CN1284014C - 保偏单模光子晶体光纤及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种保偏单模光子晶体光纤及其制备方法，由纤芯区和包层区所组成，该纤芯区由纤芯透明均匀柱状玻璃组成，该包层区是在所述光纤横截面内由透明均匀玻璃及其在该透明均匀玻璃中周期性排列的多层透明均匀柱状材料构成的，所述的纤芯透明均匀柱状玻璃和多层透明均匀柱状材料的中心排列形成周期性的点阵结构，所述的纤芯实际上是位于点阵节点上的具有比周围材料有效折射率高的透明均匀柱状玻璃，它不位于光纤横截面的几何中心。本发明光纤具有显著的形状双折射和应力双折射，具有优异的保偏性能，在传输波长为532纳米以上的光时，具有短于1mm的拍长。特别是纤芯采用掺杂稀土离子和过渡金属离子的玻璃，可用于具有保偏性能的光纤激光器。
Description
技术领域
本发明涉及光子晶体光纤，特别是一种保偏单模光子晶体光纤及其制备方法。
背景技术
光子晶体光纤是近年来发展起来的一类光纤。光子晶体光纤由纤芯和包含有有序排列的空气柱的包层组成，由于纤芯材料的不同，存在着两种导光机制，一种是有效折射率型导光，一种是带隙波导型导光。在有效折射率型光子晶体光纤中，纤芯的折射率较高，空气孔降低了包层的有效折射率，因而，光能够被全反射限制在折射率相对较高的纤芯中传播，这种光子晶体光纤可用于光的宽波段单模传输。
一般而言，光在单模光纤中只有基模HE11传输，由于HE11模由相互垂直的两个极化模HE11x和HE11y简并构成，他们的传播常数相等，故彼此简并。在传播过程中保持彼此相位相同，保持线偏振态不变。实际上，由于光纤本身的不完善性，比如存在横截面椭圆度以及残余内应力等引起折射率分布畸变，此外还有外场的微扰，造成芯径椭圆度或者纤芯折射率的变化，这些都将打破这两种模的简并，并且将发生模态双折射，传播常数将沿着光纤无规则变化，在传输过程中极化模的轴向传播常数βx和βy往往不等，这样，导入光纤中的光将以这两种模传播，并从一种模式耦合到另一种模式上，线性偏振光在沿着光纤传输时，将被合成为任意的偏振状态。这对于光信号的传输是极为不利的，因此，有必要采用特殊结构的光纤实现光在传输过程中保持偏振状态不变。
可以将双折射引入到光纤中，当光纤的双折射很大时，由于两个基模的传播常数之差很大，拍长就很小，这样使得由光纤的畸变和微扰产生的耦合作用相比之下很小，从而在光纤中激励的某一基模，可以在较长的距离内保持主导地位，以使偏振态基本恒定不变。通过几种方式可以产生双折射；；一是改变光纤横截面的形状得到形状双折射，二是通过在光纤中引入应力得到双折射。在标准光纤中，通过改变光纤横截面的形状得到形状双折射，但所得到的双折射通常相当弱(B～10-6)，而且由于传统光纤的端面结构上的单调性，使得传统光纤的保偏光纤类型相当有限。在光子晶体光纤中，由于光纤由柱状玻璃材料和空气等低折射率介质排列形成，在结构上具有很大的可调节性，而且由于构成光子晶体光纤的材料的高的折射率对比，可以在光子晶体光纤中引入很高的双折射，从而实现保偏性能。
已有的光子晶体保偏光纤的纤芯位于光纤的几何中心，通过在以纤芯为中心的两个垂直方向上引入双折射，包括形状双折射和应力双折射(专利名称：改进或涉及光子晶体光纤，专利公开号CN1341221A)，考虑到光纤的一些制作过程中的缺陷，该类光纤至多具有五个对称元素。即恒等操作，绕纤芯为轴的二次轴旋转，以过二次轴并垂直于光纤横截面的两个面为对称面的镜像操作，以纤芯为轴心的反演操作。这种光子晶体保偏光纤的设计思路实际上是传统保偏光纤的延续。
发明内容
