專利名稱：一種高雙折射低限制損耗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，特別是一種光子晶體光纖。
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，因此可以看成是單一的偏振電矢量。然而，實際的光纖多少會有一些不完善，內(nèi)部折射率分布也因內(nèi)部應(yīng)力的不均勻而導(dǎo)致折射率的不均勻。這就引起兩個基模傳播常數(shù)的變化，從而導(dǎo)致單模光纖中基模偏振態(tài)的擾動，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，進而引起兩正交傳播常數(shù)1與、差的增大，即Λ i3=Uy越大，則模式雙折射程度越高。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)及大模面積等獨特性質(zhì)，成為當前研究的一個熱點，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)用方面及對線偏振光的偏振保持能力方面有廣泛的應(yīng)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增大，核爆耐受力及溫度穩(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)計不同的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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。最早報道設(shè)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(xué)快報第25卷18期1325-1327頁發(fā)表的“高雙折射光子晶體光纖”(Ortigosa B A, Knight JC, Wadsworth W J et.al. Highly birefringence photonic crystal fiber[J]. OpticsLetter, 2000, 25 (18) : 1325-1327)，文中報道了雙折射達3. 7 X10_3的石英雙折射光子晶體光纖。其后又有幾種采用不同結(jié)構(gòu)設(shè)計高雙折射光子晶體光纖的報道。(TianxunGong;Feng Luan;Huj D. J. ;Ping Shumj Photonic crystal fibers with high andflattened dispersion[J]. Optics Communications, 2011，284(18):4176-4179)以及(Mishra S Sj Vinod K. Singh, Highly birefringent photonic crystal fiber withlow confinement loss at wavelength I. 55 μ m[J]· Optic，2011，122，1975-1977)等文獻報道了不同結(jié)構(gòu)的高雙折射光子晶體光纖。以上幾種高雙折射光子晶體光纖結(jié)構(gòu)均釆用在局部位置增加非對稱性的方法來實現(xiàn)的。這類方法獲得的雙折射一般在10—3量級。要獲得更大的雙折射，應(yīng)該通過設(shè)計包層本身具有內(nèi)在各向異性特點的光子晶體光纖的方法來實現(xiàn)。目前國際上已有文獻(Sharma Rj Janyani V，Bhatnagar S K, Lowchromatic dispersion and high birefringence investigated in elliptical holephotonic crystal fiber [J]. Journal of modern optics, 2012，59 (3) : 205-212)以及(KimSE,Kim BH, Lee CG, Lee S,Oh K, Kee CS,Elliptical defected core photonic crystalfiber with high birefringence and negative flattened dispersion[J]. OpticsExpress, 2012, 20 (2) : 1385-1391)報道這種結(jié)構(gòu)類型的光子晶體光纖，這種光纖中空氣孔采用橢圓型，而空氣孔位于正三角形或正方形的網(wǎng)格結(jié)點上。由于這種結(jié)構(gòu)本身具有二階對稱性，以此為基礎(chǔ)制作的光子晶體光纖就能夠具有極高的雙折射(可達10_2以上)，并具有可調(diào)的色散特性。然而橢圓空心棒難以制作，并且要獲得高雙折射率差，則需要更高的占空比和更大的橢圓離心率，這更加增大了制作工藝上的困難。因此，目前已制作的橢圓型空氣孔光子晶體光纖的雙折射在10_4量級，遠未達到10_2。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有光子晶體光纖的雙折射低下的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單且容易制作的高雙折射低限制損耗光子晶體光纖，該光纖的結(jié)構(gòu)本身具有二重旋轉(zhuǎn)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，并且限制損耗很低，色散平坦。
本發(fā)明所述的高雙折射低限制損耗光子晶體光纖，包括纖芯和包層；所述光纖的包層與普通光子晶體光纖一致，是由包圍纖芯(I)均勻分布且直徑均為D的圓形空氣孔(4)構(gòu)成的外圍區(qū)域，包層折射率低于纖芯(I)部分，所述空氣孔(4)在背景材料中呈周期性排列，每相鄰的三個空氣孔(4)單元在光纖截面上構(gòu)成一個正三角形。所述光纖的纖芯(I)是由位于光纖中心部位的背景材料(2)和兩個直徑為d的圓形小空氣孔(3)共同構(gòu)成的高折射率芯區(qū)，其中D > d，所述兩個小空氣孔(3)在背景材料(2)中相外切。所述纖芯(I)的材料與包層的背景材料(2)相同，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(jié)構(gòu)簡單且容易制作的具有高雙折射低限制損耗特性的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過改變纖芯結(jié)構(gòu)設(shè)置，在纖芯處引入兩個小的圓空氣孔，因此該結(jié)構(gòu)光纖具有二重旋轉(zhuǎn)對稱性，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(10_4量級)至少高一個數(shù)量級，達到10_3量級，同時，該結(jié)構(gòu)光纖的限制損耗很低(低于10_3dB/km數(shù)量級)，在波長1450nm到1590nm之間具有良好的色散平坦特性，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，溫度的影響很小，穩(wěn)定性好，因而更適合實際的應(yīng)用。下面結(jié)合附圖和實施利對本發(fā)明進一步說明。


