專利名稱：一種高雙折射光子晶體光纖的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖技術領域，特別是ー種光子晶體光纖。
背景技術：
在理想情況下，單模光纖傳輸兩個相互正交的模式，它們有相同的傳播常數，彼此簡并，因此可以看成是單ー的偏振電矢量。然而，實際的光纖多少會有一些不完善，內部折射率分布也因內部應カ的不均勻而導致折射率的不均勻。這就引起兩個基模傳播常數的變化，從而導致單模光纖中基模偏振態(tài)的擾動，破壞了基模的相互簡并特性，從而引起模式雙折射。保偏光纖則是在光纖的橫截面上人為地引入幾何各向異性，使得光纖中的兩基模的耦合系數減小，進而引起兩正交傳播常數L與Py差的増大，即A ￠=ん-Py越大，則模式雙折射程度越高。
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光子晶體光纖(photonic crystal fiber,簡稱PCF)又稱為微結構光纖或多孔光纖。光子晶體光纖包層中空氣孔的特殊排列結構使其呈現出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實現的特性，如無截止的單模傳輸、高雙折射、高非線性、色散可調節(jié)及大模面積等獨特性質，成為當前研究的ー個熱點，并被廣泛應用于光傳感、光通信及非線性光學等領域。高雙折射光纖在傳感應用方面及對線偏振光的偏振保持能力方面有廣泛的應用價值。傳統(tǒng)高雙折射光纖中，纖芯摻雜有GeO2，在核輻射情況下其傳輸損耗會増大，核爆耐受カ及溫度穩(wěn)定性能低，而高雙折射光子晶體光纖是由純石英材料制作而成，并可設計不同的結構改進光纖性能，具有傳統(tǒng)高雙折射光纖無法比擬的優(yōu)越性。高雙折射光子晶體光纖的結構設計靈活，通過在包層中引入大小不一的空氣孔、改變纖芯或者包層空氣孔的形狀，都可以得到性能優(yōu)異的高雙折射光子晶體光纖。
發(fā)明內容
為了克服現有技術雙折射低下的不足，本發(fā)明提出了一種結構簡單且容易制作的具有高雙折射特性的光子晶體光纖結構，該結構本身具有二重旋轉對稱性，可以獲得比現有的雙折射型光子晶體光纖更高的雙折射，并且非線性系數比較高。本發(fā)明提供的高雙折射光子晶體光纖，包括纖芯和包層，所述包層設置在纖芯外圍區(qū)域，包層折射率低于纖芯部分。在所述光纖的背景材料(2)上按照規(guī)則網格結點布置有一組空氣孔結構，其中，中間三排的圓形小空氣孔(3)呈正方形結構排列，其余兩側的圓形小空氣孔(3)每三個相鄰小空氣孔在光纖截面上呈正三角形結構排列；圓形小空氣孔(3)的直徑為d ；所述光纖的纖芯(I)是由中心位于規(guī)則網格結點上的兩個圓形小空氣孔(3)的缺失形成的高折射率芯區(qū)；所述光纖的包層是由在背景材料(2)的規(guī)則網格結點上的空氣孔結構形成的等效低折射率區(qū)域，由內包層和外包層組成，位于纖芯(I)的周圍；所述內包層由四對圓形大空氣孔(4)和一對橢圓空氣孔(5)及周邊的背景材料(2)構成(如圖I所示)，橢圓空氣孔(5)由對稱位于纖芯(I)兩側的兩個圓形小空氣孔(3)替換而成，四對圓形大空氣孔(4)由位于纖芯(I)及橢圓空氣孔(5)兩側的四對圓形小空氣孔(3)替換而成；所述橢圓空氣孔(5)的長軸直徑為d，短軸直徑為d/2 ;所述圓形大空氣孔(4)的直徑為D ；所述外包層由在背景材料(2)中規(guī)則排布的直徑為d的圓形小空氣孔(3)及周邊的背景材料(2)構成；所有相鄰空氣孔的中心間距為A，2d> A>D>d ;所述纖芯(I)的材料與包層的背景材料(2)相同。所述纖芯(I)的材料與包層的背景材料(2)均為純石英或聚合物材料。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果
