CN1727926A

CN1727926A - 一种光子晶体光纤

Info

Publication number: CN1727926A
Application number: CN 200510014634
Authority: CN
Inventors: 陈明阳
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2006-02-01

Abstract

本发明涉及一种光子晶体光纤。其特征在于该光子晶体光纤由基质材料和排布在规则网格结点上的石英介质棒所组成。所述的基质材料和石英介质棒为纯石英或掺杂的石英；纤芯区位于所述光子晶体光纤的几何中心区域，并且该区域内均为基质材料；纤芯区之外的区域为所述光子晶体光纤的包层区。本发明的光子晶体光纤具有良好的光束缚能力和单模传输特点，同时易于控制，成本低、质量稳定，便于工业化实施。

Description

一种光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及一种光子晶体光纤技术，具体为一类具有宽带、单模、大模场传输特性的光子晶体光纤，国际专利分类号拟为Int.Cl⁷.C03B 37/00。

背景技术

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，简称PCF)(Science，229，358-362，2003)又被称为微结构光纤或多孔光纤，是一种近年来引起广泛关注的新型光纤。在光纤中分布着一定数量的空气孔，这种空气孔沿光纤轴向排布并贯穿整根光纤。由于PCF中空气孔的排列和大小有很大的控制余地，可以根据需要设计PCF的光传输特性，所以它激起了人们浓厚的兴趣。PCF可在很宽范围内获得单模传输和比传统的大模面积光纤大10倍以上的模场面积，并具有特殊的色散和非线性等特性。

光子晶体光纤一般可采用堆积-拉制法制作，即先拉制出实芯棒和具有空气孔的毛细管，然后按一定的规则(一般按正六角形状)堆积而成，再在外面加一外包层以固定其结构及增加其外径。

影响PCF在实际中应用的一个重要因素在于PCF制作时对光纤参数控制的精确程度。例如，光纤中空气孔的形状、大小及其保持程度，将直接影响光纤的双折射和色散等特性。这是因为PCF中空气孔与基质材料的折射率差较大(石英与空气折射率分别约为1.45和1.0)，空气孔形状和大小稍有变化，即会对光纤的传输特性产生较大影响。另外光纤纵向折射率分布的均匀性也直接影响光纤的双折射和色散等特性。

研究表明，PCF之所以能够实现大模面积宽带单模传输，主要在于其结构的特殊性：由于空气孔之间存在间隙，高阶模易于从间隙中泄露出去，从而使光纤保持单模状态。研究还表明，PCF具有这种特性的关键在于其结构。因而采用其它材料替代空气同样也是可以达到上述目的。在PCF的空气孔中填充特殊气体或液体的方法已经被用于提高光纤的非线性特性和传感性能等方面的研究中。

采用空气作用介质的一大好处在于它与基质的折射率差较大，因而特别适合制作具有高数值孔径及纤芯面积较小的光纤。但用于获得大模面积的PCF中，要求包层与纤芯的折射率差要小，以保持光纤的单模特性。即，在这种场合下，并不需要包层与纤芯之间有很高的折射率差。因而，空气完全可以用其它介质来替代。如果所述的空气由固态介质来替代则可构成全固态光子晶体光纤。

在光子晶体光纤制造过程中，为保持光纤结构，必须对拉丝温度进行严格的控制，温度太高或太低都不利于空气孔的保持。中国专利200410042623.1号介绍了一种制备光子晶体光纤的方法及该方法所使用的装置。该专利所述光子晶体光纤的制备方法是通过加压和抽真空的方法来达到保持空气孔和光纤形状的目的。显然，在现有技术制造光子晶体光纤的过程，对空气孔的保持问题，使得光纤的制作工艺变得相当复杂和困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是设计一种新型的光子晶体光纤。该光子晶体光纤的基材、石英棒均为全固态石英材料，结构稳定，可控程度高，成本低，便于工业化实施和保证光纤产品质量。

本发明解决所述技术问题的技术方案为：设计一种光子晶体光纤，其特征在于该光子晶体光纤由基质材料和排布在规则网格结点上的石英介质棒所组成，所述的基质材料和石英介质棒为纯石英或掺杂的石英；纤芯区位于所述光子晶体光纤的几何中心区域，并且该区域内均为基质材料；纤芯区之外的区域为所述光子晶体光纤的包层区。

