm窗口，对于目前应用最广泛的G.652光纤，就需要利用色散补偿型光纤对色散进行补偿，从而降低整个传输线路的总色散，改善信号质量。
色散补偿光纤可以由分层芯光纤、多包层光纤、双模光纤、光子晶体光纤等多种不同类型的光纤设计而成。光子晶体光纤的周期结构使其呈现出许多普通光纤难以实现的特性，如无截止单模传输、色散补偿、色散可调、低损耗、高双折射等特性。设计者可以通过改变空气孔大小、排列、形状等参数的方式，极大的调节光子晶体光纤的色散特性，以满足需求。
近年来，国内外对于可调谐色散补偿光子晶体光纤已有研究，尽管现在已有不少的光子晶体光纤设计可以实现可调谐特性，但色散值方面仍存在提升的空间，同时，DWDM系统的相邻波长间隔非常小(<1.6nm)，实际应用中波长间隔通常采用200GHz(1.6nm)，100GHz(0.8nm)，50GHZ(0.4nm)，现有光纤的色散补偿波长可调谐精度很难达到这么高，很难实现波分复用系统的色散动态补偿功能。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，在不改变光纤结构的情况下，通过改变温度能够控制温敏液体材料的折射率，从而精确的调整色散补偿波长和色散值。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，所述光子晶体光纤在石英基底上从内到外依次设置有内纤芯、内包层、外纤芯及外包层，
所述内纤芯包括中心的石英基底；
所述内包层包括最内层的椭圆形空气孔和两层的圆形空气孔；
所述外纤芯包括一层圆形介质孔，所述圆形介质孔内填充有温敏液体材料；
所述外包层包括三层圆形空气孔；
其中，除最内层椭圆形空气孔，每层的圆形介质孔或圆形空气孔按正六边形结构排列。
进一步的，所述最内层椭圆形空气孔包括两个竖向的椭圆形空气孔和四个横向的椭圆形空气孔，
其中，竖向的椭圆形空气孔分别对称分布于内纤芯的两侧，横向的椭圆形空气孔两两对称分布于内纤芯的另外两侧。
进一步的，所述圆形介质孔与圆形空气孔的直径相等，且小于椭圆形空气孔的长轴。
进一步的，所述椭圆形空气孔的长轴为2μm，短轴为1.2μm。
进一步的，以圆心为原点，建立直角坐标系，沿X轴方向，每层圆形空气孔或圆形介质孔与相邻层的圆形空气孔的间距均相等。
进一步的，在X轴上的每层圆形空气孔或圆形介质孔与相邻层的圆形空气孔的间距为2.3μm。
进一步的，所述石英基底的折射率的表达式如下，
Figure BDA0003617647180000031
其中，n0 2(λ)表示石英基底的折射率，λ表示波长，A、B、C、λ1、λ2和λ3都表示常数，A＝0.6961663，B＝0.4079426，C＝0.8974794，λ1＝0.0684043μm，λ2＝0.1162414μm，λ3＝9.896161μm。
进一步的，所述温敏液体材料的折射率的表达式如下：
n＝-3.45×10-4t+1.396125
其中，n表示温敏液体材料的折射率，t表示温度。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明的温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，在不改变光纤结构的前提下，通过改变温度，从而改变温敏液体材料的折射率，进而改变耦合波长和色散值，实现了色散补偿的精准控制。
本发明通过双芯的优化设计，能够将色散补偿波长精确调节到1550nm处，负色散峰值保持在-225000ps/nm/km左右，比以往研究提高了一个数量级，节约材料的同时实现了色散补偿器的小型化。
附图说明
图1是一种温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤的结构示意图；
图2是在常温25℃下的光子晶体光纤的色散曲线；
图3是光子晶体光纤的色散曲线随折射率的变化图；
图4是光子晶体光纤的色散曲线随温度的变化图；
图5是耦合波长随温度变化的拟合图。
图中：1、石英基底；2、椭圆形空气孔；3、圆形空气孔；4、圆形介质孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，如图1所示，光子晶体光纤在石英基底1上从内到外依次设置有内纤芯、内包层、外纤芯及外包层，
