CN115291319B - 一种光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体光纤，属于光通信技术领域。该渐变孔径硫系光子晶体光纤包括：包层和基底材料；包层设置在基底材料上；包层是由六层正六边形排列的圆形空气孔构成，最内层由6个圆形空气孔组成，第二、三、四、五、六层分别有12、18、24、30、36个圆形空气孔组成；本发明采用了孔径渐变的多层空气孔结构，通过调控每层空气孔的直径和间距，实现了色散平坦和低限制损耗，并在全光波长转换中表现出转换带宽大，转换效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光通信与光信息技术领域，一种光子晶体光纤
背景技术
全光波长转换技术是一种可以直接在光域将光信息从一个波长转换到另一个波长的技术，可广泛应用于全光通信网络领域，解决波长阻塞、波长竞争等问题。中红外波段是指波长处于2.5-25μm的电磁波，在军事、环境监测、医学治疗以及基础研究等领域具有广泛的应用。与其他实现全光波长转换的方法相比，基于高非线性光子晶体光纤的中红外全光波长转换器具有转换效率高、响应速度快、所需光纤长度短、多信道变换等优点。2005年，Andersen利用非线性系数为11km-1·W-1的PCF实现了40Gb/s的RZ-DPSK信号波长转换，在3dB带宽为31nm的范围里，获得的波长转换效率为20dB。
工作于中红外波段的基于光子晶体光纤中四波混频效应的全光波长转换器在中红外光子学中具有重要的应用价值。
目前的报道主要集中于：(1)基于不同基底材料的光子晶体光纤对四波混频全光波长转换过程进行数值模拟，通过高非线性系数材料提高波长转换效率及3dB带宽。(2)通过设计不同的光子晶体光纤结构，调节包层和纤芯的结构参数，实现色散平坦，提高非线性系数和降低限制损耗，以达到更好的全光波长转换效果。
然而，从工程应用的角度来看，中红外波段全光波长转换器的转换效率和带宽仍不能满足实际要求。
发明内容
本为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种光子晶体光纤，所述硫系光子晶体光纤包括:包层和基底材料；所述包层设置在基底材料上；
所述包层包括若干层中心对称设置的空气孔层，每层所述空气孔层由若干空气孔构成，所述空气孔的尺寸由内层至外层逐渐递增。
进一步地，所述包层由内而外依次包括：第一空气孔层、第二空气孔层、第三空气孔层、第四空气孔层、第五空气孔和第六空气孔层层；
所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层、所述第六空气孔层和所述基底材料(2)同心设置。
更进一步地，所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层和所述第六空气孔层中每个空气孔均为圆形，且每一空气孔层均构成一个正六边形。
更进一步地，所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层和所述第六空气孔层的数量分别为6、12、18、24、30、36。
更进一步地，所述第一空气孔层中空气孔的直径d1为0.19μm-0.27μm，所述第二空气孔层中空气孔的直径d2为0.246μm-0.326μm。
更进一步地，所述第三空气孔层中空气孔的直径为d3，所述第四空气孔层中空气孔的直径为d4，其中，d3＝d4＝0.46μm-0.54μm；
所述第五空气孔层中空气孔的直径为d5，所述第六空气孔层中空气孔的直径为d6，其中，d5＝d6＝0.66μm-0.74μm。
更进一步地，相邻两个圆形空气孔之间的距离Λ为0.81μm-0.85μm。
更进一步地，所述基底材料(2)为金属硫化物。
更进一步地，所述金属硫化物选自Ge23Sb12S65。
本发明的有益效果：
在本发明中，包层由六层正六边形排列的圆形空气孔构成，最内层由6个圆形空气孔组成，第二、三、四、五、六层分别有12、18、24、30、36个圆形空气孔组成，空气孔直径从内层到外层逐渐增大；且对空气孔进行渐变结构的设计，通过调控每层空气孔的直径和间距，在4.33μm-7.44μm的波长范围内，将色散值限制在±1ps/nm/km之间，实现了色散平坦。
本发明中，在色散曲线上有三个零色散点，其中5.75μm处的零色散斜率仅为0.0018ps/nm2/km。光子晶体光纤在3μm处非线性系数达到18.281km-1·W-1，转换效率曲线3dB带宽为5095nm(4.152μm-9.247μm)，最大波长转换效率达到24.457dB。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤的横截面示意图；
图2a是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在第一空气孔层直径不同参数下，色散随波长的变化曲线图；
图2b是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在第二空气孔层中空气孔的直径不同参数下，色散随波长的变化曲线图；
图2c是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在第三空气孔层中空气孔的直径和第四空气孔层中空气孔的直径在不同参数下，色散随波长的变化曲线图；
图2d是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤，当第五空气孔层中空气孔的直径和第六空气孔层中空气孔的直径在不同参数下时，色散随波长的变化曲线图；