本发明的目的在于提供一种保偏单模光子晶体光纤及其制备方法，以实现在光纤中传输保持一定偏振态的光，并且具有比普通偏振保持光子晶体光纤拍长小一个数量级的保偏性能，此外，对于纤芯采用掺杂稀土离子和过渡金属离子的玻璃，该光纤可以用于开发具有一定偏振保持性能的光纤激光器。
本发明的技术解决方案如下：
一种保偏单模光子晶体光纤，由纤芯区和包层区所组成，其特征在于所述的纤芯区由纤芯透明均匀柱状玻璃组成，所述的包层区是在所述光纤横截面内由透明均匀玻璃及其在该透明均匀玻璃中周期性排列的多层透明均匀柱状材料构成的，所述的纤芯透明均匀柱状玻璃和多层透明均匀柱状材料的中心排列形成周期性的点阵结构，所述的纤芯是位于点阵节点上的具有比周围材料有效折射率高的透明均匀柱状玻璃，所述的纤芯不位于光纤横截面的几何中心。
所述的包层区的多层透明均匀柱状材料在光纤横截面内呈六角形、蜂窝状、矩形或六边形周期性排列。
所述的包层区的多层透明均匀柱状材料相同。
所述的包层区的透明均匀柱状材料包括第一透明均匀柱状材料和第二透明均匀柱状材料。所述的第一透明均匀柱状材料和第二透明均匀柱状材料的几何尺寸不同，或折射率不同，或几何尺寸和折射率均不相同。
在所述的包层区包括内包层和外包层，该外包层的折射率应当小于包层区的有效折射率。
所述的纤芯为掺杂有活性粒子的玻璃，该活性粒子为稀土离子或过渡金属离子。
一种保偏单模光子晶体光纤的制备方法，该方法包括如下步骤：
①制作外形一致的毛细管和实心玻璃棒：所述毛细管中，有的构成毛细管的材料的折射率的有差异；有的毛细管的内径有差异；一些毛细管的两端封口；一些毛细管只封住一端的口；所述的实心玻璃棒中，有的折射率相同；有的折射率不相同；
②配制原始预制棒：将完全一致的毛细管按照周期性排列形成多孔结构，将不处于该多孔结构几何中心位置的一根毛细管或紧密相邻的数根毛细管用外形匹配的实心玻璃棒取代，形成光纤的原始预制棒；
③制成光纤预制棒：在光纤的原始预制棒中，在经过所述实心玻璃棒的直径并垂直于该原始预制棒的横截面的对称面的两侧，对称地用内径与原始预制棒中的原始毛细管不一样的毛细管替代一些原始毛细管，或者用两端封口的具有与原始毛细管形状相同、成分相同的毛细管替代一些原始毛细管，或者用一端封口的与原始毛细管形状相同、成分相同毛细管替代一些原始毛细管，但在拉制光纤时，要求预制棒的毛细管封口的一端朝上；或者用折射率与原始毛细管不同，但外形相同的毛细管取代一些原始毛细管；或者在原始毛细管中填充以低折射率的透明均匀材料，上述方法也可结合使用，并使所取代的毛细管处于光纤对称面的两侧，并关于该对称面对称地放置，形成光纤预制棒；
④利用光纤预制棒拉制光纤，所述的实心玻璃棒在该光纤预制棒拉成丝后成为光纤的纤芯。
本发明的技术效果
本发明保偏单模光子晶体光纤的纤芯不在光纤的几何中心，该光纤只具有两个对称操作，即恒等操作和以过纤芯的直径并垂直于光纤横截面为对称面的镜像操作。因此，该光纤具有显著的形状双折射和应力双折射，该光纤具有优异的保偏性能，在传输波长为532纳米以上的光时，具有短于1mm的拍长。本发明光纤可以传输保持一定偏振态的光，并且具有比普通偏振保持光子晶体光纤拍长小一个数量级的保偏性能，特别是纤芯采用掺杂稀土离子和过渡金属离子的玻璃，则可以用于开发具有一定偏振保持性能的光纤激光器。
附图说明
图1为本发明第一实施例的光纤横截面示意图
图2为本发明第二实施例的光纤横截面示意图
图3为本发明第三实施例的光纤横截面示意图
图4为本发明第四实施例的光纤横截面示意图
图5为本发明第五实施例的光纤横截面示意图
图6为本发明第六实施例的光纤横截面示意图
图7为本发明第七实施例的光纤横截面示意图
图8为本发明第八实施例的光纤横截面示意图