本發(fā)明提出了一種結構簡單且容易制作的具有高雙折射特性的光子晶體光纖結構，該結構通過改變包層空氣孔結構設置，在包層中引入四對圓形大空氣孔、一對橢圓空氣孔與纖芯相連，因此該結構光纖具有二重旋轉對稱性，正交偏振模式不再簡并，表現出很高的雙折射。該光子晶體光纖的模式雙折射比普通光纖至少高ー個數量級，達到10_2量級，同時，該結構光纖的非線性系數很高。因此，這種結構的光子晶體光纖可用于制作具有非線性或偏振特性的保偏光纖及相關光纖器件，并且由于光纖的雙折射是通過改變空氣孔的幾何尺寸實現的，溫度的影響很小，穩(wěn)定性好，因而更適合實際的應用。下面結合附圖和實施利對本發(fā)明進ー步說明。
圖I為本發(fā)明一個實施例的高雙折射光子晶體光纖橫截面不意圖；圖中，(I)纖芯、(2)背景材料、(3)直徑為d的圓形小空氣孔、(4)直徑為D的圓形大空氣孔、(5)長軸直徑為d，短軸直徑為d/2的橢圓空氣孔、A-相鄰空氣孔的間距。圖2是圖I實施例I光纖的模場分布圖，其中a是X偏振基模模場的振幅分布圖樣，b是y偏振基模模場的振幅分布圖樣；圖3是圖I實施例I光纖計算得到的兩個正交方向上的模式有效折射率隨波長的變化關系圖；圖4是圖I實施例I光纖計算得到的兩個正交方向上的模式有效折射率差，即雙折射B隨波長的變化關系圖；圖5是圖I實施例I光纖計算得到的兩個正交方向上的非線性系數Y隨波長的變化關系圖。下面結合附圖對本發(fā)明作進ー步的具體說明。
具體實施例方式實施例I一種高雙折射光子晶體光纖，橫截面結構如圖I所示，包括纖芯和包層。在所述光纖的背景材料(2)上按照規(guī)則網格結點布置有一組空氣孔結構，其中，中間三排的圓形小空氣孔(3)呈正方形結構排列，其余兩側的圓形小空氣孔(3)每三個相鄰小空氣孔在光纖截面上呈正三角形結構排列；圓形小空氣孔(3)的直徑為d。所述光纖的纖芯(I)是由中心位于規(guī)則網格結點上的兩個直徑為d的小空氣孔(3)的缺失形成的高折射率芯區(qū)；所述光纖的包層是由在背景材料(2)的規(guī)則網格結點上的空氣孔結構形成的等效低折射率區(qū)域，由內包層和外包層組成，位于纖芯(I)的周圍；所述外包層由在背景材料(2)中規(guī)則排布的直徑為d的圓形小空氣孔(3)及周邊的背景材料(2)構成；所述內包層由四對圓形大空氣孔(4)和一對橢圓空氣孔(5)及周邊的背景材料(2)構成(如圖中虛線框內)；所述四對圓形大空氣孔(4)對稱位于纖芯(I)兩側；所述圓形大空氣孔(4)的直徑為D ;所述ー對橢圓空氣孔(5)對稱位于纖芯(I)兩側；所述橢圓空氣孔(5)的長軸直徑為山短軸直徑為d/2 ;所有相鄰空氣孔的中心間距為A，2d> A >D>d ;所述纖芯(I)的材料與包層的背景材料(2)相同。本例中，選擇背景材料(2)為純石英，外包層小空氣孔(3)的直徑d=0. 588 U m,內 包層大空氣孔(4)的直徑D=O. 941 iim，橢圓空氣孔(5)的長軸直徑d=0. 588 y m，短軸直徑d/2=0.294i!m，空氣孔的間距A=liim。得到該參數下光子晶體光纖的基模模場分布、模式有效折射率、模式有效折射率差B、非線性系數分別如圖2至5所示。圖2結果表明，由于此結構具有二重旋轉對稱性，因此光纖基模的兩個正交偏振態(tài)不再簡并，分離成兩個不簡并的模式——X偏振基模和I偏振基摸，且每個基模都存在X和y方向分量。