本发明设计的新型光子晶体光纤，由于所用材料采用石英及其掺杂材料，材料之间在热学、机械等性能上均具有很好的匹配性。虽然材料间的折射率差异小，但同样可以获得很好的束缚光的能力，并且由于高阶模的泄露损耗大，从而使光纤在纤芯面积较大的情况下，仍然在很宽的范围内具有保持了单模传输的特点。同时，由于采用全固态材料，光纤拉丝时，折射率分布不易变化，不需要为保持空气孔形状和大小进行特殊的工艺控制和设备配备；材料间的折射率差小，使得由于制作时出现的折射率分布的微小变化，对光纤传输特性，如色散、双折射等影响较小，易于获得低成本、高质量的光子晶体光纤，为光纤通信及基于光纤的一些相关器件，如光纤放大器、光纤激光器提供很好的光纤材料，同时便于工业化实施和保证产品质量稳定。

附图说明

图1为本发明光子晶体光纤的一种实施例的横截面示意图。

图2为本发明光子晶体光纤的另一种实施例的横截面示意图。

图3为本发明光子晶体光纤的又一种实施例的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图具体描述本发明。

本发明所述的光子晶体光纤的特征在于该光子晶体光纤(参见图1、2和3)是由基质材料1和排布在规则网格结点上的石英介质棒2所组成，没有空气孔，也即是全固态的光子晶体光纤。本发明所述的基质材料1和石英介质棒2均为纯石英或掺杂的石英；因此也可以称为全固态石英光子晶体光纤。本发明所述的光子晶体光纤的纤芯区3位于所述光子晶体光纤几何中心区域，并且该区域内均为所述的基质材料1，也即全部为基质材料1而没有排布所述的石英介质棒2。所述纤芯区3之外的区域为所述光子晶体光纤的包层区4，即包层区4内既有基质材料1，也有按一定规律和形状排布的石英介质棒2。所述纤芯区3的中心和与之相邻的石英介质棒2中心的最近距离可根据需要在很宽范围内变化。典型的所述距离范围为1～50μm，从而可获得具有不同模场面积的光子晶体光纤。当然其取值范围也可更大，但是由此可能会导致光纤的弯曲损耗问题变得很严重。

本发明所述的光子晶体光纤，其进一步特征在于所述光子晶体光纤的基质材料1为纯石英，石英介质棒2为掺杂的石英；或者所述基质材料1为掺杂的石英，而石英介质棒2为纯石英；或者所述基质材料1和石英介质棒2均为掺杂的石英，但两者所用的掺杂材料和/或掺杂材料的份量不同。其中关键在于控制所述的基质材料1的折射率要高于石英介质棒2的折射率。

如果本发明光子晶体光纤所述的基质材料1和/或石英介质棒2(简称介质棒2)选用惨杂石英时，所添加的掺杂物可为氟或氧化物，并根据不同情况来设计。例如：在实际制作时，所述基质材料1为纯石英，而介质棒2为掺杂的石英时，可考虑掺杂氟或B₂O₃来降低折射率；介质棒2采用纯石英，基质材料1为掺杂石英时，可考虑掺杂GeO₂或P₂O₅来提高折射率；而当所述基质材料1和石英介质棒2均设计为掺杂石英时，基质材料1可考虑掺杂GeO₂来提高折射率，而介质棒2可考虑掺杂B₂O₃来降低折射率。本发明典型的设计为基质材料1采用纯石英，而介质棒2采用掺杂石英。

本发明光子晶体光纤所述的介质棒2的横截面形状可以为圆形、椭圆形、正方形或六角形形状，实际上只要是在实验上可以实现的形状均可采用，并且在同一根所述光子晶体光纤中所采用的介质棒2的横截面形状可以相同的，也可以是不相同的。一般情况下，其形状采用相同设计，因为不相同的介质棒2横截面形状制作起来要复杂。当所述光子晶体光纤中的介质棒2的横截面形状选定为圆形时，其直径范围一般应在0.2～60μm内选择，当然也可更大，但是由此可能会导致光纤的弯曲损耗问题变得很严重。当选用其他横截面形状时，所述介质棒2的形状尺寸范围仿照圆形横截面形状设计。同样道理，同一根光子晶体光纤中的介质棒2的直径或尺寸可以一致，也可以不一致。

本发明所述光子晶体光纤中的介质棒2可以排布为三角形、正方形、矩形、蜂窝形或圆形中的任意一种结构。类似于由空气/石英组成的光子晶体光纤，当介质棒2采用所述不同的排布形式时，所获得的光纤在色散、泄露损耗、模场等特性上也会有所不同。