图2e是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在包层1的相邻两个圆形空气孔之间的距离在不同参数下，色散随波长的变化曲线图；
图3是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤限制损耗随波长的变化曲线图；
图4a是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在3μm处的模场分布情况图；
图4b是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在9μm处的模场分布情况图；
图5是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤的模场面积和非线性系数随波长的变化曲线图；
图6a和图6b是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在泵浦波长在不同参数下，转换效率随波长的变化曲线图；
图6c是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在光纤长度不同参数下，转换效率随波长的变化曲线图；
图6d是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在泵浦功率不同参数下，转换效率随波长的变化曲线图泵浦功率。
附图标记：1为包层，2为基底材料。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例目的，不是旨在于限定本发明。
图1本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤的横截面示意图，参见图1，该光子晶体光纤包括：包层1和基底材料2；所述包层1设置在基底材料2上。
本发明的一实施例中，所述包层1包括：分别设有若干个的第一空气孔层、第二空气孔层、第三空气孔层、第四空气孔层、第五空气孔层和第六空气孔层；
所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层、所述第六空气孔层和所述基底材料2同心设置；
所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层和所述第六空气孔层依次设置在所述基底材料2上，其中，所述第一空气孔层靠近所述基底材料2中心设置，所述第六空气孔层靠近所述基底材料2边缘设置。
需要说明的是，本发明提供的光子晶体光纤采用了渐变型空气孔包层，通过调整某一层的空气孔直径实现微调色散曲线，使得色散平坦更易实现。根据光纤限制损耗特性与制作难度，本发明将包层数确定为6层。
本发明的一实施例中，所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层和所述第六空气孔层中每个空气孔均为圆形，且每一空气孔层均构成一个正六边形。
本发明的一实施例中，所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层和所述第六空气孔层的数量分别为6、12、18、24、30、36。
本发明的一实施例中，所述第一空气孔层至第六空气孔层的直径依次增大；
所述第一空气孔层中空气孔的直径d1为0.23μm，所述第二空气孔层中空气孔的直径d2为0.286μm。
需要说明的是，参见图2a，分别计算了包层1的第一空气孔层中空气孔的直径d1＝0.19μm，d1＝0.21μm，d1＝0.23μm，d1＝0.25μm，d1＝0.27μm时，色散与波长的关系，由图可得结论：当选取d1＝0.23μm时，色散最平坦。
参见图2b，分别计算了包层1的第二空气孔层中空气孔的直径d2＝0.246μm，d2＝0.266μm，d2＝0.286μm，d2＝0.306μm，d2＝0.326μm时，色散与波长的关系，由图可得结论：当选取d2＝0.286μm时，色散最平坦。
本发明的一实施例中，所述第三空气孔层中空气孔的直径为d3，所述第四空气孔层中空气孔的直径为d4，其中，d3＝d4＝0.5μm；
所述第五空气孔层中空气孔的直径为d5，所述第六空气孔层中空气孔的直径为d6，其中，d5＝d6＝0.7μm。
需要说明的是，参见图2c，分别计算了包层1的第三层圆形空气孔直径和第四层圆形空气孔直径d3＝d4＝0.46μm，d3＝d4＝0.48μm，d3＝d4＝0.50μm，d3＝d4＝0.52μm，d3＝d4＝0.54μm，时，色散与波长的关系，由图可得结论：当选取d3＝d4＝0.50μm时，色散最平坦。
参见图2d，分别计算了包层1的第五层圆形空气孔直径和第六层圆形空气孔直径d5＝d6＝0.66μm，d5＝d6＝0.68μm，d5＝d6＝0.70μm，d5＝d6＝0.72μm，d5＝d6＝0.74μm，时，色散与波长的关系，由图可得结论：当选取d5＝d6＝0.70μm时，色散最平坦。
本发明的一实施例中，相邻两个圆形空气孔之间的距离Λ为0.83μm。
需要说明的是，参见图2e，分别计算了包层1的相邻两个圆形空气孔之间的距离Λ＝0.81μm，Λ＝0.82μm，Λ＝0.83μm，Λ＝0.84μm，Λ＝0.85μm时，色散与波长的关系，由图可得结论：当选取Λ＝0.83μm时，色散最平坦。
本发明的一实施例中，所述基底材料2为硫化物Ge23Sb12S65。
