TW201606366A - 調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖 - Google Patents

Abstract

本發明為一種調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，係包括有：一光纖，具有一纖核及一纖衣，該纖衣係包覆於該纖核之外圍；複數個圓形氣孔，設置於該纖衣處，該複數個圓形氣孔之排列具有對稱性；以及複數個橢圓形氣孔，設置於該纖核處，該複數個橢圓形氣孔之排列具有對稱性。

Description

調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖

本發明係有關於一種調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，其係分別於光纖之纖衣及纖核中設置圓形氣孔及橢圓形氣孔，該些氣孔經由特殊排列及氣孔距的設計，以達到低耗損的光子晶體之光纖結構。

一般光子晶體光纖的設計流程包括有：決定結構、區域離散、向量有限元素分析、求出傳播常數之四個步驟，較佳的設計原則為單元間必須沒有重疊又沒有間隔，以及，單元越小，數值解結果越好。非均勻填充波導中波必須滿足其馬克士威爾方程式所推導出來的波動方程式，如下：

ε _r 相對介電係數；μ _r 相對導磁係數。

橫截面場；A _tt 、元素單位矩陣。

完美匹配層(Perfectly Matched Layers，PML)定義係為在光子晶體光纖邊界處設置有一層特殊介質層，該介質層的波阻抗與相鄰介質波阻抗完全匹配，它為一種『有耗介質』，能夠吸收入射波而不造成反射，進入完美匹配層的透射波將迅速的衰減，以達到完美匹配光子晶體光纖的目的。

保偏光纖最早於1979年所發表提出，其係將單模光纖以簡併移除後，使得兩個正交方向偏振態分離，雙折射越大則場型越易維持，而保偏光纖係常應用於偏振器及感測器的設計結構上。

決定光子晶體光纖的結構，在將結構拆成許多的三角元素(如圖所示一個典型的三角形單元)，對每個三角型元素進行分析在將區域離散化，離散的一個基本要求是每個元素之間都不會有間隔及重疊，元素越小其解越精準，所有的電磁波傳播，包含光子晶體在內都是由馬克斯威爾方程式〔Maxwell equation〕出發。波動方程式是光纖中最主要的方程式，利用變分原理再利用前面所陳述的這些三角型元素分別帶上向量型式的方程組，解這元素上帶有向量型式的特徵方程式，最後可以經由這些元素的疊加後得到光纖的傳播常數kz，進而求出光子晶體光纖的等效折射率。

接著是在邊界加上完美匹配層來計算光子晶體光纖纖的損耗，它是一層用來模擬無窮大電磁場用於有限的空間的一種方法，它為一有耗介質，具有吸收電磁波的功能，左圖即為光子晶體光纖配置完美匹配層橫截面，因為這時相對介電常數與相對導磁率已變成非相異性，此時我們定意一組參數L帶入相對介電常數與相對導磁率，因其計算是二維，故Sz=1，其各個參數配置完美匹配層的圖表如下，參數內部的變數d代表完美匹配層厚度、 λ為輸入的波長。

光子晶體光纖，它是由光子晶體所衍伸出來的新型光纖，它又稱微結構光纖或者是多孔光纖，它是由未掺雜的單一材料(例如SiO₂)與空氣孔構成，它有傳統光纖一些所沒有的好處，例如：在很寬的頻寬下保持單模傳輸，很大的模場面積、以及很高的雙折射。光子晶體光纖又分兩種類型，一種是光子能隙效應型，另一種是我接下來要介紹的平均折射率型，如(左下圖)平均折射率型光子晶體光纖是由一實心背景所構成，在其周圍打上許多的空氣孔，中間拿掉一個空氣孔做為纖核以破壞週期性結構，因空氣孔造成折射率降低，因此驅使光沿著較高折射率的纖芯，光便藉全反射效應沿著缺陷傳播。

光子能隙效應型：光子晶體光纖有完美的週期性結構，影響光子的傳遞，造成某些波長範圍的光可以通過光子晶體，而其它範圍的光則被反射

研究動機方面，現在有一種光纖叫保偏光纖，又叫雙折射光纖，其最早提出是在1979年，其原理是因單模光纖中用人為的方式將簡併移除，使得兩個正交模態分開，兩正交方向折射率差距越大，雙折射越大。

目前光纖波常採用0.85、1.31、1.55μm光纖損耗一般是隨波長加長而減少，0.85μm的損耗在2.5dB/km，1.31μm的損耗為0.35dB/km，1.55μm的損耗為0.20dB/km，這是光纖的最低損耗，波長1.65μm以上的損耗趨向加大。80年代起，傾向於多用單模光纖，而且先用長波長1.31μm。

多模光纖多模光纖(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯較粗(50或62.5μm)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數字信號的 頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。因此，多模光纖傳輸的距離就比較近，一般只有幾公里。

單模光纖單模光纖(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用於遠程通訊。但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩定性要好。後來又發現在1.31μm波長處，單模光纖的材料色散和波導色散一為正、一為負，大小也正好相等。這就是說在1.31μm波長處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31μm處正好是光纖的一個低損耗窗口。這樣，1.31μm波長區就成了光纖通信的一個很理想的工作窗口，也是現在實用光纖通信系統的主要工作波段。1.31μm常規單模光纖的主要參數是由國際電信聯盟ITU-T在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。

