一種納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空芯光子晶體光纖技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖。
【背景技術(shù)】
[0002]基于全內(nèi)反射原理的傳統(tǒng)光波導(dǎo)中，光不可能在空氣這樣的低折射率材料中長距離傳輸。雖然通過多層介質(zhì)或光子晶體的反射，可以實現(xiàn)低折射率介質(zhì)的光傳輸，但是這種結(jié)構(gòu)光纖只能傳輸特定的波長，且模場面積較大會導(dǎo)致光強減弱。
[0003]光子晶體光纖的出現(xiàn)為光學(xué)領(lǐng)域的研究注入了新的活力，它是基于光子晶體技術(shù)發(fā)展起來的一種新型光纖，其包層由在基質(zhì)中二維方向上緊密排列而在軸向結(jié)構(gòu)不變的波長量級空氣孔組成，纖芯有一個破壞了包層周期性的缺陷構(gòu)成，這個缺陷通常是與包層不同大小的石英材料或空氣孔。光子晶體光纖呈現(xiàn)出許多傳統(tǒng)光纖難以實現(xiàn)的特性，如大模面積單模特性、高非線性、色散可調(diào)性、光子帶隙、高雙折射特性等，因而受到了廣泛關(guān)注，成為近年來光學(xué)與光電子學(xué)研究的一個熱點。
[0004]從微米到毫米直徑的光波導(dǎo)在光通信、傳感及能量傳輸?shù)确矫娑家褟V泛應(yīng)用，還有很多方面的應(yīng)用需要降低光波導(dǎo)的直徑，但是由于精度要求較高，制備低損耗、納米尺度的光波導(dǎo)是很困難的。最近，制備出了亞微米及納米尺度的光纖，這些直徑小于一個微米的納米光纖是常用微米尺度光纖的幾十分之一到幾千分之一。它們可以用作空氣包層的納米直徑的線波導(dǎo)，也可以用于微米或納米尺度的光子器件。
[0005]這些實芯光纖的傳導(dǎo)特性已經(jīng)有了很多研究，但是空芯光纖的傳導(dǎo)特性研究還很少。最初光在低折射率材料中傳輸是由于兩種折射率差很大的材料交界面的電場差產(chǎn)生的，但是其損耗較高，只能在幾厘米長度范圍內(nèi)應(yīng)用。另一方面，空芯光子帶隙型光纖可以在空氣芯中傳光，并且損耗很低，但是這種光纖只能傳輸特定波長的光，且空氣芯較大(10μm左右)，導(dǎo)致光強降低，限制了其應(yīng)用。日本的K.Saitoh和法國B.Kibler等人理論模擬了纖芯中心帶有微小空氣孔的光子晶體光纖傳輸傳輸特性，得到這種光纖具有色散平坦、低損耗、小的模場面積等特性，在色散控制、光孤子傳輸及非線性方面具有應(yīng)用價值，但是這種光纖只是纖芯中的石英材料傳光，而中心空氣孔沒有光強分布。
[0006]實芯光子晶體光纖可以使強光在微小纖芯中長距離傳輸，但是當(dāng)纖芯直徑進一步縮小時，光在波導(dǎo)中傳輸最終受到衍射的限制，衍射作用使光從高折射率纖芯中散射出去。后來實驗證明這種散射光可以被局域到纖芯中納米尺度的微小空氣孔中，形成強化倏逝場，可以在光子晶體光纖的纖芯內(nèi)小于200nm的納米級空氣孔中傳輸，且損耗很低。在光子晶體光纖纖芯中引入多個納米及空氣孔，同樣可以得到空氣孔中的光傳輸，光在空氣孔中高強度、長距離傳輸，可以為光與物質(zhì)的相互作用及非線性光學(xué)的研究提供新的條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于提供一種限制損耗小、不受光子帶隙限制、光強密度大、納米級空氣孔長距離傳輸?shù)募{米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案:本發(fā)明所述光纖由纖芯空氣孔、包層空氣孔和基質(zhì)材料三部分組成；在基質(zhì)材料的中心加工至少一個纖芯空氣孔形成纖芯部分;在基質(zhì)材料中圍繞纖芯部分加工包層空氣孔形成包層部分，包層空氣孔按照正六角形多層緊密排列結(jié)構(gòu)進行加工，包層空氣孔的孔距相等;包層空氣孔的孔徑大于纖芯空氣孔的孔徑；纖芯部分的空氣填充率小于包層的空氣填充率，纖芯部分的等效折射率大于包層等效折射率。
[0009]進一步的，所述纖芯空氣孔的孔徑為100?800nm。
