CN116819675A - 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，由内向外依次包括中心气孔、环芯和包层，包层包括间距为环芯厚度1～2倍的第一层结构、第二层结构、第三层结构；环芯的外表面紧密排列第一层结构，第一层结构为圆周阵列分布的空气孔；第二层结构、第三层结构包括空气孔、空气层中的一种或多种，空气层的圆心角为0～180°。第二层结构包括空气孔和空气层，第三层结构包括空气孔和空气层，第二层结构中的空气层与第三层结构中的空气层相差180°。第一层结构的空气孔为圆孔。圆孔的直径与环芯厚度相同。本发明没有改动纤芯，对结构强度的影响较小，不仅能够不保证光纤的结构稳定性，还能在显著提升模式质量，具有低约束损耗，有利于光纤的远距离传输。
Description
技术领域
本发明属于光纤，具体为一种光子晶体光纤。
背景技术
随着智慧城市概念的提出以及大数据、云计算和移动互联网等技术的飞速发展，新业务对带宽和容量的需求已极大超出人们的预想。为了提高数据传输容量，传统的复用方法，如时分复用(TDM)和波分复用(WDM)被广泛用于光通信系统。然而，这些复用方式已经很难满足需求，为了达到更高的数据速率和更大的容量，需要探索一种新的复用方式。一根光纤可以支持多种空间模式，每一种模式都代表着一个独立的数据传输通道。利用这些模式在一根光纤内同时进行多通道通信，构成了模分复用(MDM)的基础。MDM被认为是提高光通信系统容量和效率的一项有前途的技术。它允许通过利用光纤内的不同空间模式来同时传输多个独立的通道。
轨道角动量(OAM)模式，也被称为涡旋光模式，是光束的一种独特性质，光束的相位波前会围绕其传播轴旋转。不同的OAM模式是相互正交的，这意味着它们不会相互干扰或重叠。这种正交特性允许独立传输和接收多个承载OAM的信道，并且没有明显的串扰或干扰。MDM可以使用OAM模式进行复用。OAM模式在光纤中的传播性能需要仔细的考虑，以实现高效通信。
在标准的单模光纤(SMF)中，OAM模式在其中传输。专门为OAM模式设计和优化的光纤，如多模光纤(MMF)或光子晶体光纤(PCF)，经常被用来在较长的传输距离内保持OAM模式的纯度和质量。PCF被认为是最有潜力的光纤，在光通信系统中传输OAM模式方面有着巨大的前景。PCF独特的结构特性为有效和可靠地传输OAM模式提供了若干优势，例如低损耗、高模式质量、高模式纯净度、长距离以及结构灵活性。
光子晶体光纤的明显特征之一就是位于包层紧密排列的多层空气孔，这些气孔的大小和排列方式会极大地影响光纤的性能表现。气孔的总体面积越大，往往光纤性能越好，但是不能无休止的增大气孔面积，会导致光纤的结构十分脆弱，需要对此部分进行优化，尽可能提升光纤的性能。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种结构强度高、传输质量高的光子晶体光纤。
技术方案：本发明所述的一种光子晶体光纤，由内向外依次包括中心气孔、环芯和包层，包层包括间距为环芯厚度1～2倍的第一层结构、第二层结构、第三层结构；环芯的外表面紧密排列第一层结构，第一层结构为圆周阵列分布的空气孔；第二层结构、第三层结构包括空气孔、空气层中的一种或多种，空气层的圆心角为0～180°。超过180°会导致结构的不稳定性。空气孔、空气层可以增大环芯和包层之间的材料折射率差值，气孔的数量和半径越大，材料折射率差值越大，光纤可以高质量传输的模式数量越多。
作为第一种优选方案，第二层结构包括空气孔和空气层，第三层结构包括空气孔和空气层，第二层结构中的空气层与第三层结构中的空气层相差180°，避免一个方向上的结构强度严重下降。第一层结构的空气孔为圆孔。圆孔的直径与环芯厚度相同。
作为第二种优选方案，第二层结构包括空气层，第三层结构包括空气层，第二层结构、第三层结构的空气层之间的间隔互相错开。空气层能够增加空气孔的面积，同时不会导致结构出现断层，光纤的形状可以维持。第一层结构的空气孔为梯形孔。梯形孔的上底为1.5～2微米，下底2.3～2.5微米，高2～2.5微米。空气层的圆心角为75°～85°。
进一步地，环芯的材质为二氧化硅掺杂25～30wt％的二氧化锗。包层的材质为纯二氧化硅。
进一步地，中心气孔的厚度为7～8微米。
最内层气孔不使用半圆形，为了保证环芯的对称性，OAM模式的传输对光纤的对称性要求很高。
工作原理：光纤传输模式时，电场能量集中在环芯中。随着模式阶数的上升，模式的neff越来越接近包层材料，环芯对模式的约束能力越差，电场能量逐渐泄露到包层中，模式无法高质量传输。理论上，环芯和包层之间的材料折射率越大，可以高质量容纳的模式数量越多。最简单的方式是增加环芯的材料折射率，但这种方式同样会增加光纤的传输损耗。通过在包层中增加气孔的方式可以降低包层的材料折射率，等效于将二氧化硅和空气进行掺杂，这种方式不会大幅增加传输损耗。增加空气孔的面积，就是增加环芯与包层的折射率差值。同时，气孔的面积增加会降低光纤的结构强度，气孔的形状和排列方式也至关重要。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、没有改动纤芯，对结构强度的影响较小，不仅能够保证光纤的结构稳定性，还能在显著提升模式质量，具有低约束损耗，有利于光纤的远距离传输；