本發明的主要目的是提供一種克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，其係分別於光纖之纖衣及纖核中設置圓形氣孔及橢圓形氣孔，該些氣孔經由特殊排列及氣孔距的設計，以達到低耗損的光子晶體之光纖結構。

本發明係為一種調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖結構，係包括有：一光纖，具有一纖核及一纖衣，該纖衣係包覆於該纖核之外圍；複數個圓形氣孔，設置於該纖衣處，該複數個圓形氣孔之排列具有對稱性；以及複數個橢圓形氣孔，設置於該纖核處，該複數個橢圓形氣孔之排列具有對稱性。

較佳者，該些橢圓形氣孔的數量為六個。

較佳者，該些圓形氣孔係呈同心六角形排列。

較佳者，該相隣兩圓形氣孔中心點距離為1.9μm。

較佳者，該相隣兩橢圓形氣孔中心點距離為1.9μm。

較佳者，該橢圓形氣孔的短軸與長軸比值係為1比4。

為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。

Λr‧‧‧相隣兩圓形氣孔中心點距離

Λg‧‧‧相隣兩橢圓形氣孔中心點距離

1‧‧‧光纖

11‧‧‧纖核

12‧‧‧纖衣

2‧‧‧圓形氣孔

3‧‧‧橢圓形氣孔

第1圖係為調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖的第一實施例圖；第2圖係為調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖的第二實施例圖；第3圖係為圖1結構之雙折射關係圖；第4圖係為圖2結構之雙折射關係圖。

為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得 審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：請同時參閱第1圖及第2圖所示，本發明一種調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，係包括有：一光纖1，具有一纖核11及一纖衣12，該纖衣12係包覆於該纖核1之外圍，該光纖1係由含矽材質所構成；複數個圓形氣孔2，設置於該纖衣12處，該複數個圓形氣 孔2之排列具有對稱性，該些圓形氣孔2係呈同心六角形排列；複數個橢圓形氣-*孔3，設置於該纖核11處，該複數個橢圓形氣孔3之排列具有對稱性，該些橢圓形氣孔3的數量為六個至七個。

請參閱第1圖所示，第一實施例之基材(矽)折射率為1.45，設置於基材中之空氣孔=折射率1，採三角晶格排列成正六邊形總共有4層中間無缺陷內一層為橢圓形間距Λg=1.9μm，該橢圓形氣孔的短軸與長軸比值係為1比4，外部三層為圓形間距Λr=1.9μm，相隣兩圓形氣孔中心點距離Λr分別乘以0.61、0.63、0.65、0.67來做整體模擬差異在外三層圓形空氣孔0.61、0.63、0.65、0.67四種大小的數值差異(如第3圖所示)。

請參閱第2圖所示，第二實施例之基材(矽)折射率為1.45，設置於基材中之空氣孔=折射率1，採三角晶格排列成正六邊形總共有4層中間有缺陷內一層為橢圓形氣孔間距Λg=1.9μm，該橢圓形氣孔的短軸與長軸比值係為1比4，外部三層為圓形氣孔間距Λr=1.9μm，相隣兩圓形氣孔中心點距離Λr分別乘以0.61、0.63、0.65、0.67來做整體模擬差異在外三層圓形空氣孔0.61、0.63、0.65、0.67四種大小的數值差異(如第4圖所示)。

藉由上述第1圖至第4圖之揭露，即可瞭解本發明提供一種調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，其係分別於光纖之纖衣及纖核中設置圓形氣孔及橢圓形氣孔，該些氣孔經由特殊排列及氣孔距的設計，以達到低耗損的光子晶體之光纖結構。本創作由於上述之優點，於商業市場上具有極高的價值，故提出專利申請以尋求專利權之保護。

所屬領域之技術人員當可了解，在不違背本發明精神下，依據本案實施態樣所能進行的各種變化。因此，顯見所列之實施態樣並非用以限制本 發明，而是企圖在所附申請專利範圍的定義下，涵蓋於本發明的精神與範疇中所做的修改。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

Λr‧‧‧相隣兩圓形氣孔中心點距離

Λg‧‧‧相隣兩橢圓形氣孔中心點距離

1‧‧‧光纖

11‧‧‧纖核

12‧‧‧纖衣

2‧‧‧圓形氣孔

3‧‧‧橢圓形氣孔

Claims (7)

1. 一種調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，係包括有：一光纖，具有一纖核及一纖衣，該纖衣係包覆於該纖核之外圍；複數個圓形氣孔，設置於該纖衣處，該複數個圓形氣孔之排列具有對稱性；以及複數個橢圓形氣孔，設置於該纖核處，該複數個橢圓形氣孔之排列具有對稱性。
2. 如申請專利範圍第1項所述之調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，其中該些橢圓形氣孔的數量為六個至七個。
3. 如申請專利範圍第1項所述之調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，其中該些圓形氣孔係呈同心六角形排列。
4. 如申請專利範圍第1項所述之調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，其中該相隣兩圓形氣孔中心點距離為1.9μm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，其中該相隣兩橢圓形氣孔中心點距離為1.9μm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，其中該橢圓形氣孔的短軸與長軸比值係為1比4。
7. 如申請專利範圍第1項所述之調變纖核結構之高雙折射率光子晶體光纖，其中該光纖係由含矽材質所構成。