專利名稱：具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屬于光纖通信和光信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖。
背景技術(shù)：
目前，以全光信號處理為特征的全光網(wǎng)絡(luò)智能化進(jìn)程正在加速。實現(xiàn)全光信號處理的關(guān)鍵技術(shù)之一——光緩存技術(shù)，因其能有效地降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率、提高網(wǎng)絡(luò)的智能性， 而成為光通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。所謂光緩存就是用光學(xué)手段使光信號傳輸速度“慢下來”， 即慢光傳輸。與之相對應(yīng)的，利用光學(xué)手段也可使光信號“快起來”，也就是快光傳輸?？旃饧夹g(shù)在數(shù)據(jù)同步和光開關(guān)等光信息處理領(lǐng)域同樣具有重要的應(yīng)用。因此，對快光與慢光的研究具有重要的科學(xué)意義(可參Ikience，326，1074，2009)。此外，快慢光技術(shù)還可應(yīng)用在微波光子學(xué)、光存儲、光學(xué)干涉儀等領(lǐng)域。微結(jié)構(gòu)光纖(可參見Opt. Lett.，21 (19)，1547，1996)又稱為光子晶體光纖或多孔光纖，是近年來迅速發(fā)展的一種具有較高科研價值并引起廣泛關(guān)注的新型光纖，其沿光纖軸按照一定規(guī)律分布著延伸的空氣孔。通過合理設(shè)計光子晶體光纖的橫向結(jié)構(gòu)，可以獲得有別于傳統(tǒng)光纖的許多優(yōu)異特性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中報道的利用雙芯微結(jié)構(gòu)光纖基本是來實現(xiàn)波長和偏振的分離功能的，例如Lin Zhang等人在“Polarization splitter based on photonic crystal fibers", Optics Express，11 (9)，1015—102(^2003)中實現(xiàn)了偏 M ^ ^ ft ；J. Laegsgaard ^AiaPhotonic crystal fiber design for broadband directional coupling”，Optics Letters, 29 (21), 2473-2475 (2004)中設(shè)計了具有極寬頻率范圍的方向耦合器；A. Betlej 等人在〃 All-optical switching andmultifrequency generation in a dual-core photonic crystal fiber, " Opt. Lett. ,31, 1480-1482 (2006)中實現(xiàn)了全光開關(guān)的功能；X. Sun 等人在“Wavelength-selective coupling of dual-core photonic crystal fiber with ahybrid light-guiding mechanism, “ Opt. Lett. , 32, 2484-2486 (2007)中設(shè)計了具有波長選擇功能的耦合器。在公開號為CN100456061C和CN1170177C的中國專利申請中分別公布了一種雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)。這些研究和應(yīng)用充分體現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)光纖設(shè)計的靈活性以及其比普通光纖更強的對光的控制能力。然而，上述雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的兩個纖芯都是由相同材料的全同纖芯組成的。 對于具有非對稱(材料和結(jié)構(gòu)均不同)雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖而言，其超模群折射率演化特性與獨立纖芯的導(dǎo)模群折射率演化特性有明顯不同。然而，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有一種利用具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖實現(xiàn)可調(diào)諧快慢光傳輸?shù)募夹g(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何實現(xiàn)可調(diào)諧快慢光的傳輸。