圖I為本發(fā)明光子晶體光纖一個實施例的橫截面不意圖；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的圓形空氣孔、Λ -相鄰空氣孔的間距。圖2是圖I實施例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，b是y偏振基模模場的振幅分布圖樣；圖3是圖I實施例光子晶體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(guān)系圖4是圖I實施例光子晶體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(guān)系圖；圖5是圖I實施例光子晶體光纖計算得到的兩個正交方向上的限制損耗隨波長的變化關(guān)系圖；圖6是圖I實施例光子晶體光纖計算得到的兩個正交方向上的色散系數(shù)隨波長的變化關(guān)系圖；下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的具體說明。
具體實施例方式實施例I
一種高雙折射低限制損耗光子晶體光纖，橫截面結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括纖芯和包層。所述光纖的包層與普通光子晶體光纖一致，為包圍纖芯(I)均勻分布、結(jié)構(gòu)相同且直徑均為D的圓形空氣孔(4)構(gòu)成的外圍區(qū)域，包層的折射率低于纖芯(I)部分，所述空氣孔(4)在背景材料中呈周期性排列，每相鄰的三個空氣孔(4)單元在光纖截面上構(gòu)成一個正三角形。所述光纖的纖芯(I)是由位于光纖中心部位的背景材料(2)和兩個直徑為d的圓形小空氣孔(3)共同構(gòu)成的高折射率芯區(qū)，所述兩個小空氣孔(3)在背景材料(2)中相外切。所述纖芯(I)的材料與包層的背景材料(2)相同。選擇背景材料(2)為純石英,包層空氣孔(4)的直徑D=L 54 μ m,纖芯處兩個小圓空氣孔(3)的直徑d=0. 426 μ m，空氣孔的間距Λ=2. Ι μπι。得到該參數(shù)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、限制損耗，色散系數(shù)分別如圖2至6所示。圖2結(jié)果表明，由于此結(jié)構(gòu)具有二重旋轉(zhuǎn)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I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I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λ=1550ηηι時，雙折射Β=3Χ 10_3，比普通光纖的雙折射高出一個數(shù)量級。圖5結(jié)果表明，該雙折射光子晶體光纖具有很低的限制損耗，在波長λ=1550ηπι處，//Ef1模和//私模的限制損耗分別為O. 0007dB/km和O. 001dB/km。圖6結(jié)果表明，該雙折射光子晶體光纖具有良好的色散平坦特性，在波長1450nm到1590nm之間色散趨于平坦。實施例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,包層空氣孔(4)的直徑D=1.54ym，纖芯處兩個小圓空氣孔(3)的直徑d=0.426ym，空氣孔的間距Λ =2. 11 μ m0
權(quán)利要求
1.一種高雙折射低限制損耗光子晶體光纖，所述光纖包括纖芯和包層，其特征在于所述光纖的包層是由包圍纖芯(I)均勻分布且直徑均為D的圓形空氣孔(4)構(gòu)成的外圍區(qū)域，包層折射率低于纖芯(I)部分，所述空氣孔(4)在背景材料中呈周期性排列，每相鄰的三個空氣孔(4)單元在光纖截面上構(gòu)成一個正三角形；所述光纖的纖芯(I)是由位于光纖中心部位的背景材料(2)和兩個直徑為d的圓形小空氣孔(3)共同構(gòu)成的高折射率芯區(qū)，其中D > d，所述兩個小空氣孔(3)在背景材料(2)中相外切；所述纖芯(I)的材料與包層的背景材料(2)相同。
2.根據(jù)利用權(quán)利要求I所述的一種高雙折射低限制損耗光子晶體光纖，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
一種高雙折射低限制損耗光子晶體光纖，包括纖芯和包層。包層為包圍纖芯均勻分布的結(jié)構(gòu)相同的圓形空氣孔構(gòu)成的外圍區(qū)域，所述的空氣孔在光纖背景材料中呈周期性排列，每相鄰的三個空氣孔構(gòu)成一個正三角形。所述的纖芯由位于中心部位的背景材料和兩個小圓空氣孔構(gòu)成，兩個小圓空氣孔相外切且直徑相等。本發(fā)明通過改變纖芯結(jié)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)調(diào)整兩個小空氣孔的直徑可以引入高的模式雙折射，同時使所述光纖具有很低的限制損耗，在一定波長范圍內(nèi)色散平坦。本發(fā)明的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)簡單，具有高雙折射、低限制損耗、色散平坦的優(yōu)點，這種結(jié)構(gòu)的PCF可用于制作具有適當色散特性或偏振特性的保偏光纖及相關(guān)光纖器件。
文檔編號G02B6/024GK102866456SQ20121038078
公開日2013年1月9日 申請日期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 申請人:天津理工大學(xué)