内纤芯包括中心的石英基底1；
内包层包括最内层的椭圆形空气孔2和两层的圆形空气孔3；
外纤芯包括一层圆形介质孔4，所述圆形介质孔4内填充有温敏液体材料；
外包层包括三层圆形空气孔3；
其中，除最内层椭圆形空气孔2，每层的圆形介质孔4或圆形空气孔3按正六边形结构排列。
本发明的技术构思为，本光子晶体光纤共拥有两个光传输区，分别为内纤芯和温敏液体填充的外纤芯。其中，短波光主要在内纤芯传播，长波光主要集中在外纤芯传播，在特定的耦合波长附近，内纤芯与外纤芯的光耦合，产生一个大的负色散值以进行色散补偿。本发明通过控制温度，能够改变温敏液体的折射率，进而调整耦合波长，耦合波长即色散补偿对应的波长，实现了色散补偿的精准控制。
具体的，如图1所示，最内层椭圆形空气孔2包括两个竖向的椭圆形空气孔2和四个横向的椭圆形空气孔2，其中，竖向的椭圆形空气孔2分别对称分布于内纤芯的两侧，横向的椭圆形空气孔2两两对称分布于内纤芯的另外两侧。实验计算表明，最内层用椭圆形孔替代圆形孔，可以将负色散峰值提高一个量级左右，同时这种排列方式相比于其他排列方式可以更好的将光限制在内纤芯内传播。
以圆心为原点，建立直角坐标系，沿X轴方向，每层圆形空气孔3或圆形介质孔4与相邻层的圆形空气孔3的间距均相等。在X轴上的每层圆形空气孔3或圆形介质孔4与相邻层的圆形空气孔3的间距为2.3μm。其中，圆形介质孔4与圆形空气孔3的直径相等，且小于椭圆形空气孔2的长轴，均为1.32μm。椭圆形空气孔2的长轴为2μm，短轴为1.2μm。
在常温下，石英基底1的折射率的表达式如下，
Figure BDA0003617647180000051
其中，n0 2(λ)表示石英基底1的折射率，λ表示波长，A、B、C、λ1、λ2和λ3都表示常数，A＝0.6961663，B＝0.4079426，C＝0.8974794，λ1＝0.0684043μm，λ2＝0.1162414μm，λ3＝9.896161μm。
温敏液体材料的折射率的表达式如下：
n＝-3.45×10-4t+1.396125
其中，n表示温敏液体材料的的折射率，t表示温度。本实施例中的常温为25℃，故此时的温敏液体材料的折射率为1.3875。
本实施例中的温敏液体材料选用Cargille Laboratories生产的折射率匹配液AAA系列。
本实施例中的光子晶体光纤中的外纤芯的介质孔内填充有温敏液体材料，一方面，注入温敏液体等介质材料，由于温敏材料折射率与空气和石英基底均不相等，因此内外纤芯中各自产生的折射率差不等，这可以形成一个非对称的耦合双芯结构，两个纤芯位置很近又能各自支持独立模式进行传输，当传输波长在某个相位匹配波长附近时，两个模式能发生耦合，并借此使各自传播的模式的有效折射率有一个明显的改变，产生一个大负色散，可以利用此负色散进行色散补偿；另一方面，温敏液体材料属于折射率可调的聚合物材料，使得光子晶体光纤不仅可以得到很大的负色散，也能通过改变聚合物介质折射率的方式来调整色散。
本实施例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，得到色散特性。具体的色散方程如下：
Figure BDA0003617647180000061
其中，D表示色散值，λ表示波长，c表示光速，表示，Re[neff]表示有效模式折射率，d表示微分。
如图2所示，本实施例在常温25℃下进行测试，此时温敏液体材料的折射率为1.3875。在折射率为1.3875的情况下，光子晶体光纤的耦合波长，即色散补偿对应的波长，能够精确的达到1550nm，此时色散值为-225000ps/nm/km。G.652标准单模光纤的色散值为17ps/nm/km，简单计算可知，2m的本实施例的光子晶体光纤可以补偿一根约25000m的G.652标准光纤产生的色散累计。
如图3和图4所示，结合外纤芯内介质孔填充的温敏液体材料的折射率温度关系，通过调节温度，能够精确地调节液体折射率，进而调节耦合波长。通过调节外纤芯内介质孔填充的温敏液体材料的折射率，不仅改变了光子晶体光纤的耦合波长，还改变了在耦合波长处对应的色散值。随着折射率的增大，外纤芯的有效折射率也随之增加，同时耦合波长像短波方向移动，整个过程中色散值基本维持在-225000ps/nm/km附近。
