一種新型光子晶體光纖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型光子晶體光纖，其主體為正三角形排列的空氣孔，背景材料為純石英玻璃，且外部被與背景材料折射率相同的完美匹配層包裹，其特征在于：最內(nèi)圈空氣孔被橢圓和半橢圓空氣孔取代，其中左右兩個對稱的空氣孔被短軸分開的半橢圓形空氣孔取代，其余四個空氣孔被橢圓形空氣孔取代，且橢圓空氣孔的幾何中心為原空氣孔的圓心，除此外，橢圓形空氣孔的長軸垂直于半橢圓形空氣孔的長軸。本發(fā)明所提供的高非線性、高雙折射和零色散光纖將在光孤子通信、光纖器件、光纖傳感、高速光網(wǎng)絡(luò)和超連續(xù)譜傳輸?shù)确矫姘l(fā)揮重要的作用。
【專利說明】一種新型光子晶體光纖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光子晶體光纖領(lǐng)域，具體為一種高雙折射高非線性多零色散波長的光子晶體光纖。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體光纖(photonic crystal fiber, PCF),又稱微結(jié)構(gòu)光纖或多孔光纖,與普通光纖相比，具有無限單模傳輸、高雙折射、高非線性、色散管理等特性，被廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光通信及非線性光學(xué)等領(lǐng)域。
[0003]高雙折射PCF在高性能光纖激光器及激光傳感等方面具有重要的應(yīng)用價值，因此其成為PCF領(lǐng)域的研究熱點之一。PCF的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)是平行四邊形晶格構(gòu)成的六重對稱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下的光子晶體光纖的基模是簡并的，因此破壞PCF的對稱結(jié)構(gòu)是其提高雙折射的主導(dǎo)方法，如在包層中引入半徑不同的孔，改變纖芯或包層空氣孔形狀等。Liang (參考文獻(xiàn)Jian Liang, Maojin Yun, et al.2011 Optik.122 2151)等在纖芯處引入一排捕圓空氣孔，該結(jié)構(gòu)雖然獲得了 2.18X10_3的雙折射，但是其非線性系數(shù)還需進一步提高。D.Chen(參考文獻(xiàn) D.Chen, X.A.Liu, G.Wu.2012 J.Electromagnet.Wave.26 1864)設(shè)計了三空氣孔結(jié)構(gòu)的PCF，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)在1.55//?波長處實現(xiàn)了 1.17X10_2的高雙折射，并且降低了 PCF的限制損耗。同年，So Eun Kim(參考文獻(xiàn)So Eun Kim, Bok Hyeon Kimet al.2012 Opt.Exp.20 1385)等設(shè)計出了全橢圓結(jié)構(gòu)的PCF，在L 55//?波長處，其雙折射達(dá)到1.94X10_2，同時具有負(fù)色散平坦特性，但制備此種光纖異常困難。最近，MohitSharma (參考文獻(xiàn) Mohit Sharma, Nitu Borogohain, S.Konar.2013 J.Lightw.Tech.31 3339)等設(shè)計了一種類矩形纖芯PCF，其雙折射約為2.22 X 10_2，但該光纖在可見光波長范圍只有一個零色散波長，而且其色散平坦特性有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高雙折射高非線性多零色散波長光子晶體光纖，以解決現(xiàn)有技術(shù)中光子晶體光纖存在的問題。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種新型光子晶體光纖，其主體為正三角形排列的空氣孔，背景材料為純石英玻璃，且外部被與背景材料折射率相同的完美匹配層包裹，其特征在于:最內(nèi)圈空氣孔被橢圓和半橢圓空氣孔取代，其中左右兩個對稱的空氣孔被短軸分開的半橢圓形空氣孔取代，其余四個空氣孔被橢圓形空氣孔取代，且橢圓空氣孔的幾何中心為原空氣孔的圓心，除此外，橢圓形空氣孔的長軸垂直于半橢圓形空氣孔的長軸。在上述結(jié)構(gòu)中，(O圓形空氣孔的直徑為A相鄰空氣孔間距為」；(2)兩個半橢圓形空氣孔的長軸為4，短軸為A其距光纖的幾何中心的距離均為Z ; (3)四個橢圓形空氣孔的長軸為^短軸為％。