图3是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤限制损耗随波长的变化曲线图。由图可得结论：当选取优化后的参数值时，限制损耗在工作波段内较低，且在5.03μm处和6.60μm处出现了两个局部极小值。
图4是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在3μm和9μm处的模场分布情况图。其中，图4a为所述光子晶体光纤在选取优化后的参数值时，在3μm处的模场分布情况；图4b为所述光子晶体光纤在选取优化后的参数值时，在9μm处的模场分布情况。
图5是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在选取优化后的结构参数值时的模场面积和非线性系数随波长的变化曲线图。由图可得：模场面积随波长增大呈单调递增趋势，从3μm处的8.46μm2增大到9μm处的24.63μm2。非线性系数随波长增大呈单调递减趋势，从3μm处的18.28mW-1减小到9μm处的1.64mW-1。结果表明，渐变型PCF因其纤芯与包层折射率差较大，模场能量在短波长处被很好的束缚在纤芯中。
图6是本发明提供的一种用于四波混频中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤在不同光纤结构参数下，转换效率随波长的变化曲线图。其中，图6a为所述光纤在选取优化结构参数后，分别计算了泵浦波长λp＝4.46μm，λp＝5.73μm，λp＝7.29μm时，转换效率随波长的变化曲线图；
图6b为所述光纤在选取优化的结构参数值后，分别计算了泵浦波长λp＝4.50μm，λp＝5.77μm，λp＝7.33μm时，转换效率随波长的变化曲线图；
图6c为所述光纤在选取优化后的参数值后，分别计算了光纤长度L＝0.3m，L＝0.5m，L＝0.7m时，转换效率随波长的变化曲线图；
图6d为所述光纤在选取优化的参数值后，分别计算了泵浦功率为2W，3W，4W时，转换效率随波长的变化曲线图。
由图可得结论：本发明提供的光子晶体光纤在泵浦功率为3W、泵浦波长为5.73μm、光纤长度为0.5m的系统参数选择下性能最佳，结果显示：3dB带宽间隔为5095nm(4.152μm-9.247μm)，宽带内波长转换效率最大为24.457dB。
值得说明的是，在本发明中，包层由六层正六边形排列的圆形空气孔构成，最内层由6个圆形空气孔组成，第二、三、四、五、六层分别有12、18、24、30、36个圆形空气孔组成。空气孔直径从内层到外层逐渐增大；另外，本发明提供的用于中红外全光波长转换的渐变孔径硫系光子晶体光纤，采用了由内到外包层空气孔孔径渐增的结构，通过调控每层空气孔的直径和间距，在4.33μm-7.44μm的波长范围内，将色散值限制在±1ps/nm/km之间，实现了色散平坦。且色散曲线上有三个零色散点，其中5.75μm处的零色散斜率仅为0.00180ps/nm2/km。本发明提供的光子晶体光纤在3μm处非线性系数达到18.281km-1·W-1。转换效率曲线3dB带宽为5095nm(4.152μm-9.247μm)，最大波长转换效率达到24.457dB。综上，本发明提供的光子晶体光纤实现了色散平坦、低限制损耗，并具有转换带宽大，转换效率高的优点。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤包括:包层（1）和基底材料（2）；所述包层（1）设置在基底材料（2）上；
所述包层（1）包括若干层中心对称设置的空气孔层，每层所述空气孔层由若干空气孔构成，所述空气孔的尺寸由内层至外层逐渐递增；
所述包层（1）由内而外依次包括：第一空气孔层、第二空气孔层、第三空气孔层、第四空气孔层、第五空气孔层和第六空气孔层层；
所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层、所述第六空气孔层和所述基底材料（2）同心设置；
所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层和所述第六空气孔层中每个空气孔均为圆形，且每一空气孔层均构成一个正六边形；
所述第一空气孔层、所述第二空气孔层、所述第三空气孔层、所述第四空气孔层、所述第五空气孔层和所述第六空气孔层中空气孔的数量分别为6、12、18、24、30、36；
所述第一空气孔层中空气孔的直径d1为0.19μm-0.27μm，所述第二空气孔层中空气孔的直径d2为0.246μm-0.326μm；
所述第三空气孔层中空气孔的直径为d3，所述第四空气孔层中空气孔的直径为d4，其中，d3=d4=0.46μm-0.54μm；
所述第五空气孔层中空气孔的直径为d5，所述第六空气孔层中空气孔的直径为d6，其中，d5=d6=0.66μm-0.74μm。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于，相邻两个圆形空气孔之间的距离Λ为0.81μm-0.85μm。
3.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于，所述基底材料（2）为金属硫化物。
4.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤，其特征在于，所述金属硫化物为Ge23Sb12S65。
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