CN1584642A - 色散渐变和色散自补偿光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以色散渐变和色散自补偿的光子晶体光纤。它是由纤芯和含有空气孔的包层构成，其特征在于纤芯沿光传播方向呈锥形体，空气孔是与纤芯同方向的空气通孔，在包层中呈周期性排列。通过纤芯截面沿纵向的变化，可实现光子在晶体光纤内色散渐变以及从正(反)色散变到反(正)色散的色散自补偿，从而简化或取消已有技术中光子传输系统中的复杂的色散补偿装置，有利用简化传输线路，促进系统器件的高度集成。

Description

色散渐变和色散自补偿光子晶体光纤

技术领域：

本发明涉及一种光子晶体光纤，特别是一种可以色散渐变和色散自补偿的光子晶体光纤。

背景技术：

由于电子技术遭遇到电路集成度和处理速度难以飞速提高的难题，科学家们开始专注光子技术的研究，希望可以用光子取代电子传输、处理和存储信息。光子晶体是折射率在空间周期性变化的介电结构，其变化周期和光的波长为同一个数量级，这一概念的提出向人们展示了一种新的控制光子的机制。类似于电子的禁带效应，在光子晶体中某些频率范围内的光子不能在光子晶体中存在和传播，即光子晶体中也存在与结构相关的光子带隙。如果破坏光子晶体的周期性结构，便会出现不完全的光子禁带效应，光子晶体光纤就是利用上述特性来制备的。

与常规光纤是利用纤芯和包层之间的折射率差将光限制在高折射率的纤芯中不同，光子晶体光纤则是利用在二维截面中心处引入一结构缺陷破坏原来的周期性结构，这样在中心处形成的不完全光子禁带结构便是传光的通道。按照光子晶体光纤导光机制的不同，可将光子晶体光纤归为两类，第一类中心缺陷处是空气孔，其导光机理正是光子带隙理论，这类光纤要求较大的空气孔和精确的排列结构。另一类导光方式类似于传统光纤的全反射原理，它利用中心缺陷区和缺陷区外周期性结构区之间的有效折射率差将光子局域在高折射率纤芯中，我们把这类光子晶体光纤称之为全内反射光子晶体光纤。全内反射光子晶体光纤不需要精确的空气孔排列，更适合于制作，故在实际应用中大都是此类光子晶体光纤。

光子晶体光纤具有许多不同于传统光纤的奇异特性，如：(1)无休止的单模传输特性。(2)色散和非线性效应的易控性。(4)高的双折射特性。只要满足空气孔直径足够小，且空气孔径与孔间距之比小于0.2，便具备永无休止的单模传输特性。通过控制空气孔和孔间距的大小可以在非常宽的波长范围内获得较大的色散，并能够在不同波长实现零色散。在短波长方向能够实现反常色散的特性为短波长光孤子的传输提供可能性，同时也为制作可见光波段的光孤子光纤激光器提供机遇。而模场直径的可控性则直接影响了光纤的非线性效应的强弱，设计结构参数调节模场直接可减小或增大光纤的非线性效应。通过破坏光子晶体光纤截面的圆对称性，例如减少一些空气孔或者改变一些空气孔的尺寸都可获得高的双折射特性。

正是由于光子晶体光纤具备这些优良的特性，近年来受到科研工作者普遍关注，并在光通信领域的传输及器件制作方面发挥了极大作用。虽然光子晶体光纤在色散补偿和高非线性效应等方面已经发挥了很大作用，但固定不变的色散和非线性效应在某些特殊应用过程中还难以将其优越性充分体现出来，因此有必要研制色散渐变的光子晶体光纤。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种色散渐变和色散自补偿光子晶体光纤，能实现光纤的色散渐变，以满足传输光纤或器件中的色散自补偿及渐变色散与渐变非线性效应的最佳匹配。

为达到上述目的，本发明的技术构思是：

本发明的一种色散自补偿和色散渐变光子晶体光纤，包含有沿光传播方向呈锥形体纤芯和空气孔周期性排列的包层。选定包层中空气孔的大小、孔间距的大小，并选定包层和纤芯的材料后，纤芯直径大小的改变会影响光纤的色散参数和基模模场直径的大小。因此该光纤两端面上纤芯直径不同时，可实现光纤在正或反常色散范围内的色散渐变，以及可实现色散从正(负)色散向负(正)色散的变化。两端面上纤芯直径的变化比例直接影响到光纤的色散参数和模场直径。

