一種具有高雙折射特性的光子晶體光纖的制作方法
【專利摘要】一種具有高雙折射特性的光子晶體光纖，包括纖芯和包層，纖芯位于光纖中心部位并不設空氣孔；包層由內(nèi)包層和外包層組成，包圍纖芯的內(nèi)包層包括由八個對稱分布的圓形大空氣孔和四個呈矩形排列并對稱分布的圓形小空氣孔，包圍內(nèi)包層的外包層包括按網(wǎng)格結點布置的圓形空氣孔，即每三個相鄰的圓形空氣孔在光纖截面上呈正三角形結構排列。本發(fā)明的優(yōu)點是：該光子晶體光纖結構新穎，通過改變光纖結構設置使光子晶體光纖具有二重旋轉對稱性，雙折射很高，且非線性系數(shù)高；該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，由于光纖的雙折射是通過改變空氣孔的幾何尺寸實現(xiàn)的，溫度和壓力的影響很小，穩(wěn)定性好，更適于應用。
【專利說明】一種具有高雙折射特性的光子晶體光纖【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖【技術領域】，特別是一種具有高雙折射特性的光子晶體光纖。
【背景技術】
[0002]在單模光纖中，基模是由兩個相互正交的偏振模式組成的,它們有相同的傳播常數(shù)，彼此簡并，因此可以看成是單一的偏振電矢量。然而，實際的光纖在生產(chǎn)、成纜、鋪設等過程中多少會有一些不完善，內(nèi)部折射率分布也因內(nèi)部應力的不均勻而導致折射率的不均勻。這些因素將造成光纖在不同的方向上折射率不相等，即兩個正交偏振模傳播常數(shù)存在差異，破壞了基模的相互簡并特性，從而導致了模式雙折射。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，使實際光纖產(chǎn)生的隨機雙折射不會對偏振方向產(chǎn)生顯著影響，光纖中的兩基模的耦合系數(shù)減小，導致兩正交傳播常數(shù)與β,的差增大，即:Δ β=βχ- β,越大，則模式雙折射程度越高。
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與傳統(tǒng)光纖相比，呈現(xiàn)出許多奇異的特性，如無截止的單模傳輸、高雙折射、高非線性、色散可調(diào)節(jié)及大模面積等獨特性質，成為當前研究的一個熱點，并被廣泛應用于光傳感、光通信及非線性光學等領域。高雙折射光纖在高速光通信系統(tǒng)、光纖傳感和精密光學儀器等領域都有著重要的應用，而雙折射是影響光纖通信系統(tǒng)性能的重要特性。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，受溫度和壓力的影響比較小，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，為得到性能優(yōu)異的高雙折射光子晶體光纖，主要通過破壞結構的對稱性獲得，如改變纖芯的形狀和纖芯周圍的空氣孔直徑，也可以改變包層空氣孔的形狀。
[0004]最早報道設計并制作出具有高雙折射光子晶體光纖的文獻是2000年光學快報第25卷18期1325-1327頁發(fā)表的“高雙折射光子晶體光纖”，參見=Ortigosa B A, Knight JC，Wadsworth W J et.al.Highly birefringence photonic crystal fiber [J].0pticsLetter, 2000, 25 (18):1325-1327,文中報道了雙折射達3.7X 10_3的石英雙折射光子晶體光纖。
[0005]文獻 M.A.Hossain, Y.Namihira, Μ.A.1 slam, Y.Hirak0.Polarizationmaintaining highly nonlinear photonic crystal fiber forsupercontinuumgeneration at 1.55Ijm [J].0ptics&Laser Technology, 2012，44:1261-1269 中，報道了在纖芯引入小橢圓孔，其雙折射達到 ICT4 量級。在文獻 I) Jian Liang, Maojin Yun, Weijin Kong, Xin Sun, WenfeiZhang, Sixing X1.Highly birefringent photonic crystal fibers with flatteneddispersion and low effective mode area[J].0ptik, 2011 , 122:2151-2154 和文獻