2、空气孔、空气层可以增大环芯和包层之间的材料折射率差值，气孔的数量和半径越大，材料折射率差值越大，光纤可以高质量传输的模式数量越多；
3、空气层能够增加空气孔的面积，同时不会导致结构出现断层，光纤的形状可以维持；
4、第二层结构中的空气层与第三层结构中的空气层相差180°，避免一个方向上的结构强度严重下降；最内层气孔不使用半圆形，能够保证环芯的对称性。
附图说明
图1是理想状态的结构示意图；
图2是本发明实施例1的结构示意图；
图3是本发明实施例2的结构示意图；
图4是对比例的结构示意图；
图5是本发明实施例2、对比例的PCF的归一化频率对比；
图6是本发明PCF中部分矢量模式的模式质量，其中，(a)为对比例，(b)为实施例2；
图7是本发明PCF优化前后的约束损耗变化；
图8是PCF优化前后的应力测试对比图，其中，(a)为对比例的应力测试侧视图，(b)为对比例的应力测试正视图，(c)为实施例2的应力测试侧视图，(d)为实施例2的应力测试正视图。
具体实施方式
PCF的特征之一就是环芯的外围存在紧密排列的多层空气孔7，这些空气孔7可以增大环芯2和包层3之间的材料折射率差值，空气孔7的数量和半径越大，材料折射率差值越大，光纤可以高质量传输的模式数量越多。最理想的情况如图1所示，空气孔7完全连在一起成为空气层8，然而这种结构在实际生产中是不可能存在的，结构出现了断层，无法维持光纤的结构形状。
实施例1
如图2，光子晶体光纤由内向外依次包括中心气孔1、环芯2和包层3，环芯2为二氧化硅掺杂30wt％二氧化锗的纤芯，材料折射率在1.55微米波长时为1.4884。包层3为纯二氧化硅，折射率在1.55微米时为1.444。中心气孔1半径r1＝8微米，高折射率环芯2的外半径为r2＝10微米。包层3包括第一层结构4、第二层结构5、第三层结构6，环芯2的外表面紧密排列第一层结构4，第一层结构4为圆周阵列分布的空气孔7，第一层结构4的空气孔8为圆孔，其圆心距离光子晶体光纤中心的距离为r3＝11微米，包层3中空气孔7的直径为d＝2微米，层与层的间距为D＝3微米，光子晶体光纤的半径为62.5微米。第二层结构5、第三层结构6均包括空气孔7、空气层8，不同的半圈空气层8之间相差180°，避免一个方向上的结构强度严重下降。
实施例2
如图3，如图2，光子晶体光纤由内向外依次包括中心气孔1、环芯2和包层3，环芯2为二氧化硅掺杂30wt％二氧化锗的纤芯，材料折射率在1.55微米波长时为1.4884。包层3为纯二氧化硅，折射率在1.55微米时为1.444。中心气孔1半径r1＝8微米，高折射率环芯2的外半径为r2＝10微米。包层3包括第一层结构4、第二层结构5、第三层结构6，层与层的间距为D＝3微米，光子晶体光纤的半径为62.5微米。环芯2的外表面紧密排列第一层结构4，第一层结构4为圆周阵列分布的空气孔7，第一层结构4的空气孔8为梯形孔，为上底2微米，下底2.33微米，高2微米的等腰梯形，其中心距离光子晶体光纤中心的距离为r3＝11微米。最内层空气孔8不使用半圆形的是为了保证环芯的对称性，OAM模式的传输对光纤的对称性要求很高。第二层结构5、第三层结构6的气孔分别是四等分的空气层8，每等分的圆心角为80°。
对比例
如图4，本对比例其余结构与实施例1均相同，区别仅仅在于：第二层结构5、第三层结构6也全部为圆周阵列分布的空气孔7，空气孔7的直径为d＝2微米。
性能分析：
分析实施例1、实施例2、对比例的光子晶体光纤的性能，经过分别计算，包层3中的空气孔7总面积从对比例中的78πμm2增加到实施例1中的111πμm2，增加了42.3％。而实施例2中的空气孔7总面积为107.6π+95.26μm2，相比对比例增加76.84％。实施例1、实施例2作为对现有的对比例的改进方案。
将实施例2、对比例的光子晶体光纤进行以下比较。光纤中的OAM模式是由矢量本征模式(HE或EH)线性叠加而成的，具体叠加公式(1)如下所示：
其中，l是拓扑电荷，j指的是相同矢量模式的偶数模式和奇数模式之间的π/2相位差，而m描绘的是径向指数，上标±表示左手或右手的圆偏振方向，下标±表示相位波前的右旋或左旋方向。
光纤的归一化频率，又可称为“光纤V值”，是光纤的一个重要参量。表示为光纤中电磁模式的截止频率对于光纤波导结构量的比。结构量依赖于纤芯几何尺寸和折射率剖面。V值决定着光纤中允许传输模式的多少，V值越大，传输模式数目越多。由以下公式(2)计算：
其中，ncladding＝n包层材料×(1-f)+nair×f，λ为光的波长，r为环芯2的半径，ncore为环芯2材料的折射率，优化前后的归一化频率如图5所示，传统气孔排列的PCF的V值为16.03，经过优化后可以达到17.03。
模式质量是描述光纤约束矢量模式能力的一个重要参数。较高的模式质量表明电场的能量可以更好地限制在环芯2内，模式质量的计算如下：
其中，E(x,y)ring表示环芯2内的电场能量，E(x,y)whole-section表示整个光纤截面的电场能量。由于光纤中的模式较多，挑选了6个模式分别代表低阶模式(HE1,1和HE2,1)、高阶模式(HE9,1和EH7,1)和中间的模式(HE5,1和EH3,1)。图6展示了PCF优化前后的部分模式的模式质量。即使低阶模式本身就有很高的模式质量(＞94.5％)，所提出的优化方法依然可以有效提升模式质量，可以提升2.72％左右。相比之下高阶模式的提升更大，模式质量提升了4.6％～4.82％。