[0006]所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:所述光纖的背景材料為純石英玻璃。
[0007]所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:最內(nèi)圈空氣孔被四個橢圓和兩個半橢圓空氣孔取代。
[0008]所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:橢圓形空氣孔的長軸垂直于半橢圓形空氣孔的長軸。
[0009]所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:四個橢圓空氣孔的幾何中心為原圓形空氣孔的圓心。
[0010]所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:兩個半橢圓空氣孔關(guān)于該光纖的幾何中心對稱，且距該光纖的幾何中心距離為Z。
[0011]本發(fā)明設(shè)計了一種新型光子晶體光纖，當(dāng)Λ =\.111、Cl2=QAlJ 111、Cl=Cll=IlJ 111、Z=0.6//?時，新型光纖在』=1.55//?處獲得2.54Χ10-2的高雙折射。當(dāng)Λ=1.2μηι、t/2=0.Chd1=IiJm、Z=0.6//?時，X、Y偏振方向在』=1.55//?的非線性系數(shù)高達(dá)50.1lT1M1和54.^W1M10另外，在近紅外波段，X、Y偏振方向都出現(xiàn)了兩個零色散波長，其中的一個零色散波長出現(xiàn)在1.55//?附近，同時，隨著孔間距」的增大，零色散波長出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。本發(fā)明所提供的高非線性、高雙折射和零色散光纖將在光孤子通信、光纖器件、光纖傳感、高速光網(wǎng)絡(luò)和超連續(xù)譜傳輸?shù)确矫姘l(fā)揮重要的作用?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，其中:
圖1a為新型光子晶體光纖橫截面圖，圖1b為虛框內(nèi)的放大圖及結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0013]圖2為本發(fā)明模場分布圖，其中:
圖2a為X偏振方向模場，圖2b為Y偏振方向模場。
[0014]圖3為本發(fā)明不同式下的有效模面積，其中:
圖3a為X偏振方向的有效模面積，圖3b為Y偏振方向的有效模面積。
[0015]圖4為本發(fā)明不同式下的非線性系數(shù)，其中:
圖4a為X偏振方向的非線性系數(shù)，圖4b為Y偏振方向的非線性系數(shù)。
[0016]圖5為本發(fā)明不同孔間距下的色散曲線，其中:
圖5a為X偏振方向色散曲線，圖5b為Y偏振方向色散曲線。
[0017]圖6為本發(fā)明不同孔間距」下的雙折射。
【具體實施方式】
[0018]一種新型光子晶體光纖，其主體為正三角形排列的空氣孔1，背景材料2為純石英玻璃，且外部包裹與背景材料折射率相同的完美匹配層3，最內(nèi)圈空氣孔被半橢圓4和橢圓空氣孔5取代，其中左右兩個對稱的空氣孔被短軸分開的半橢圓形空氣孔4取代，其余四個空氣孔被橢圓形空氣孔5取代，且橢圓空氣孔5的幾何中心為原空氣孔的圓心，除此外，橢圓形空氣孔5的長軸垂直于半橢圓形空氣孔4的長軸。在上述結(jié)構(gòu)中，(I)圓形空氣孔I的直徑為:相鄰空氣孔間距為」；(2)兩個半橢圓形空氣孔4的長軸為J1，短軸為:其距光纖的幾何中心的距離均為Z ; (3)四個橢圓形空氣孔5的長軸為:短軸為％。
[0019]背景材料2為純石英玻璃。
[0020]兩個半橢圓空氣孔4關(guān)于該光纖的幾何中心對稱，且距該光纖的幾何中心距離為L。[0021]橢圓形空氣孔5的長軸垂直于半橢圓形空氣孔4的長軸。
[0022]本發(fā)明可以采用限元法并結(jié)合完美匹配層邊界吸收條件進行理論計算，得到本發(fā)明的模場分布特性、有效模面積、非線性特性、色散特性、雙折射特性。