如图5所示，是耦合波长与温度的拟合曲线，可以很明显地看出，耦合波长与温度呈线性关系，斜率为1.21nm/℃，拟合方程为y＝1.21x+1519.75，其中y代表耦合波长，x代表温度。
根据拟合方程，可以通过温度灵活调控耦合波长，这也就意味着可以在相对宽的波长范围内精确动态地选择色散补偿位置。对于目前DWDM系统常用的信道间隔1.6nm、0.8nm和0.4nm，计算可知对应的温度间隔分别为1.32℃，0.66℃，0.33℃，此温度间隔易于控制，故对DWDM系统中多通道色散补偿技术的实现具有重要的意义。
综上所述，通过结构参数优化，调节液体折射率，可以将耦合波长精确调节至1550nm处，负色散峰值为-225000ps/nm/km，这比以往的研究整整提高了一个数量级。模拟结果显示，耦合波长随外纤芯内介质孔填充的温敏液体材料的折射率发生变化，通过温度调节可以实现1530nm到1570nm波长内的定量控制，其可调谐性可用于相对宽波长范围内的工作。同时，根据实际应用中DWDM系统的信道间隔，所对应的需要调节的温度间隔也易于控制，对DWDM系统中多通道色散补偿技术具有现实意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，其特征是，所述光子晶体光纤在石英基底(1)上从内到外依次设置有内纤芯、内包层、外纤芯及外包层，
所述内纤芯包括中心的石英基底(1)；
所述内包层包括最内层的椭圆形空气孔(2)和两层的圆形空气孔(3)；
所述外纤芯包括一层圆形介质孔(4)，所述圆形介质孔(4)内填充有温敏液体材料；
所述外包层包括三层圆形空气孔(3)；
其中，除最内层椭圆形空气孔(2)，每层的圆形介质孔(4)或圆形空气孔(3)按正六边形结构排列。
2.根据权利要求1所述的温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，其特征是，所述最内层椭圆形空气孔(2)包括两个竖向的椭圆形空气孔(2)和四个横向的椭圆形空气孔(2)，
其中，竖向的椭圆形空气孔(2)分别对称分布于内纤芯的两侧，横向的椭圆形空气孔(2)两两对称分布于内纤芯的另外两侧。
3.根据权利要求1所述的温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，其特征是，所述圆形介质孔(4)与圆形空气孔(3)的直径相等，且小于椭圆形空气孔(2)的长轴。
4.根据权利要求1所述的温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，其特征是，所述椭圆形空气孔(2)的长轴为2μm，短轴为1.2μm。
5.根据权利要求1所述的温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，其特征是，以圆心为原点，建立直角坐标系，沿X轴方向，每层圆形空气孔(3)或圆形介质孔(4)与相邻层的圆形空气孔(3)的间距均相等。
6.根据权利要求5所述的温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，其特征是，在X轴上的每层圆形空气孔(3)或圆形介质孔(4)与相邻层的圆形空气孔(3)的间距为2.3μm。
7.根据权利要求1所述的温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，其特征是，所述石英基底(1)的折射率的表达式如下，
Figure FDA0003617647170000021
其中，n0 2(λ)表示石英基底(1)的折射率，λ表示波长，A、B、C、λ1、λ2和λ3都表示常数，A＝0.6961663，B＝0.4079426，C＝0.8974794，λ1＝0.0684043μm，λ2＝0.1162414μm，λ3＝9.896161μm。
8.根据权利要求1所述的温度可调谐超负色散双芯光子晶体光纤，其特征是，所述温敏液体材料的折射率的表达式如下：
n＝-3.45×10-4t+1.396125
其中，n表示温敏液体材料的折射率，t表示温度。
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