專利名稱：一種高雙折射光子晶體光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，特別是ー種光子晶體光纖。
背景技術(shù)：
在理想情況下，單模光纖傳輸兩個(gè)相互正交的模式，它們有相同的傳播常數(shù)，彼此簡并，因此可以看成是單ー的偏振電矢量。然而，實(shí)際的光纖多少會(huì)有一些不完善，內(nèi)部折射率分布也因內(nèi)部應(yīng)カ的不均勻而導(dǎo)致折射率的不均勻。這就引起兩個(gè)基模傳播常數(shù)的變化，從而導(dǎo)致單模光纖中基模偏振態(tài)的擾動(dòng)，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(shù)減小，進(jìn)而引起兩正交傳播常數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使其呈現(xiàn)出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實(shí)現(xiàn)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(dú)特性質(zhì)，成為當(dāng)前研究的ー個(gè)熱點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于光傳感、光通信及非線性光學(xué)等領(lǐng)域。高雙折射光纖在傳感應(yīng)用方面及對(duì)線偏振光的偏振保持能力方面有廣泛的應(yīng)用價(jià)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(huì)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(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)雙折射低下的不足，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)簡單且容易制作的具有高雙折射特性的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)本身具有二重旋轉(zhuǎn)對(duì)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(shè)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(wǎng)格結(jié)點(diǎn)布置有一組空氣孔結(jié)構(gòu)，其中，中間三排的圓形小空氣孔(3)呈正方形結(jié)構(gòu)排列，其余兩側(cè)的圓形小空氣孔(3)每三個(gè)相鄰小空氣孔在光纖截面上呈正三角形結(jié)構(gòu)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(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的兩個(gè)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(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的空氣孔結(jié)構(gòu)形成的等效低折射率區(qū)域，由內(nèi)包層和外包層組成，位于纖芯(I)的周圍；所述內(nèi)包層由四對(duì)圓形大空氣孔(4)和一對(duì)橢圓空氣孔(5)及周邊的背景材料(2)構(gòu)成(如圖I所示)，橢圓空氣孔(5)由對(duì)稱位于纖芯(I)兩側(cè)的兩個(gè)圓形小空氣孔(3)替換而成，四對(duì)圓形大空氣孔(4)由位于纖芯(I)及橢圓空氣孔(5)兩側(cè)的四對(duì)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(gòu)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(diǎn)和有益效果
本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)簡單且容易制作的具有高雙折射特性的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過改變包層空氣孔結(jié)構(gòu)設(shè)置，在包層中引入四對(duì)圓形大空氣孔、一對(duì)橢圓空氣孔與纖芯相連，因此該結(jié)構(gòu)光纖具有二重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，正交偏振模式不再簡并，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ー個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10_2量級(jí)，同時(shí)，該結(jié)構(gòu)光纖的非線性系數(shù)很高。因此，這種結(jié)構(gòu)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(guān)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(shí)現(xiàn)的，溫度的影響很小，穩(wěn)定性好，因而更適合實(shí)際的應(yīng)用。下面結(jié)合附圖和實(shí)施利對(duì)本發(fā)明進(jìn)ー步說明。


圖I為本發(fā)明一個(gè)實(shí)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(shí)施例I光纖的模場(chǎng)分布圖，其中a是X偏振基模模場(chǎng)的振幅分布圖樣，b是y偏振基模模場(chǎng)的振幅分布圖樣；圖3是圖I實(shí)施例I光纖計(jì)算得到的兩個(gè)正交方向上的模式有效折射率隨波長的變化關(guān)系圖；圖4是圖I實(shí)施例I光纖計(jì)算得到的兩個(gè)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(guān)系圖；圖5是圖I實(shí)施例I光纖計(jì)算得到的兩個(gè)正交方向上的非線性系數(shù)Y隨波長的變化關(guān)系圖。