CN114994829A - 一种新型高双折射低色散光子晶体光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，涉及光子晶体光纤通信技术领域。本发明包括纤芯和包覆于纤芯的包层，该光纤包括第一圆形空气孔、第二圆形空气孔、第三圆形空气孔、第四圆形空气孔、第一椭圆空气孔、第二椭圆空气孔。本发明具有较高的结构调节性能，当r5＝0.397μm，该新型光子晶体光纤在波长为1550nm处能够获得4.882×10‑2的高双折射，能够实现高双折射无截止单模传输，相较于已有的光纤提高了1‑2个数量级，能够在光线传感中获得精确的测量，并且由于高双折射效应能够对偏振器的设计带来很大的帮助，y偏振方向在1550nm处色散为‑182ps/(nm·km)且y偏振方向均为负色散，可以灵活调整参数和波长抵消通信系统中的正色散，已达到色散补偿的目的。

Description

一种新型高双折射低色散光子晶体光纤
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤通信技术领域，具体为一种新型高双折射低色散光子晶体光纤
背景技术
光子晶体光纤(PCF)又被称为微结构光纤(MSF)，是一种二维光子晶体组合而成的新型光纤，基底材料通常为二氧化硅，其横截面上通常含有不同排列方式的气孔，这些气孔可以通过周期性排列组成，也可以自由排列组成，同时横截面上具有较复杂的折射率分布。光子晶体光纤与传统的光纤相比，其结构设计的灵活性大大高于传统的光纤结构，通过破坏光纤横截面对称结构可以增强PCF光纤的高双折射特性，这是传统的光纤难以实现的特性。光子晶体光纤在光纤传感、光纤通信等方面有着非常广泛的应用。
在光线传感系统中一般采用光双折射的保偏光纤作为传感光纤，其目的是用来降低光线中偏振模式耦合，以达到降低系统中信噪比的影响，目前已有的光子晶体光纤双折射大多为10-4-10-3数量级，系数有待提高，并且高双折射对今后的高性能偏振器件设计提供了可能。
2012年XU等人提出了一种高双折射低色散光子晶体光纤，双折射为4.92×10-3，其双折射有待提高，色散仅-20ps/(nm·km)。2018年Jianfei Liao等人设计了由4层包层空气孔构成的双芯光纤，其双折射为2.93×10-2，有待提高。
为此，我们提出一种新型高双折射低色散光子晶体光纤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，包括纤芯和包覆于纤芯的包层，该光纤包括第一圆形空气孔、第二圆形空气孔、第三圆形空气孔、第四圆形空气孔、第一椭圆空气孔、第二椭圆空气孔，所述包层中设置有三角晶格、平行四边形晶格和长方形晶格，所述三角晶格由第一椭圆空气孔构成，所述平行四边形晶格与长方形晶格均由第一圆形空气孔构成，所述纤芯由第二圆形空气孔、第三圆形空气孔、第四圆形空气孔和存在一定角度偏差的第二椭圆空气孔构成。
进一步的，所述纤芯与包层的基底材料为二氧化硅。
进一步的，所述第二椭圆空气孔与y轴夹角φ＝5°，且两个第二椭圆空气孔中心水平距离为d2＝1.28μm，竖直方向两个椭圆距离d8＝1.71μm。
进一步的，所述第一圆形空气孔直径为r1，与第一椭圆空气孔长轴长度a1相等，第一椭圆空气孔的短轴长度为b1，且b1＝0.8a1。
进一步的，所述第三圆形空气孔的直径r5的范围为0.285μm-0.397μm。
进一步的，所述纤芯上设置有六个第三圆形空气孔，六个第三圆形空气孔呈上中下三层分布，且每层具有两个第三圆形空气孔。
进一步的，所述三角晶格由三层第一椭圆空气孔呈正三角形排列构成。
进一步的，所述平行四边形晶格由三层第一圆形空气孔呈平行四边形排列构成。
进一步的，所述长方形晶格由两层第一圆形空气孔呈长方形排列构成。
进一步的，所述纤芯整体呈轴对称分布。
本发明至少具备以下有益效果：