图9为本发明第九实施例的光纤横截面示意图
图10为本发明第十实施例的光纤横截面示意图
图11为本发明第十一实施例的光纤横截面示意图
图12为本发明第十二实施例的光纤横截面示意图
图13为本发明第十三实施例的光纤横截面示意图
图14为本发明中为实现本发明第四实施例的光纤的预制棒中的毛细管的排列方式
图15为本发明中为实现本发明第四实施例的光纤的预制棒的另一种毛细管的排列方式
图16为本发明中为实现本发明所述第十实施例的光纤的预制棒中的毛细管的排列方式
图17为本发明中为实现本发明第十三实施例的光纤的预制棒中的毛细管的排列方式
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
图1至图13分别给出了本发明保偏单模光子晶体光纤的第一至第十三实施例的端面示意图，它们的结构都包括纤芯区和包围纤芯区的包层区部分，其中包层区由多层透明均匀柱状材料沿光纤横截面在另外的透明均匀玻璃中周期性排列形成。这些光纤均可实现408nm到1600nm波段的单模传输。
图1所示的实施例1中，光纤由纤芯1和包层区组成，包层区由透明均匀柱状材料2在透明均匀玻璃3中呈六角形周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。
图2所示的实施例2中，光纤由纤芯4和包层区组成，包层区由透明均匀柱状材料5在透明均匀玻璃6中呈蜂窝状周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。
图3所示的实施例3中，光纤由纤芯7和包层区组成，包层区由透明均匀柱状材料8在透明均匀玻璃9中呈矩形周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。
图4所示的实施例4中，光纤由纤芯10和包层区组成，包层区由第一透明均匀柱状材料11和第二透明均匀柱状材料12和在透明均匀玻璃13中呈六边形周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。第二透明均匀柱状材料12与第一透明均匀柱状材料11是相同的材料，但几何尺寸不同。
图5所示的实施例5中，光纤由纤芯14和包层区组成，包层区由第一透明均匀柱状材料15和第二透明均匀柱状材料16在透明均匀玻璃17中呈蜂窝状周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。第一透明均匀柱状材料15和第二透明均匀柱状材料16的折射率相同但是具有不同的几何尺寸。
图6所示的实施例6中，光纤由纤芯18和包层区组成，包层区由第一透明均匀柱状材料19和第二透明均匀柱状材料20在透明均匀玻璃2 1中呈正方形周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。第一透明均匀柱状材料19具有和第二透明均匀柱状材料20相同的折射率，但具有不同的几何尺寸。
图7所示的实施例7中，光纤由纤芯22和和包层区组成，包层区由第一透明均匀柱状材料23和第二透明均匀柱状材料24在透明均匀玻璃25中呈六角型周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。第一透明均匀柱状材料23和第二透明均匀柱状材料24具有不同的折射率。
图8所示的实施例8中，光纤由纤芯26和和包层区组成，包层区由第一透明均匀柱状材料27和第二透明均匀柱状材料28在透明均匀玻璃29中呈蜂窝状周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。第一透明均匀柱状材料27具有和第二透明均匀柱状材料28不同的折射率。