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的具體說明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I一種高雙折射光子晶體光纖，橫截面結(jié)構(gòu)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(wǎng)格結(jié)點(diǎn)布置有一組空氣孔結(jié)構(gòu)，其中，中間三排的圓形小空氣孔(3)呈正方形結(jié)構(gòu)排列，其余兩側(cè)的圓形小空氣孔(3)每三個(gè)相鄰小空氣孔在光纖截面上呈正三角形結(jié)構(gòu)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(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的兩個(gè)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(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的空氣孔結(jié)構(gòu)形成的等效低折射率區(qū)域，由內(nèi)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(gòu)成；所述內(nèi)包層由四對(duì)圓形大空氣孔(4)和一對(duì)橢圓空氣孔(5)及周邊的背景材料(2)構(gòu)成(如圖中虛線框內(nèi))；所述四對(duì)圓形大空氣孔(4)對(duì)稱位于纖芯(I)兩側(cè)；所述圓形大空氣孔(4)的直徑為D ;所述ー對(duì)橢圓空氣孔(5)對(duì)稱位于纖芯(I)兩側(cè)；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(nèi) 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(shù)下光子晶體光纖的基模模場(chǎng)分布、模式有效折射率、模式有效折射率差B、非線性系數(shù)分別如圖2至5所示。圖2結(jié)果表明，由于此結(jié)構(gòu)具有二重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因此光纖基模的兩個(gè)正交偏振態(tài)不再簡并，分離成兩個(gè)不簡并的模式——X偏振基模和I偏振基摸，且每個(gè)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(yuǎn)大于y方向分量振幅,呈現(xiàn)出很強(qiáng)的X偏振特性；而I偏振基模X方向分量振幅遠(yuǎn)小于y方向分量振幅，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的y偏振特性。圖3結(jié)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(jié)果表明，雙折射效應(yīng)隨波長的增大而線性增大，在波長入=1550nm時(shí)，雙折射B=L 53X 10_2，比普通光纖的雙折射高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。圖5結(jié)果表明，該雙折射光子晶體光纖具有高的非線性系數(shù)，在波長X=1550nm處，"な模和丑對(duì)模的非線性系數(shù)Y分別為42 ^!!!-1和28 ^!!!'實(shí)施例2—種高雙折射光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(quán)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(shè)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(wǎng)格結(jié)點(diǎn)布置有一組空氣孔結(jié)構(gòu)，其中，中間三排的圓形小空氣孔(3)呈正方形結(jié)構(gòu)排列，其余兩側(cè)的圓形小空氣孔(3)每三個(gè)相鄰小空氣孔在光纖截面上呈正三角形結(jié)構(gòu)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(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的兩個(gè)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(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的空氣孔結(jié)構(gòu)形成的等效低折射率區(qū)域，由內(nèi)包層和外包層組成，位于纖芯(I)的周圍；所述內(nèi)包層由四對(duì)圓形大空氣孔(4)和ー對(duì)橢圓空氣孔(5)及周邊的背景材料(2)構(gòu)成，橢圓空氣孔(5)由對(duì)稱位于纖芯(I)兩側(cè)的兩個(gè)圓形小空氣孔(3)替換而成，四對(duì)圓形大空氣孔(4)由位于纖芯(I)及橢圓空氣孔(5)兩側(cè)的四對(duì)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(gòu)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(jù)權(quán)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(gè)小空氣孔形成類橢圓的纖芯，同時(shí)通過改變包層空氣孔結(jié)構(gòu)設(shè)置，在包層中引入四對(duì)大空氣孔、一對(duì)橢圓空氣孔與纖芯相連，因此該結(jié)構(gòu)光纖具有二重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，正交偏振模式不再簡并，表現(xiàn)出很高的雙折射。通過改變纖芯結(jié)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)調(diào)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(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)使所述光纖具有高的非線性系數(shù)。該發(fā)明的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)簡單，具有高雙折射、高非線性的優(yōu)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)的PCF可用于制作具有適當(dāng)非線性或偏振特性的保偏光纖及相關(guān)光纖器件。
文檔編號(hào)G02B6/024GK102854562SQ201210380219
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者曹曄, 李榮敏, 童崢嶸 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)