[0010]進一步的，所述多個纖芯空氣孔可采用一字形或三角形或六角形的排列結(jié)構(gòu)。
[0011 ] 進一步的，所述包層空氣孔的孔徑為1000?3000nm。
[0012]進一步的，所述包層空氣孔的層數(shù)為4?10層。
[0013]進一步的，所述基質(zhì)材料為柱狀的石英或玻璃或聚合物材料。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0015]1、纖芯多個低折射率空氣孔可以同時傳光、限制損耗可以小于0.01dB/m。
[0016]2、通過設(shè)計合適的纖芯和包層空氣孔填充率，可以獲得單模、寬帶傳輸，不受光子帶隙限制。
[0017]3、由于空氣孔很小，光強密度可以很大。
[0018]4、空氣孔之間的距離較近，多個空氣孔傳光具有相干性，并可以相互耦合。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的端面結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖2是本發(fā)明纖芯部分的結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖3是本發(fā)明纖芯部分的7個納米級纖芯空氣孔的模場分布圖。
[0022]圖4是空氣孔部分的光強占總光纖端面的光強比例隨波長的變化圖。
[0023]圖5是光纖限制損耗隨波長的變化圖。
[0024]圖6是本發(fā)明纖芯部分的19個納米級纖芯空氣孔的模場分布圖。
[0025]附圖標號:1-基質(zhì)材料；2-包層空氣孔;3-纖芯空氣孔；Λ-包層空氣孔的孔距;d-包層空氣孔的孔徑；A。-纖芯空氣孔的孔距;d。-纖芯空氣孔的孔徑。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明:
[0027]如圖1和2所示，所述光纖由纖芯空氣孔3、包層空氣孔2和基質(zhì)材料I三部分組成；以柱狀的石英基質(zhì)作為基質(zhì)材料，在基質(zhì)材料的中心加工至少一個纖芯空氣孔形成纖芯部分;在基質(zhì)材料中圍繞纖芯部分加工包層空氣孔形成包層部分，包層空氣孔按照正六角形多層緊密排列結(jié)構(gòu)進行加工，包層空氣孔的孔距相等;包層空氣孔的孔徑大于纖芯空氣孔的孔徑;纖芯部分的空氣填充率小于包層的空氣填充率，纖芯部分的等效折射率大于包層等效折射率。
[0028]纖芯部分是在純石英材料中引入7個大小相同的圓形纖芯空氣孔，纖芯空氣孔成六角形對稱排列，纖芯空氣孔的直徑d。為500nm，纖芯空氣孔的孔距Λ。為560nm。外部包層是在純石英材料中由若干包層空氣孔按照六角形多層緊密排列形成的微結(jié)構(gòu)構(gòu)成，包層空氣孔層數(shù)為8層，包層中的包層空氣孔直徑d為1500nm，包層空氣孔的孔距Λ為1600nmo
[0029]纖芯部分的空氣填充率略小于包層的空氣填充率，并且纖芯的等效折射率略大于包層等效折射率，形成基于全內(nèi)反射傳輸?shù)墓庾泳w光纖，通過合理設(shè)計纖芯與包層的空氣孔大小及間距，可以保證光纖單模傳輸。并且可以采用有限元方法進行理論計算，得到本發(fā)明的多孔芯光纖模場分布特性和損耗特性。
[°03°]在通信波段1550nm波長，本發(fā)明的7孔芯光子晶體光纖的纖芯區(qū)域模場分布如圖3所示，圖中包括圓形空氣孔與石英的邊界線、模場強度的等位層分布。從圖中可以看出，纖芯空氣孔內(nèi)的光強分布較均勻，纖芯空氣孔區(qū)域的光強密度可以大于纖芯石英區(qū)域的光強密度。通過計算得到，850-1600nm波長范圍，纖芯空氣孔內(nèi)光強占總光纖端面總光強的比例如圖4所示，纖芯空氣孔區(qū)域的光強與光纖端面總光強之比在31%-39%范圍內(nèi)。
[0031]圖5表示本發(fā)明的8層包層空氣孔的7孔芯光子晶體光纖的限制損耗隨波長的變化規(guī)律。在1100-1600nm范圍內(nèi)，限制損耗都小于0.01dB/m。并且光纖為單模傳輸。