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性能，当r5＝0.397μm，该新型光子晶体光纤在波长为1550nm处能够获得4.882×10-2的高双折射，能够实现高双折射无截止单模传输，相较于已有的光纤提高了1-2个数量级，能够在光线传感中获得精确的测量，并且由于高双折射效应能够对偏振器的设计带来很大的帮助，y偏振方向在1550nm处色散为-182ps/(nm·km)且y偏振方向均为负色散，可以灵活调整参数和波长抵消通信系统中的正色散，已达到色散补偿的目的。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明整体结构的剖面示意图；
图2为本发明具体实例中光子晶体光纤当r5＝0.397μm时，x方向有效折射率和y方向的有效折射率随波长变化的关系图；
图3为本发明具体实例中光子晶体光纤当r5取不同值时的双折射率随波长变化的关系图；
图4为本发明具体实例中光子晶体光纤当r5＝0.397μm时，y偏振方向的色散随波长变化的关系图。
附图标记：
1、基底材料；2、第一圆形空气孔；3与7、第三圆形空气孔；4与6、第二圆形空气孔；5、第一椭圆空气孔；8、第四圆形空气孔；9、第二椭圆空气孔。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，包括纤芯和包覆于纤芯的包层，纤芯与包层的基底材料1为二氧化硅，纤芯整体呈轴对称分布，该光纤包括第一圆形空气孔2、第二圆形空气孔4、第三圆形空气孔3、第四圆形空气孔8、第一椭圆空气孔5、第二椭圆空气孔9，所述包层中设置有三角晶格、平行四边形晶格和长方形晶格，所述三角晶格由三层第一椭圆空气孔5呈正三角形排列构成，所述平行四边形晶格由三层第一圆形空气孔2呈平行四边形排列构成，长方形晶格由两层第一圆形空气孔2呈长方形排列构成，所述纤芯由第二圆形空气孔4、第三圆形空气孔3、第四圆形空气孔8和存在一定角度偏差的第二椭圆空气孔9构成，纤芯上设置有六个第三圆形空气孔3，六个第三圆形空气孔3呈上中下三层分布，且每层具有两个第三圆形空气孔3，中层两个第三圆形空气孔3的直径r5的范围为0.285μm-0.397μm，上层与下层的第三圆形空气孔3直径为r2，且两两之间的水平距离为d4，上层与下层之间的竖直距离为d7。
需要说明的是，第二椭圆空气孔9与y轴夹角φ＝5°，且两个第二椭圆空气孔9中心水平距离为d2＝1.28μm，竖直方向两个椭圆距离d8＝1.71μm。
进一步的，第一圆形空气孔2直径为r1，与第一椭圆空气孔5长轴长度a1相等，第一椭圆空气孔5的短轴长度为b1，且b1＝0.8a1。
另一方面，第二圆形空气孔4的种类为两种，一种直径为r3，另一种直径为r4。
结合图1-4，在实施例一的基础上，第一圆形空气孔2与第一椭圆空气孔5两两之间的孔间距均为d1，在水平直径方向上有8个关于y轴对称的圆形孔，从左至右依次分别为直径r3的第二圆形空气孔4，r3＝0.38μm、直径r4的第二圆形空气孔4，r4＝0.34μm、第四圆形空气孔8，直径为r6＝0.095μm、第三圆形空气孔3，直径为r5，其两两之间的距离分别为d3＝3.6μm、d9＝1.89μm、d5＝1.417μm、d6＝0.58μm。
进一步的，本实施例中所述的光子晶体光纤结构参数d1＝0.9μm，第二椭圆空气孔9长轴长度a2＝1.62μm，短轴长度为b2＝0.55μm，两个第二椭圆空气孔9水平距离d2＝1.28μm，竖直距离d8＝1.71μm，第一圆形空气孔2直径r1＝0.85μm，上层与下层的第三圆形空气孔3直径r2与直径为r4的第二圆形空气孔4直径相等，r2＝r4＝0.34μm，且上层与下层的第三圆形空气孔3两两之间的水平距离为d4＝0.849μm，上层与下层之间的竖直距离为d7＝3.24μm。
本发明采用全矢量有限元法并且结合完美匹配层(PML)边界吸收条件进行理论计算，得到本发明的双折射特性以及色散特性。
本实施例中的中层第三圆形空气孔3直径r5分别取0.285μm、0.342μm、0.397μm时得到的光子晶体光纤x、y偏振方向的有效射射率随波长变化关系如图2所示，双折射随波长变化关系如图3所示。
本发明所述的新型高双折射光子晶体光纤的双折射系数在常用通信波长1550nm处，当r5＝0.397μm时，可获高达4.882×10-2的双折射。对比现有的光子晶体光纤(双折射一般为10-4)，提升了1-2个数量级，由于高双折射效应能够对偏振器的设计带来很大的帮助，减少了传输信号在两个偏振方向的耦合，在光通信、光纤传感、高性能偏振器设计等领域有重大作用。