[0023]如2圖所示，可以看出本發(fā)明模場分布特性。在PCF中，光波的能量集中在纖芯傳播，即以基模的形式進行傳輸，因此基模模場分布是衡量光纖特性的重要標(biāo)準(zhǔn)。圖2給出了在 2 二1.55//? 處，/I 二1.2um, L=Q.^um, (!-(I1-Xum, Or2=0.的不同偏振方向的基模模場分布情況。從圖中可以看出，對于X、Y偏振方向模場能量集中在纖芯，滿足光纖單模傳輸?shù)囊蟆?br> [0024]如3圖所示，可以看出本發(fā)明有效模面積。圖3給出了 Λ=\.2μοι、L=0.&liοι、W1=I μ m、?/2=0.6?時PCF X、Y偏振方向的有效模面積Aeff的變化情況。由圖3可知，相同的」下，兒#隨著波長和A的增加而增大，但X偏振方向兒#的增加速度略大，波長』二1.55//?處，X、Y偏振方向的有效模面積疋#分別為2.583//V和2.375//V，具有比現(xiàn)有技術(shù)更小的模場面積。
[0025]如4圖所示，可以看出本發(fā)明非線性特性。不同孔間距PCF的非線性系數(shù)r隨波長的變化如圖所示，從圖4中可以得出，光纖的r值隨著波長的增加而逐漸減小。當(dāng)Λ 二1.m、L=Q.6//?、Chd1=IiJm、Or2=0.6//? 時,在波長父二1.55//? 處 X、Y 偏振方向的非線性系數(shù)r分別為50.22￥lkml和54.與現(xiàn)有技術(shù)的非線性相比較，采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的PCF具有更高的非線性，其在光孤子通信、光纖器件和超連續(xù)光譜的產(chǎn)生等方面具有重要的作用。
[0026]如5圖所示，可以看出本發(fā)明色散特性。光纖色散會導(dǎo)致光脈沖在傳播過程中展寬，使前后脈沖互相交疊，引起信號的碼間串?dāng)_，色散是限制光通信速率進一步提高的因素之一。圖為不同孔間距」下的Χ、Y偏振方向的色散特性，從圖5中可以看出，當(dāng)」-1.2UIB、L=O- 6pm, d二Cll=Iμm、Or2=0.時,在近紅外波段，X、Y偏振方向都出現(xiàn)了兩個零色散波長。同時，隨著孔間距」的增加，零色散波長出現(xiàn)紅移，更重要的是，在波長』二 1.55//?處的總色散非常小，完全可以通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置使該光纖通信波長處的總色散為零。
[0027]如圖6所示，可以看出本發(fā)明雙折射特性。高雙折射的PCF在光通信和光纖傳感器中有重要的應(yīng)用。本發(fā)明設(shè)計PCF的雙折射B隨波長的變化如圖6所示，由圖可知，雙折射B隨波長的增大而增大，隨孔間距A的增大而減小。在波長』二1.55//?，當(dāng)/I 二1.2pjb,L=Q.Wnud=Cil=Iiinud2=Q.5pa時，其雙折射可達(dá)2.54X 10-2，是目前報道的具有最高雙折射的全內(nèi)反射型光子晶體光纖。
[0028]以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種新型光子晶體光纖，其主體為正三角形排列的空氣孔，背景材料為純石英玻璃，且外部被與背景材料折射率相同的完美匹配層包裹，其特征在于:最內(nèi)圈空氣孔被半橢圓和橢圓空氣孔取代，其中兩個左右對稱的空氣孔被短軸分開的半橢圓形空氣孔取代，其余四個空氣孔被橢圓形空氣孔取代，且橢圓空氣孔的幾何中心為原空氣孔的圓心，除此外，橢圓形空氣孔的長軸垂直于半橢圓形空氣孔的長軸，在上述結(jié)構(gòu)中，(I)圓形空氣孔的直徑為A相鄰空氣孔間距為」；(2)兩個半橢圓形空氣孔的長軸為4，短軸為A其距光纖幾何中心的距離均為Z ; (3)四個橢圓形空氣孔的長軸為^短軸為％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:所述光纖的背景材料為純石英玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:最內(nèi)圈空氣孔被四個橢圓和兩個半橢圓空氣孔取代。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:橢圓形空氣孔的長軸垂直于半橢圓形空氣孔的長軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:四個橢圓空氣孔的幾何中心為原圓形空氣孔的圓心。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型光子晶體光纖，其特征在于:兩個半橢圓空氣孔關(guān)于該光纖的幾何中心對稱 ，且距該光纖的幾何中心距離為Z。
【文檔編號】G02B6/02GK103913801SQ201410079404
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】姜海明, 王二壘, 謝康 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)