( 二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，包括包層和纖芯，所述包層由多層位于正六邊形網(wǎng)格結(jié)點上的圓形空氣孔構(gòu)成，所述纖芯為兩個，其中一個由所述網(wǎng)格結(jié)點上的m個所述圓形空氣孔的缺失形成的圓形纖芯，另一個是通過在位于所述網(wǎng)格結(jié)點上的η個所述圓形空氣孔的內(nèi)壁沉積半導(dǎo)體材料而形成的環(huán)形纖芯，m、η均為正整數(shù)。其中，m取值為1或7，η取值為1。其中，相鄰兩個所述圓形空氣孔的間距為Λ，圓形空氣孔的直徑為d，且取值滿足 d/A = 0. 2 0. 85。其中，所述半導(dǎo)體材料為Si，相應(yīng)地，所形成的環(huán)形纖芯為Si環(huán)，Si環(huán)的外徑為 Cl1，內(nèi)徑為d2，且滿足Cl1 = d、0彡d2 < d。其中，圓形纖芯與環(huán)形纖芯中心之間的距離為Cltl，且滿足Cltl為Λ的3 6倍。其中，所述包層由6 10層圓形空氣孔構(gòu)成。優(yōu)選地，當(dāng)m取值為7、η取值為1時，滿足Λ = 2.4 μ m, d/A = 0. 3、(I1 = d、d2 =0.6596 μ m，d。= 4d。當(dāng) m 取值為 l、n 取值為 1 時，滿足 Λ = 2μπκ d/Λ = 0. 3, Cl1 = d、d2 = 0. 5414 μ m, d0 = 4d。選用該優(yōu)選參數(shù)，可使兩個纖芯模式在1. 55微米處實現(xiàn)共振， 在共振波長處兩纖芯間能發(fā)生完全耦合。上述參數(shù)可根據(jù)光信號的載波波長來調(diào)整。其中，所述微結(jié)構(gòu)光纖還包括基底。所述基底由純石英材料制成。(三)有益效果本發(fā)明基于非對稱雙芯耦合機制實現(xiàn)了可調(diào)諧快慢光的傳輸，其優(yōu)點如下(1) 該雙芯微結(jié)構(gòu)光纖中兩個纖芯區(qū)域的材料和有效模場面積均不相同，從而構(gòu)成了不對稱的雙芯結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)參量，可使兩個纖芯模式在1.55微米處實現(xiàn)共振， 在共振波長處兩纖芯間能發(fā)生完全耦合。該耦合結(jié)構(gòu)的超模群折射率演化明顯不同于單個纖芯導(dǎo)模的群折射率演化，從而可實現(xiàn)快慢光傳輸，且具有皮秒級脈沖多比特光學(xué)延遲、帶寬相對較大及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。(2)通過調(diào)整入射至雙芯微結(jié)構(gòu)光纖環(huán)形纖芯中的光功率， 可以方便地調(diào)諧脈沖的延遲時間。


圖1是本發(fā)明第一實施例的雙芯微結(jié)構(gòu)光纖橫截面示意圖；其中空氣孔直徑為 d，Si沉積形成的Si環(huán)內(nèi)徑為d2，外徑為屯，空氣孔間距為A ；圖2是本發(fā)明第一實施例中雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的超模群折射率曲線圖；圖3是本發(fā)明第一實施例中雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的超模色散曲線圖；圖4是本發(fā)明第二實施例的雙芯微結(jié)構(gòu)光纖橫截面示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖1是本發(fā)明第一實施例的雙芯微結(jié)構(gòu)光纖橫截面的示意圖，其中示出的多個小圓圈代表圓形空氣孔，分布有小黑點的背景代表基底。該雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的基底材料為純石英材料，即二氧化硅，在所述基底材料中形成光纖的包層和纖芯。該光纖的包層由6 10 層位于正六邊形網(wǎng)格結(jié)點上的圓形空氣孔構(gòu)成(圖1中包層的最外層空氣孔未構(gòu)成正六邊形的原因是圖1僅示出了整個光纖結(jié)構(gòu)的一部分)，形成低折射率區(qū)域，空氣孔的直徑為 d，相鄰空氣孔的中心距為Λ，且滿足Λ =2.4μπι和d/Λ =0.3。光纖芯區(qū)由兩個纖芯構(gòu)成，一個纖芯是由正六邊形網(wǎng)格節(jié)點上的7個空氣孔的缺失形成的高折射率的圓形纖芯 (位于圖1中最內(nèi)層空氣孔所形成的正六邊形中)，也就是說該圓形纖芯的材料是所述基底材料；另一個纖芯是通過在位于正六邊形網(wǎng)格結(jié)點上的1個空氣孔(即圖1中的空氣孔k) 內(nèi)壁沉積半導(dǎo)體材料Si形成的高折射率的環(huán)形纖芯，環(huán)形纖芯，即Si環(huán)(即圖1中空氣孔 k上的粗線圈)的外徑為屯，內(nèi)徑為d2，且滿足Cl1 = d = 0. 72 μ m、d2 = 0. 6596 μ m。圓形纖芯與環(huán)形纖芯中心之間的距離為Cltl，滿足屯=4Λ = 9. 6μπι。當(dāng)?shù)凸β实墓饷}沖入射到圖1所示的雙芯微結(jié)構(gòu)光纖中時，可以忽略由于光功率改變引起的Si材料的折射率改變。在微結(jié)構(gòu)光纖中激發(fā)的奇、偶模式的群折射率如圖2所示。其中，1為偶模式的群折射率曲線，2為奇模式的群折射率曲線。奇模式和偶模式的群折射率曲線在1550nm波長處相交，在此共振波長1550nm處兩纖芯間能發(fā)生完全耦合。奇、 偶模式相應(yīng)的色散曲線如圖3所示，其中，1是奇模式的色散曲線，2是偶模式的色散曲線。 共振波長處的奇偶模式色散取得極值，約士 3. 4X 104pS/nm/km。當(dāng)峰值功率為90W的脈沖光入射到Si環(huán)形纖芯中時，引起的非線性折射率Δη = 0. 0056。此時，在微結(jié)構(gòu)光纖中激發(fā)的奇、偶模式的群折射率如圖2中的曲線3和4所示， 其中3為偶模式的群折射率曲線，4為奇模式的群折射率曲線。隨著入射到Si材料環(huán)形纖芯中的脈沖光功率的增加，群折射率曲線向長波長方向移動，偶模式在共振波長處的群折射率減小，奇模式在共振波長處的群折射率增加。對于2ps的高斯信號脈沖，5cm長的傳輸距離可實現(xiàn)約2. 5個脈寬的延遲，延遲后脈沖展寬為原來的1. 8倍；對于IOps的高斯信號脈沖，Im長的傳輸距離可實現(xiàn)約10. 2個脈寬的延遲，脈沖展寬比僅為1. 5625。基于以上原理，可實現(xiàn)可調(diào)諧的快慢光傳輸。