TWM496768U - 圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構 - Google Patents

Description

圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構

本創作為一種光子晶體光纖結構，尤其是指一種圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構。

光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)係由未摻雜之單一材料，如二氧化矽(SiO₂ )與空氣孔構成，在其纖衣(Cladding)層中沿軸向分佈著規則或不規則排列之空氣孔。當圓空氣孔在纖核(Core)之位置其週期性被破壞形成缺陷時，光便可沿缺陷傳播。這種類型之光子晶體光纖基本上可分為兩類：一係平均折射率效應(Average-index Effect)，另一係光子帶隙效應。其中該平均折射率效應光子晶體光纖，其導模(Guide Mode)機制係為全反射，一般並不要求纖衣層中之空氣孔呈週期性排列；而該光子晶體帶隙導模光子晶體光纖，其導模機制係為光子帶隙效應，一般係要求纖衣層中之空氣孔呈週期性排列。

由於傳統單模光纖具有兩個正交方向之偏振模態，並且此兩個偏振模態幾乎係為簡併(Degeneracy)，因此只要產生很小之微擾，光纖中之間場便很容易從一個偏振模態轉換到另一個偏振模態。如果偏振 態因簡併被移去，偏振模之間場之轉換將急速減小，此時光纖便成為雙折射光纖。最早保偏光纖之概念及製造方法係由Kaminow等人首先提出，經由人為之方式刻意在光纖中引入雙折射，研製出熊貓型、領結型、橢圓包層及橢圓纖核型之多種保偏光纖。並已應用在偏振器、相關光通訊系統及其他感測器之設計上。然而，隨著光纖通訊之發展，目前之保偏光纖已難以滿足高速發展之需求，因此研究高性能之保偏光纖已成國內外相關領域研究之重點。

有別於傳統光纖，光子晶體光纖由於纖核與纖衣層具有較高之折射率差，並可靈活設計為具橢圓形空氣孔之對稱結構，故常設計成高雙折射率之光纖。

本創作提供一種具有橢圓形空氣孔與圓形空氣孔之結構的圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其將提高圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構的保偏效果，此外更具有低於市面上商用之光耗損產品的標準。。

在一實施例中，本創作提出一種圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其包括一纖核區以及一纖衣區。纖核區位於圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構之中心區域且具有七個橢圓形空氣孔，其中之一橢圓形空氣孔中心分別以角度60度依序對應其他橢圓形空氣孔中心而排列成一六角形區域，而每一橢圓形空氣孔中心皆兩兩相距一第一間距。纖衣區位於纖核區之外的區域且具有複數個圓形空氣孔，每一圓形空氣孔圓心皆兩兩相距一第二間距。

10‧‧‧圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構

100‧‧‧纖核區

102‧‧‧橢圓形空氣孔

110‧‧‧纖衣區

112‧‧‧圓形空氣孔

Λg‧‧‧第一間距

Λr‧‧‧第二間距

dc‧‧‧圓形空氣孔之直徑

dx‧‧‧橢圓形空氣孔之短軸直徑

dy‧‧‧橢圓形空氣孔之長軸直徑

圖1為本創作實施例之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構示意圖。

圖1為本創作實施例之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構示意圖。圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構10，其包括一纖核區100以及一纖衣區110。纖核區100位於圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構10之中心區域且具有七個橢圓形空氣孔102，其中之一橢圓形空氣孔102中心分別以角度60度依序對應其他橢圓形空氣孔102中心而排列成一六角形區域，而每一橢圓形空氣孔102中心皆兩兩相距一第一間距Λg。纖衣區110位於纖核區100之外的區域且具有複數個圓形空氣孔112，每一圓形空氣孔112圓心皆兩兩相距一第二間距Λr。

其中，圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構10之材質可為二氧化矽且其折射率係為1.45，而橢圓空氣孔102與圓形空氣孔112之折射率係為1，但不以此為限。

在本實施例中，橢圓形空氣孔102之長軸直徑dy=0.9*第一間距Λg，而橢圓形空氣孔102之短軸直徑dx=dy/4。

將圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構10利用一有限元素法(Finite Element Method，FEM)進行模擬。在x方向與y方向之兩個正交方向之平均折射率差，係以x方向之等效折射率n^x _eff 與y方向之等效折射率n^y _eff ，其兩者之差之絕對值｜n^x _eff -n^y _eff ｜為雙折射率差(Birefringence)△n，其公式如下： △n=｜n^x _eff -n^y _eff ｜