本发明所述光子晶体光纤材料的折射率按以下条件选择：基质材料1的折射率n₁大于介质棒2的折射率n₂，即要保证纤芯区3的折射率比包层区4的折射率高。

本发明提出采用由纯石英及掺杂少量的其他材料来组成PCF的方法，即将空气孔用同样是固态的另一种介质来替代的方法，与空气/石英组成的光子晶体光纤的现有技术相比，同样可获得大模场面积和单模传输特性，但由于采用固态材料，不会产生空气孔的变形和塌陷等情形，因而制作容易控制、工艺简化，成本降低，同时还可保证光纤结构的理想性和一致性，有效降低光纤的双折射现象。另外，对本发明光纤的端面进行切割和光纤之间的耦合也比由空气/石英组成的光子晶体光纤来得容易。

本发明所述的光子晶体光纤，对制备方法没有特殊要求，也即现有的堆积—拉制法等方法可适用于本发明。中国专利200410042623.1号所述的关于光子晶体光纤的制造方法，相关部分也适用于本发明。

以下给出本发明的几个具体实施例。

实施例1

本发明光子晶体光纤的基质材料1选纯石英。石英介质棒2为掺杂的石英。其中心位于三角形网格的结点上(参见图1)。石英介质棒2的直径为7.75μm，每两个石英介质棒2中心之间的间距为15.5μm。石英介质棒2的折射率值为基质材料1的98.5％。按所选材料，依照现有的工艺方法即可制成本发明光子晶体光纤。经计算，该光子晶体光纤传输1.55μm波长光时，有效面积可达330μm²，光纤的泄露损耗小于0.01dB/km。

实施例2

本发明光子晶体光纤的基质材料1选纯石英。石英介质棒2为掺杂的石英。其中心位于正方形网格的结点上(参见图1)。石英介质棒2的直径为9μm，每两个石英介质棒2中心之间的间距为13μm。石英介质棒2的折射率值为基质材料1的98％。按所选材料，依照现有的工艺方法即可制成本发明光子晶体光纤。经计算，该光子晶体光纤传输1.55μm波长光时，有效面积可达220μm²，光纤的泄露损耗小于0.01dB/km。

实施例3

本发明光子晶体光纤的基质材料1选掺杂的石英，其折射率值为纯石英的101％。石英介质棒2为掺杂的石英。其中心位于三角形网格的结点上(参见图1)。石英介质棒2的直径为4.1μm，每两个石英介质棒2中心之间的间距为9.3μm。石英介质棒2的折射率值为基质材料1的99％。纤芯区3是由三角形网格上缺失的7根介质棒2形成的。按所选材料，依照现有的工艺方法即可制成本发明光子晶体光纤。经计算，该光子晶体光纤传输1.55μm波长光时，有效面积可达430μm²，光纤的泄露损耗小于0.01dB/km。

Claims

1.一种光子晶体光纤，其特征在于该光子晶体光纤由基质材料1和排布在规则网格结点上的石英介质棒2所组成，所述的基质材料1和石英介质棒2为纯石英或掺杂的石英；纤芯区3位于所述光子晶体光纤几何中心区域，并且该区域内均为基质材料1；纤芯区3之外的区域为所述光子晶体光纤的包层区4。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于所述光子晶体光纤的基质材料1为纯石英，石英介质棒2为掺杂的石英；或者所述基质材料1为掺杂的石英，而石英介质棒2为纯石英；或者所述基质材料1和石英介质棒2均为掺杂的石英，但两者所用的掺杂材料和/或掺杂材料的份量不同。

3.根据权利要求1或2所述的光子晶体光纤，其特征在于所述的石英介质棒2的横截面形状可以为圆形、椭圆形、正方形或六角形形状，并且在同一根所述光子晶体光纤中所采用的石英介质棒2的横截面形状可以相同，也可以不相同。

4.根据权利要求1或2所述的光子晶体光纤，其特征在于所述光子晶体光纤中的石英介质棒2可以排布为三角形、正方形、矩形、蜂窝形或圆形中的任意一种结构。

5.根据权利要求3所述的光子晶体光纤，其特征在于所述光子晶体光纤中的石英介质棒2的横截面形状为圆形，直径范围在0.2～60μm的内选择；同一根光子晶体光纤中的石英介质棒2的直径可以一致，也可以不一致。

6.根据权利要求1、2或5所述的光子晶体光纤，其特征在于所述光子晶体光纤材料的折射率之间必须满足下述关系：基质材料1的折射率n₁大于石英介质棒2的折射率n₂。