[0032]當(dāng)纖芯空氣孔的直徑dc為500nm，纖芯空氣孔的孔距AcS560nm，包層空氣孔的直徑d為1500nm，包層空氣孔的孔距Λ為1600nm時，本發(fā)明的多孔芯光子晶體光纖低損耗、寬帶單模傳輸范圍為1100-1600nm。通過光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的放大或縮小，傳輸光的中心波長也會按比例放大或縮小。
[0033]圖6為纖芯內(nèi)包括19個纖芯空氣孔的光子晶體光纖的纖芯部分模場分布圖，纖芯空氣孔的光強分布較均勻，且光強密度較大，同樣得到了多個納米級空氣孔傳光。纖芯空氣孔的數(shù)量可以是任意個數(shù)，可以得到類似的空氣孔傳光效果。
[0034]由于其特殊的傳光物理機制，纖芯空氣孔可以高強度、長距離傳光，為光與物質(zhì)的相互作用及非線性光學(xué)提供了新的條件。(I)為光傳感方面的研究提供新途徑，大幅提高傳感靈敏度。在光子晶體光纖的纖芯空氣孔中充入CH4、S02、N02、C02等物質(zhì)，利用空氣孔傳光，進行環(huán)境、生物、化學(xué)等方面的光譜傳感研究。(2)在纖芯納米量級的纖芯空氣孔中沖入活性介質(zhì)、非線性材料，強光與填充物質(zhì)的長距離相互作用，可以進行激光傳輸、原子激發(fā)、非線性光學(xué)通信器件等方面的研究。(3)對低折射率納米空氣孔傳光的物理本質(zhì)進行研究，分析光在空氣孔中的模式及存在的狀態(tài)，分析其小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，得到了普通材料沒有的特殊光學(xué)性能，如光吸收、能量損耗、光反射和光學(xué)非線性等。
[0035]以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖，其特征在于:所述光纖由纖芯空氣孔、包層空氣孔和基質(zhì)材料三部分組成;在基質(zhì)材料的中心加工至少一個纖芯空氣孔形成纖芯部分;在基質(zhì)材料中圍繞纖芯部分加工包層空氣孔形成包層部分，包層空氣孔按照正六角形多層緊密排列結(jié)構(gòu)進行加工，包層空氣孔的孔距相等;包層空氣孔的孔徑大于纖芯空氣孔的孔徑;纖芯部分的空氣填充率小于包層的空氣填充率，纖芯部分的等效折射率大于包層等效折射率。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖，其特征在于:所述纖芯空氣孔的孔徑為100?800nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖，其特征在于:所述多個纖芯空氣孔可采用一字形或三角形或六角形的排列結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖，其特征在于:所述包層空氣孔的孔徑為1000?3000nmo5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖，其特征在于:所述包層空氣孔的層數(shù)為4?10層。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖，其特征在于:所述基質(zhì)材料為柱狀的石英或玻璃或聚合物材料。
【專利摘要】一種納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖，所述光纖由纖芯空氣孔、包層空氣孔和基質(zhì)材料三部分組成；在基質(zhì)材料的中心加工至少一個纖芯空氣孔形成纖芯部分；在基質(zhì)材料中圍繞纖芯部分加工包層空氣孔形成包層部分，包層空氣孔按照正六角形多層緊密排列結(jié)構(gòu)進行加工，包層空氣孔的孔距相等；包層空氣孔的孔徑大于纖芯空氣孔的孔徑；纖芯部分的空氣填充率小于包層的空氣填充率，纖芯部分的等效折射率大于包層等效折射率。本發(fā)明具有低損耗、寬帶傳輸特性，多個空氣孔傳光具有相干性，并可以相互耦合。
【IPC分類】G02B6/02
【公開號】CN105511014
【申請?zhí)枴緾N201610039667
【發(fā)明人】趙興濤, 王書濤, 劉曉旭, 王偉, 韓穎, 劉兆倫
【申請人】燕山大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2016年1月21日