在一較佳實施例中，當第一間距Λg係為1.9μm與第二間距Λr係為1.9μm，與通信波長λ=1.55μ m下，當圓形空氣孔112之直徑dc=0.8*第二間距Λr時，其雙折射率差△n1=1.35×10^-2 。當圓形空氣孔112之直徑dc=0.9*第二間距Λr時，其雙折射率差△n2=1.36×10^-2 。

再根據雙折射率之高低是由有限元素法計算侷限耗損以得知光耗損，其表現公式為：

其中Im(n_eff )為折射率導模光波導有效係數effective index之虛數部分，λ為入射光波長，dB/m為光耗損之單位。

再將雙折射率差△n1=1.35×10^-2 代入光耗損公式時，將會得到較佳之光耗損為3.31×10^-3 dB/m，以及將雙折射率差△n2=1.36×10^-2 代入光耗損公式時，將會得到較佳之光耗損為3.19×10^-3 dB/m，上述兩組光耗損皆低於市面上商用之光耗損產品的標準，又具有在纖核區100內七個橢圓形空氣孔102與纖衣區110數個圓形空氣孔112之結構設計，則纖衣區110之平均折射率將小於纖核區100之平均折射率，進而提高圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構10的保偏效果。

綜上所述，本創作之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構具有在纖核區100內七個橢圓形空氣孔102與纖衣區110數個圓形空氣孔112之結構設計，則纖衣區110之平均折射率將小於纖核區100之平均折射率，進而提高圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構10的保偏效果，此外更具有低於市面上 商用之光耗損產品的標準。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本創作之特點及功效，而非用於限定本創作之可實施範疇，於未脫離本創作上揭之精神與技術範疇下，任何運用本創作所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構

100‧‧‧纖核區

102‧‧‧橢圓形空氣孔

110‧‧‧纖衣區

112‧‧‧圓形空氣孔

Λg‧‧‧第一間距

Λr‧‧‧第二間距

dc‧‧‧圓形空氣孔之直徑

dx‧‧‧橢圓形空氣孔之短軸直徑

dy‧‧‧橢圓形空氣孔之長軸直徑

Claims (11)

1. 一種圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其包括：一纖核區，其位於該圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構之中心區域且具有七個橢圓形空氣孔，其中之一橢圓形空氣孔中心分別以角度60度依序對應其他橢圓形空氣孔中心而排列成一六角形區域，而每一橢圓形空氣孔中心皆兩兩相距一第一間距Λg；以及一纖衣區，其位於該纖核區之外的區域且具有複數個圓形空氣孔，每一圓形空氣孔圓心皆兩兩相距一第二間距Λr。
2. 如申請專利範圍第1項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其中該圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構之材質係為二氧化矽。
3. 如申請專利範圍第1項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其中該圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構之折射率係為1.45。
4. 如申請專利範圍第1項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其中該橢圓空氣孔與該圓形空氣孔之折射率係為1。
5. 如申請專利範圍第1項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其中該橢圓形空氣孔之長軸直徑dy=0.9*第一間距Λg，而該橢圓形空氣孔之短軸直徑dx=dy/4。
6. 如申請專利範圍第1項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其中該圓形空氣孔之直徑dc=0.8*第二間距Λr。
7. 如申請專利範圍第1項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其中該圓形空氣孔之直徑dc=0.9*第二間距Λr。
8. 如申請專利範圍第1項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，其中該第一間距Λg係為1.9μm與該第二間距Λr係為1.9μm。
9. 如申請專利範圍第1項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，該纖衣區之平均折射率小於該纖核區之平均折射率。
10. 如申請專利範圍第1項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，該光子晶體光纖係以有限元素法進行模擬，並以x方向等效折射率n^x _eff 與y方向等效折射率n^y _eff 兩者之差之絕對值｜n^x _eff -n^y _eff ｜為雙折射率△n，其表現公式如下：△n=｜n^x _eff -n^y _eff ｜。
11. 如申請專利範圍第10項所述之圓形空氣孔纖衣橢圓形空氣孔纖核之光子晶體光纖結構，該雙折射率之高低是由有限元素法計算侷限耗損以得知光耗損，其表現公式為： 其中Im(n_eff )為折射率導模光波導有效係數effective index之 虛數部分，λ為入射光波長，dB/m為光耗損之單位。