2)王偉，楊博，宋鴻儒，范岳，八邊形高雙折射雙零色散點光子晶體光纖特性分析[J].物理學報，2012，61 (14):144601中，報道的光纖是在包層的局部引入橢圓孔，這兩種結構均采用在局部位置增加非對稱性的方法來實現(xiàn)高雙折射，其雙折射可達到10_3量級。2012年，SoEun Kim, Bok Hyeon Kim, Chung Ghiu Lee, Sejin Lee, Kyunghwan Oh, and Chul-Sik Kee.Elliptical defected core photonic crystal fiber with high birefringence andnegative flattened dispersion [J].0PTICS EXPRESS, 2012，20 (2): 1385-1391 文獻中，通過在包層和纖芯中同時引入橢圓孔，其雙折射可達到10_2量級。上述分析可得，為了得到高雙折射，常在包層或者纖芯中引入橢圓孔，但橢圓孔在實際拉制過程中存在一定的困難，且能量容易向包層泄露導致限制損耗增大，從而不利于光的遠距離傳輸，另外橢圓孔也不易與其他光纖耦合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有光纖拉制技術導致雙折射低下的不足，提供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，該光子晶體光纖結構本身具有二重旋轉對稱性，可以獲得比現(xiàn)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(shù)比較聞O
[0007]本發(fā)明的技術方案:
一種具有高雙折射特性的光子晶體光纖，包括纖芯和包層，纖芯與包層的背景材料相同，包層的折射率低于纖芯的折射率；纖芯位于光纖中心部位并不設空氣孔；包層由內(nèi)包層和外包層組成，其中包圍纖芯的內(nèi)包層由12個空氣孔和周邊的背景材料構成，所述12個空氣孔包括由八個對稱分布的圓形大空氣孔和四個呈矩形排列并對稱分布的圓形小空氣孔，包圍內(nèi)包層的外包層由按網(wǎng)格結點布置的圓形空氣孔和周邊的背景材料構成，所述圓形空氣孔按網(wǎng)格結點布置的結構為每三個相鄰的圓形空氣孔在光纖截面上呈正三角形結構排列；內(nèi)包層中位于中心部位的八個對稱分布的圓形大空氣孔的位置為替換八個原圓形空氣孔的位置而得，而四個對稱分布的圓形小空氣孔的位置為替換兩個原圓形空氣孔的位置而得；圓形空氣孔的直徑為D，相鄰圓形空氣孔的孔中心間距為Λ，圓形大空氣孔的直徑為Da，圓形小空氣孔的直徑為Db，相鄰圓形小空氣孔的孔中心間距為S。
[0008]所述纖芯與包層的背景材料為石英；圓形空氣孔的直徑D為0.588 μ m,相鄰圓形空氣孔的孔中心間距Λ為Ιμπι;圓形大空氣孔的直徑Da為0.941μπι;圓形小空氣孔的直徑Db為0.36 μ m,相鄰圓形小空氣孔的孔中心間距S為0.4 μ m。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果:
該具有高雙折射特性的光子晶體光纖，通過改變包層空氣孔結構設置，在包層中引入八個對稱分布的圓形大空氣孔，在纖芯周圍引入四個呈矩形排列的圓形小空氣孔，因此該結構光纖具有二重旋轉對稱性，表現(xiàn)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兩個數(shù)量級，可達到10_2量級；該光子晶體光纖的非線性系數(shù)高；該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(xiàn)的，溫度和壓力的影響很小，穩(wěn)定性好，因而更適合實際的應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為該光子晶體光纖的橫截面不意圖。[0011]圖中:1.纖芯2.包層3.圓形空氣孔4.圓形大空氣孔5.圓形小空氣孔
圖2為該光子晶體光纖的的模場分布圖，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。
[0012]圖3為該光子晶體光纖經(jīng)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。
[0013]圖4為該光子晶體光纖經(jīng)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。
[0014]圖5為該光子晶體光纖經(jīng)計算得到的兩個正交方向上的非線性系數(shù)Y隨波長的變化關系圖。
【具體實施方式】
[0015]實施例:
一種具有高雙折射特性的光子晶體光纖，如圖1所示，包括纖芯I和包層2，纖芯I與包層2的背景材料相同，包層2的折射率低于纖芯I的折射率；纖芯I位于光纖中心部位并不設空氣孔；包層2由內(nèi)包層和外包層組成，其中包圍纖芯I的內(nèi)包層由12個空氣孔和周邊的背景材料構成，所述12個空氣孔包括由八個對稱分布的圓形大空氣孔4和四個呈矩形排列并對稱分布的圓形小空氣孔5，包圍內(nèi)包層的外包層由按網(wǎng)格結點布置的圓形空氣孔3和周邊的背景材料構成，所述圓形空氣孔3按網(wǎng)格結點布置的結構為每三個相鄰的圓形空氣孔在光纖截面上呈正三角形結構排列；內(nèi)包層中位于中心部位的八個對稱分布的圓形大空氣孔4的位置為替換八個原圓形空氣孔3的位置而得，而四個對稱分布的圓形小空氣孔5的位置為替換兩個原圓形空氣孔3的位置而得；圓形空氣孔3的直徑為D，相鄰圓形空氣孔3的孔中心間距為Λ，圓形大空氣孔4的直徑為Da，圓形小空氣孔5的直徑為Db，相鄰圓形小空氣孔5的孔中心間距為S。
[0016]該實施例中，纖芯I與包層2的背景材料為石英；圓形空氣孔3的直徑D為0.588μm，相鄰圓形空氣孔3的孔中心間距Λ為Ιμm;圓形大空氣孔4的直徑Da為0.941 μ m ;圓形小空氣孔5的直徑Db為0.36 μ m,相鄰圓形小空氣孔5的孔中心間距S為0.4 μ m0
[0017]該制得的光子晶體光纖的基模模場分布、兩個偏振模的模式有效折射率、模式有效折射率差B、非線性系數(shù)Y分別如圖2至5所示。
[0018]圖2為該光子晶體光纖的模場分布圖，其中:a是X偏振基模模場的振幅分布圖樣，1-是7偏振基模模場的振幅分布圖樣。圖中表明: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一X偏振基模和I偏振基模，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(xiàn)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I方向分量振幅，呈現(xiàn)出很強的y偏振特性。
[0019]圖3為該光子晶體光纖經(jīng)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3結果表明:X偏振模有效折射率大于y偏振模有效折射率，且有效折射率隨波長的增大而減小，X偏振模有效折射率減小的趨勢比I偏振模的慢。
[0020]圖4為該光子晶體光纖經(jīng)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，圖中表明:雙折射效應隨波長的增大而線性增大，在波長λ =1550nm時，雙折射B=2.45X 10_2，比普通光纖的雙折射高出兩個數(shù)量級。[0021]圖5為該光子晶體光纖經(jīng)計算得到的兩個正交方向上的非線性系數(shù)Y隨波長的變化關系圖，圖中表明:該雙折射光子晶體光纖具有高的非線性系數(shù)，在波長λ=1550ηπι處，X偏振模和I偏振模的非線性系數(shù)Y分別為52^1^1和36 WlnT1。
【權利要求】
1.一種具有高雙折射特性的光子晶體光纖，其特征在于:包括纖芯和包層，纖芯與包層的背景材料相同，包層的折射率低于纖芯的折射率；纖芯位于光纖中心部位并不設空氣孔；包層由內(nèi)包層和外包層組成，其中包圍纖芯的內(nèi)包層由12個空氣孔和周邊的背景材料構成，所述12個空氣孔包括由八個對稱分布的圓形大空氣孔和四個呈矩形排列并對稱分布的圓形小空氣孔，包圍內(nèi)包層的外包層由按網(wǎng)格結點布置的圓形空氣孔和周邊的背景材料構成，所述圓形空氣孔按網(wǎng)格結點布置的結構為每三個相鄰的圓形空氣孔在光纖截面上呈正三角形結構排列；內(nèi)包層中位于中心部位的八個對稱分布的圓形大空氣孔的位置為替換八個原圓形空氣孔的位置而得，而四個對稱分布的圓形小空氣孔的位置為替換兩個原圓形空氣孔的位置而得；外包層的圓形空氣孔的直徑為D，相鄰圓形空氣孔的孔中心間距為Λ，內(nèi)包層的圓形大空氣孔的直徑為Da，圓形小空氣孔的直徑為Db，相鄰圓形小空氣孔的孔中心間距為S。
2.根據(jù)權利要求1所述具有高雙折射特性的光子晶體光纖，其特征在于:所述纖芯與包層的背景材料為石英；圓形空氣孔的直徑D為0.588 μ m，相鄰圓形空氣孔的孔中心間距ASlym ;圓形大空氣孔的直徑Da為0.941 μ m ;圓形小空氣孔的直徑Db為0.36 μ m，相鄰圓形小空氣孔的孔中心間距S為0.4 μ m。
【文檔編號】G02B6/032GK103454720SQ201310447592
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權日:2013年9月27日
【發(fā)明者】曹曄, 王江昀, 童崢嶸 申請人:天津理工大學