本发明所述新型高双折射光子晶体光纤在y偏振方向均为负色散，在1550nm处色散为-182ps/(nm·km)，可以灵活调整参数和波长抵消通信系统中的正色散，已达到色散补偿的目的。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

Claims (10)

1.一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，包括纤芯和包覆于纤芯的包层，其特征在于，该光纤包括第一圆形空气孔(2)、第二圆形空气孔(4)、第三圆形空气孔(3)、第四圆形空气孔(8)、第一椭圆空气孔(5)、第二椭圆空气孔(9)，所述包层中设置有三角晶格、平行四边形晶格和长方形晶格，所述三角晶格由第一椭圆空气孔(5)构成，所述平行四边形晶格与长方形晶格均由第一圆形空气孔(2)构成，所述纤芯由第二圆形空气孔(4)、第三圆形空气孔(3)、第四圆形空气孔(8)和存在一定角度偏差的第二椭圆空气孔(9)构成。
2.根据权利要求1所述的一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，其特征在于：所述纤芯与包层的基底材料(1)为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，包括纤芯和包覆于纤芯的包层，所述纤芯由第二圆形空气孔(4)、第三圆形空气孔(3)、第四圆形空气孔(8)和存在一定角度偏差的第二椭圆空气孔(9)构成，其特征在于：所述第二椭圆空气孔(9)与y轴夹角φ＝5°，且两个第二椭圆空气孔(9)中心水平距离为d2＝1.285μm，竖直方向两个椭圆距离d8＝1.71μm。
4.根据权利要求1所述的一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，包括第一圆形空气孔(2)、第二圆形空气孔(4)、第三圆形空气孔(3)、第四圆形空气孔(8)、第一椭圆空气孔(5)、第二椭圆空气孔(9)，其特征在于：所述第一圆形空气孔(2)直径为r1，与第一椭圆空气孔(5)长轴长度a1相等，第一椭圆空气孔(5)的短轴长度为b1，且b1＝0.8a1。
5.根据权利要求1所述的一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，包括纤芯和包覆于纤芯的包层，所述纤芯由第二圆形空气孔(4)、第三圆形空气孔(3)、第四圆形空气孔(8)和存在一定角度偏差的第二椭圆空气孔(9)构成，其特征在于：所述第三圆形空气孔(3)的直径r5的范围为0.285μm-0.397μm。
6.根据权利要求1所述的一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，包括纤芯和包覆于纤芯的包层，所述纤芯由第二圆形空气孔(4)、第三圆形空气孔(3)、第四圆形空气孔(8)和存在一定角度偏差的第二椭圆空气孔(9)构成，其特征在于：所述纤芯上设置有六个第三圆形空气孔(3)，六个第三圆形空气孔(3)呈上中下三层分布，且每层具有两个第三圆形空气孔(3)。
7.根据权利要求1所述的一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，其特征在于：所述三角晶格由三层第一椭圆空气孔(5)呈正三角形排列构成。
8.根据权利要求1所述的一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，其特征在于：所述平行四边形晶格由三层第一圆形空气孔(2)呈平行四边形排列构成。
9.根据权利要求1所述的一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，其特征在于：所述长方形晶格由两层第一圆形空气孔(2)呈长方形排列构成。
10.根据权利要求1所述的一种新型高双折射低色散光子晶体光纤，包括纤芯和包覆于纤芯的包层，其特征在于：纤芯整体呈轴对称分布。
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