X偏振基模的X方向分量振幅遠大于y方向分量振幅,呈現出很強的X偏振特性；而I偏振基模X方向分量振幅遠小于y方向分量振幅，呈現出很強的y偏振特性。圖3結果表明模有效折射率大于模有效折射率，且有效折射率隨波長的增大而減小。圖4結果表明，雙折射效應隨波長的增大而線性增大，在波長入=1550nm時，雙折射B=L 53X 10_2，比普通光纖的雙折射高出兩個數量級。圖5結果表明，該雙折射光子晶體光纖具有高的非線性系數，在波長X=1550nm處，"な模和丑對模的非線性系數Y分別為42 ^!!!-1和28 ^!!!'實施例2—種高雙折射光子晶體光纖結構，選擇背景材料(2 )為聚合物材料,外包層小空氣孔(3)的直徑d=0. 588 ii m，內包層大空氣孔(4)的直徑D=O. 941 y m，橢圓空氣孔(5)的長軸直徑a=0. 588 u m,短軸直徑b=0. 294 u m,空氣孔的間距A=Ium0
權利要求
1.一種高雙折射光子晶體光纖，包括纖芯和包層，所述包層設置在纖芯外圍區(qū)域，包層折射率低于纖芯部分，其特征在于 在所述光纖的背景材料(2)上按照規(guī)則網格結點布置有一組空氣孔結構，其中，中間三排的圓形小空氣孔(3)呈正方形結構排列，其余兩側的圓形小空氣孔(3)每三個相鄰小空氣孔在光纖截面上呈正三角形結構排列；圓形小空氣孔(3)的直徑為d ； 所述光纖的纖芯(I)是由中心位于規(guī)則網格結點上的兩個圓形小空氣孔(3)的缺失形成的高折射率芯區(qū)； 所述光纖的包層是由在背景材料(2)的規(guī)則網格結點上的空氣孔結構形成的等效低折射率區(qū)域，由內包層和外包層組成，位于纖芯(I)的周圍；所述內包層由四對圓形大空氣孔(4)和ー對橢圓空氣孔(5)及周邊的背景材料(2)構成，橢圓空氣孔(5)由對稱位于纖芯(I)兩側的兩個圓形小空氣孔(3)替換而成，四對圓形大空氣孔(4)由位于纖芯(I)及橢圓空氣孔(5)兩側的四對圓形小空氣孔(3)替換而成；所述橢圓空氣孔(5)的長軸直徑為d，短軸 直徑為d/2 ;所述圓形大空氣孔(4)的直徑為D ； 所述外包層由在背景材料(2)中規(guī)則排布的直徑為d的圓形小空氣孔(3)及周邊的背景材料(2)構成； 所有相鄰空氣孔的中心間距為A，2d>A>D>d ;所述纖芯(I)的材料與包層的背景材料(2)相同。
2.根據權利要求I所述的高雙折射光子晶體光纖，其特征在于所述纖芯(I)的材料與包層的背景材料(2)均為純石英或聚合物材料。
全文摘要
一種高雙折射光子晶體光纖，包括纖芯和包層。光纖中心部分消去兩個小空氣孔形成類橢圓的纖芯，同時通過改變包層空氣孔結構設置，在包層中引入四對大空氣孔、一對橢圓空氣孔與纖芯相連，因此該結構光纖具有二重旋轉對稱性，正交偏振模式不再簡并，表現出很高的雙折射。通過改變纖芯結構，在一定范圍內調整大空氣孔的直徑和橢圓孔的橢圓率，該光子晶體光纖的模式雙折射比普通光纖高兩個數量級，同時使所述光纖具有高的非線性系數。該發(fā)明的光子晶體光纖結構簡單，具有高雙折射、高非線性的優(yōu)點，這種結構的PCF可用于制作具有適當非線性或偏振特性的保偏光纖及相關光纖器件。
文檔編號G02B6/024GK102854562SQ201210380219
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月9日 優(yōu)先權日2012年10月9日
發(fā)明者曹曄, 李榮敏, 童崢嶸 申請人:天津理工大學