圖4是本發(fā)明第二實施例的雙芯微結(jié)構(gòu)光纖橫截面的示意圖。雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的基底材料采用純石英材料，該光纖的包層由多層位于正六邊形網(wǎng)格結(jié)點上的圓形空氣孔構(gòu)成(圖4中包層的最外層空氣孔未構(gòu)成正六邊形的原因是圖4僅示出了整個光纖結(jié)構(gòu)的一部分)，空氣孔的直徑為d，相鄰空氣孔的中心距為Λ，滿足Λ =2μπι和d/Λ =0.3。光纖芯區(qū)由兩個纖芯集成構(gòu)成，一個纖芯是由正六邊形網(wǎng)格節(jié)點上的1個空氣孔的缺失形成的圓形纖芯；另一個纖芯是通過在位于正六邊形網(wǎng)格結(jié)點上的1個空氣孔內(nèi)壁沉積高折射率半導(dǎo)體材料Si形成的環(huán)形纖芯，Si環(huán)的外徑為屯，內(nèi)徑為d2，且滿足屯=d = 0.6ym, d2 = 0. 5414 μ m0兩個纖芯中心之間的距離為Cltl，滿足Cltl = 4Λ = 8 μ m。滿足上述光纖參數(shù)時，可使共振波長位于1550nm波長處。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，包括包層和纖芯，其特征在于，所述包層由多層位于正六邊形網(wǎng)格結(jié)點上的圓形空氣孔構(gòu)成，所述纖芯為兩個，其中一個由所述網(wǎng)格結(jié)點上的m個所述圓形空氣孔的缺失形成的圓形纖芯，另一個是通過在位于所述網(wǎng)格結(jié)點上的η個所述圓形空氣孔的內(nèi)壁沉積半導(dǎo)體材料而形成的環(huán)形纖芯，m、η均為正整數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，其中，m取值為1或7，η取值為1。
3.如權(quán)利要求2所述的具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，相鄰兩個所述圓形空氣孔的間距為Λ，圓形空氣孔的直徑為d，且取值滿足d/Λ =0.2 0.85。
4.如權(quán)利要求3所述的具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為Si，相應(yīng)地，所形成的環(huán)形纖芯為Si環(huán)，Si環(huán)的外徑為屯，內(nèi)徑為d2，且滿足Cl1 = d、 0 ≤ d2 < d。
5.如權(quán)利要求4所述的具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，圓形纖芯與環(huán)形纖芯中心之間的距離為Cltl，且滿足Cltl為Λ的3 6倍。
6.如權(quán)利要求5所述的具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，所述包層由 6 10層圓形空氣孔構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求6所述的具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，當(dāng)m取值為 7、η 取值為 1 時，滿足 Λ = 2. 4 μ m、d/ Λ = ο· 3、Cl1 = d、d2 = 0· 6596 μ m, d0 = 4d。
8.如權(quán)利要求6所述的具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，當(dāng)m取值為 l、n 取值為 1 時，滿足 A = 2μπι, d/A = 0· 3、Cl1 = d、d2 = 0· 5414 μ m，d。= 4d。
9.如權(quán)利要求1 8任一項所述的具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)光纖還包括基底。
10.如權(quán)利要求9所述的具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，其特征在于，所述基底由純石英材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有非對稱雙芯結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖，包括包層和纖芯，所述包層由多層位于正六邊形網(wǎng)格結(jié)點上的圓形空氣孔構(gòu)成，所述纖芯為兩個，其中一個由所述網(wǎng)格結(jié)點上的m個空氣孔的缺失形成的圓形纖芯，另一個是通過在位于所述網(wǎng)格結(jié)點上的n個空氣孔的內(nèi)壁沉積半導(dǎo)體材料而形成的環(huán)形纖芯。調(diào)節(jié)本發(fā)明雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)參量，可使兩個纖芯模式在1.55微米處實現(xiàn)共振，在共振波長處兩纖芯間能發(fā)生完全耦合，其超模群折射率演化明顯不同于單個纖芯導(dǎo)模的群折射率演化，從而可實現(xiàn)快慢光傳輸，且本發(fā)明具有皮秒級脈沖多比特光學(xué)延遲、帶寬相對較大及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。
文檔編號G02B6/02GK102565924SQ201010596429
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者任曉敏, 張霞, 施雷, 石維蓬, 高靜, 黃永清 申請人:北京郵電大學(xué)