根据上述技术构思，本发明采用下述技术方案：

一种色散渐变和色散自补偿光子晶体光纤，由纤芯和含有空气孔的包层构成，其特征在于纤芯沿光传播方向呈锥形体，空气孔是与纤芯同方向的空气通孔，在包层中呈周期性排列。

上述的纤芯的材料为掺杂石英，包层的材料为纯石英，纤芯材料的折射率高于包层材料的折射率。

上述的纤芯材料为掺二氧化锗的二氧化硅。

上述的空气孔的直径d为0.69微米，空气孔间距Λ为2.3微米，根据要求的色散变化，模场直径变化和光波长，按图3、图4或图5、图6、图7所示曲线确定纤芯直径，即确定纤芯两端直径比例。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明首先是设计了一种光子晶体光纤，它除了具备光子晶体光纤的所有特点外，纤芯直径的逐渐变化使光纤色散参数和模场直径不断变化，形成光纤色散参量的渐变，甚至从正(负)色散变到负(正)色散。在反常色散区域，通过最佳匹配可实现色散与非线性效应的平衡，从而能够维持孤子传输，但由于损耗会逐渐减弱非线性效应，使得二者之间的平衡逐渐偏离初始的最佳匹配，按照损耗来设计色散渐变的反常色散光子晶体光纤，从而达到一种更好的平衡。此外，在正常色散范围内通过渐变色散与渐减非线性效应沿传输方向的追踪平衡能进一步提高光脉冲的压缩效率。而色散从正(负)到负(正)的变化特点可实现传输线路和器件的色散自补偿，从而简化或取消已有技术中光子传输系统中的复杂的色散补偿装置，有利用简化传输线路，促进系统器件的高度集成。

附图说明：

图1是本发明的一个实施例的横截面图。

图2是光子晶体光纤锥形纤芯的纵向结构图。

图3是不同大小纤芯所对应的色散参数。

图4是不同大小纤芯所对应的模场直径参数。

图5是波长在1.4微米，纤芯从0.6微米变化到1.8微米时，色散参数的变化。

图6是波长在1.55微米，纤芯从0.6微米变化到1.8微米时，色散参数的变化。

图7是波长在1.7微米，纤芯从0.6微米变化到1.8微米时，色散参数的变化。

具体实施方式：

本发明的一个优选实施例子是：参见图1和图2，一种色散渐变和色散自补偿的光子晶体光纤，包括光沿传播方向呈锥形体的纤芯1，包层为在二氧化硅背景3中分布周期性排列的空气孔2，本技术领域公认的周期性排列，即如图1所示呈六角形结构排列，每相邻的三个空气孔2构成正三角形。空气孔直径d为0.69微米，空气孔间距Λ为2.3微米。纤芯为掺二氧化锗的二氧化硅，其折射率略高于包层中的二氧化硅，这样的折射率分布更易于将光局限到纤芯中。参见图3在1.4微米到1.7微米的波长变化范围内，纤芯半径由1.8微米变化到0.6微米的锥形纤芯光子晶体光纤中，可实现色散参数从40皮秒/纳米/公里到-80皮秒/纳米/公里的变化。同时，如图4所示，模场直径也会随着纤芯半径的变化而发生改变，而模场直径的大小会对非线性效应强弱产生影响。当两个端面上纤芯的半径从0.6微米变化到1.8微米时，在1.4微米波长处，光纤的色散参数会从-80皮秒/纳米/公里变化到47皮秒/纳米/公里，在1.55微米波长处，光纤的色散参数会从-50皮秒/纳米/公里变化到52皮秒/纳米/公里，而在1.7微米波长处，光纤的色散参数会从-47皮秒/纳米/公里变化到58皮秒/纳米/公里。可见，根据不同的中心波长和色散变化要求，可通过选择不同的端面纤芯半径来实现。由图5、6、7可看出，在1.4微米、1.55微米和1.8微米三波长处，当纤芯半径从0.6微米变化到1.0微米时，均可实现负色散范围内的色散渐变。而当纤芯半径从1.2微米变化到1.8微米时，均可实现正色散范围内的色散渐变。

Claims (4)

1.一种色散渐变和色散自补偿光子晶体光纤，由纤芯(1)和含有空气孔(2)的包层(3)构成，其特征在于纤芯(1)沿光传播方向呈锥形体，空气孔(2)是与纤芯(1)同方向的空气通孔，在包层(3)中呈周期性排列。

2.根据权利要求1所述的色散渐变和色散自补偿光子晶体光纤，其特征在于纤芯(1)的材料为掺杂石英，包层(3)的材料为纯石英，纤芯(1)材料的折射率高于包层材料的折射率。

3.根据权利要求2所述的色散渐变和色散自补偿光子晶体光纤，其特征在于纤芯(1)材料为掺二氧化锗的二氧化硅。

4.根据权利要求3所述的色散渐变和色散自补偿光子晶体光纤，其特征在于空气孔(2)的直径d为0.69微米，空气孔间距 为2.3微米，根据要求的色散变化，模场直径变化和光波长，按图3、图4或图5、图6、图7所示曲线确定纤芯(1)直径，即确定纤芯(1)两端直径比例。

Images