在图9所示的实施例9中，光纤由纤芯30和和包层区组成，包层区由第一透明均匀柱状材料31和第二透明均匀柱状材料32在透明均匀玻璃33中呈正方形周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。第一透明均匀柱状材料31和第二透明均匀柱状32材料具有不同的折射率。
在图10所示的实施例10中，光纤由纤芯34和包层区组成，包层区由第一透明均匀柱状材料35和第二透明均匀柱状材料36在透明均匀玻璃37中呈六角型周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。透明均匀柱状材料35和透明均匀柱状材料36具有不同的折射率和不同的几何尺寸。
在图11所示的实施例11中，光纤由纤芯38和包层区组成，包层区由透明均匀柱状材料39和40在透明均匀玻璃41中呈蜂窝状周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。透明均匀柱状材料39具有和40不同的折射率和几何尺寸。
在图12所示的实施例中，光纤由纤芯42和包层区组成，纤芯区掺有稀土离子Yb3+，包层区由第一透明均匀柱状材料43和第二透明均匀柱状材料44在透明均匀玻璃45中呈正方形周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。第一透明均匀柱状材料43具有和第二透明均匀柱状材料44不同的折射率和不同的几何尺寸。
在图13所示的实施例中，光纤由纤芯46和包层区组成，纤芯区掺有稀土离子Nd3+，包层区由透明均匀柱状材料47在第一透明均匀玻璃48和第一透明均匀玻璃49中成六角型周期性排列形成。该光纤的横截面只包括两个对称操作，即恒等操作和沿光纤对称面的镜像操作。第一透明均匀玻璃48具有和第二透明均匀玻璃49不同的折射率和几何尺寸。
图14所示为实现实施例四的光纤所采用的预制棒的制作方法，即在一个内面形状为正六角的圆柱53内按六角型堆积具有相同折射率的实心玻璃棒50和毛细管，其中，实心玻璃棒在该预制棒拉成丝后成为光纤的纤芯，在该实心玻璃棒的周围排列有两种不同内径的毛细管51和毛细管52，毛细管52的内径大于毛细管51的内径，由于这些毛细管的几何尺寸的不同，使得该预制棒在拉成光纤后具有很强的双折射，从而在光纤中实现偏振保持的功能。利用该方法，获得了在波长为1550纳米处的光纤的差拍长度为0.89mm的偏振保持单模光子晶体光纤。
图15所示为实现实施例四的光纤所采用的另一种制备预制棒的方法，即在一个内面形状为正六角的圆柱57内按六角型堆积具有相同折射率的实心玻璃棒54和毛细管，其中，实心玻璃棒在该预制棒拉成丝后成为光纤的纤芯，在该实心玻璃棒的周围排列有两种相同内径的毛细管55和毛细管56，其中毛细管56的一端封口，在拉丝时，该封口的一端朝上，这样由于预制棒下端在加热过程中外径的收缩，使得一端封口的毛细管完全封闭，其中的第二气压大于其他毛细管中的第一气压，使得拉得的光纤中存在孔径不一样的孔柱。利用该方法，获得了在波长为980纳米以上的差拍长度小于0.98mm的偏振保持单模光子晶体光纤。
图16所示为实现实施例10的光纤所采用的预制棒的制备方法，即在一个内面形状为正六角的圆柱61内按照六角型堆积具有相同的折射率的实心玻璃棒58和毛细管，其中，实心玻璃棒在该预制棒拉成丝后成为光纤的纤芯，在该实心玻璃棒的周围排列有两种填充不同介质的毛细管59和毛细管60，毛细管60中填充有低折射率的透明玻璃，毛细管59中填充有空气，在拉丝后，光纤中保留了预制棒中的排列形状。利用该方法，获得了在波长为1064纳米以上的差拍长度小于0.85mm的偏振保持型单模光子晶体光纤。