约束损耗可以评估光纤中模式的传输距离，低约束损耗十分有利于光纤的远距离传输，其计算公式如下：
其中，Im(neff)表示neff的虚部。根据图7的结果，所提出的优化方法可以有效的降低模式的约束损耗，尤其是高阶模式的约束损耗。例如HE9,1模式的约束损耗在优化前为2.26344×10-7dB/m，而优化后可以减少到3.13999×10-11dB/m，约束损耗降低了10000倍。而低阶模式本身就具有较低的约束损耗，优化后没有明显的下降，例如HE2,1模式从1.37766×10-12dB/m降低到6.41353×10-13dB/m。
图8显示了PCF的气孔优化前后的结构强度变化，使用一个小型长方体从侧面挤压光纤5.5微米的距离所需要的力，从结果可以看出结构强度没有明显变化，力的大小均在1×106N/m2左右。
优化过的PCF依然可以通过常用的预制棒法或者挤压法进行制备，第一种方法将半圆形的预制棒和石英毛细棒捆绑起来，一起融化并拉制。第二种方法准备形状与空气孔7排列相同的磨具，挤压融化石英通过磨具，这种方法几乎可以制造各种形状的气孔。
实施例2的优化方法可以有效提升光纤包层3中的空气面积，在模式质量很高的情况下依然可以提升最高4.82％的模式质量，高阶模式的约束损耗最大可提升10000倍的性能。实施例2的优化方法只针对包层3进行优化没有改动纤芯，对结构强度的影响较小，可以利用在所有光子晶体光纤中以进一步提升性能。
Claims (10)
1.一种光子晶体光纤，其特征在于：由内向外依次包括中心气孔(1)、环芯(2)和包层(3)，所述包层(3)包括间距为环芯厚度1～2倍的第一层结构(4)、第二层结构(5)、第三层结构(6)；所述环芯(2)的外表面紧密排列第一层结构(4)，所述第一层结构(4)为圆周阵列分布的空气孔(7)；所述第二层结构(5)、第三层结构(6)包括空气孔(7)、空气层(8)中的一种或多种，所述空气层(8)的圆心角为0～180°。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述第二层结构(5)包括空气孔(7)和空气层(8)，所述第三层结构(6)包括空气孔(7)和空气层(8)，所述第二层结构(5)中的空气层(8)与第三层结构(6)中的空气层(8)相差180°。
3.根据权利要求2所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述第一层结构(4)的空气孔(8)为圆孔。
4.根据权利要求3所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述圆孔的直径与环芯(2)厚度相同。
5.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述第二层结构(5)包括空气层(8)，所述第三层结构(6)包括空气层(8)，所述第二层结构(5)、第三层结构(6)的空气层(8)之间的间隔互相错开。
6.根据权利要求5所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述第一层结构(4)的空气孔(8)为梯形孔。
7.根据权利要求6所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述梯形孔的上底为1.5～2微米，下底2.3～2.5微米，高2～2.5微米。
8.根据权利要求5所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述空气层(8)的圆心角为75°～85°。
9.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述环芯(2)的材质为二氧化硅掺杂25～30wt％的二氧化锗。
10.根据权利要求1所述的一种光子晶体光纤，其特征在于：所述中心气孔(1)的厚度为7～8微米。
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Cited By (1)
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| CN117195607A (zh) * | 2023-11-08 | 2023-12-08 | 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 | 一种微纳空气孔三维模型的重建方法 |
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2023
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| CN117195607B (zh) * | 2023-11-08 | 2024-02-27 | 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 | 一种微纳空气孔三维模型的重建方法 |
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