图17所示为实现实施例十三的光纤所采用的预制棒的制备方法，即在一个内面形状为正六角的圆柱65内按照六角型堆积具有不同折射率的实心玻璃棒62和毛细管，其中，实心玻璃棒在该预制棒拉成丝后成为光纤的纤芯，在该实心玻璃棒的周围排列有两种不同折射率的毛细管63和毛细管64。利用该方法获得了在波长为808纳米以上差拍长度小于0.80mm的偏振保持型单模光子晶体光纤。
Claims (8)
1、一种保偏单模光子晶体光纤，由纤芯区和包层区所组成，其特征在于所述的纤芯区由纤芯透明均匀柱状玻璃(1)组成，所述的包层区是在所述光纤横截面内由透明均匀玻璃(3)及其在该透明均匀玻璃(3)中周期性排列的多层透明均匀柱状材料(2)构成的，所述的纤芯透明均匀柱状玻璃(1)和多层透明均匀柱状材料(2)的中心排列形成周期性的点阵结构，所述的纤芯(1)是位于点阵节点上的具有比周围材料有效折射率高的透明均匀柱状玻璃，所述的纤芯(1)不位于光纤横截面的几何中心。
2、根据权利要求1所述的保偏单模光子晶体光纤，其特征在于所述的包层区的多层透明均匀柱状材料(2)在光纤横截面内呈六角形、蜂窝状、矩形或六边形周期性排列。
3、根据权利要求2所述的保偏单模光子晶体光纤，其特征在于所述的包层区的多层透明均匀柱状材料(2)相同。
4、根据权利要求2所述的保偏单模光子晶体光纤，其特征在于所述的包层区的透明均匀柱状材料(2)包括第一透明均匀柱状材料和第二透明均匀柱状材料。
5、根据权利要求4所述的保偏单模光子晶体光纤，其特征在于所述的第一透明均匀柱状材料和第二透明均匀柱状材料的几何尺寸不同，或折射率不同，或几何尺寸和折射率均不相同。
6、根据权利要求1所述的保偏单模光子晶体光纤，其特征在于所述的包层区包括内包层和外包层，外包层的折射率应当小于内包层的有效折射率。
7、根据权利要求1所述的保偏单模光子晶体光纤，其特征在于所述的纤芯为掺杂有活性粒子的玻璃，该活性粒子为稀土离子或过渡金属离子。
8、一种保偏单模光子晶体光纤的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
①制作外形一致的毛细管和实心玻璃棒：所述毛细管中，有的构成毛细管的材料的折射率有差异；有的毛细管的内径有差异；一些毛细管的两端封口；一些毛细管只封住一端的口；所述的实心玻璃棒中，有的折射率相同；有的折射率不相同；
②配制原始预制棒：将完全一致的毛细管按照周期性排列形成多孔结构，将不处于该多孔结构几何中心位置的一根毛细管或紧密相邻的数根毛细管用外形匹配的实心玻璃棒取代，形成光纤的原始预制棒；
③制成光纤预制棒：在光纤的原始预制棒中，在经过所述实心玻璃棒的直径并垂直于该原始预制棒的横截面的对称面的两侧，对称地用内径与原始预制棒中的原始毛细管不一样的毛细管替代一些原始毛细管，或者用两端封口的具有与原始毛细管形状相同、成分相同的毛细管替代一些原始毛细管，或者用一端封口的与原始毛细管形状相同、成分相同毛细管替代一些原始毛细管，但在拉制光纤时，要求预制棒的毛细管封口的一端朝上；或者用折射率与原始毛细管不同，但外形相同的毛细管取代一些原始毛细管；或者在原始毛细管中填充以低折射率的透明均匀材料，上述方法也可结合使用，并使所取代的毛细管处于光纤对称面的两侧，并关于该对称面对称地放置，形成光纤预制棒；
④利用光纤预制棒拉制光纤，所述的实心玻璃棒在该光纤预制棒拉成丝后成为光纤的纤芯。
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