本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光子晶體光纖。

背景技術(shù)：

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，光子晶體光纖呈現(xiàn)出許多傳統(tǒng)光纖難以實(shí)現(xiàn)的特性。相比傳統(tǒng)保偏光纖，保偏光子晶體光纖由于其更靈活的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、更強(qiáng)的偏振穩(wěn)定性、更高的雙折射值、更寬的單偏振單模傳輸帶寬、更好的溫度穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的抗輻射能力等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于未來全光網(wǎng)絡(luò)、光纖傳感器、光纖陀螺、可調(diào)諧光纖激光器、偏振分束器和偏振態(tài)控制器件等領(lǐng)域。

2000年，英國Bath大學(xué)的A.Ortigosa-Blanch等人首次拉制出折射率引導(dǎo)型的雙折射光子晶體光纖，測(cè)量獲得了10^-3量級(jí)的高雙折射，而傳統(tǒng)的保偏光纖的雙折射系數(shù)通常為10^-4量級(jí)，比傳統(tǒng)的保偏光纖雙折射高一個(gè)數(shù)據(jù)級(jí)，因此雙折射光子晶體光纖在偏振保持領(lǐng)域具有更高的優(yōu)勢(shì)。2001年，Suzuki等人設(shè)計(jì)了在纖芯附近增大兩空氣的準(zhǔn)熊貓型光子晶體光纖，實(shí)現(xiàn)了波長1.55μm處1.2×10^-3的模式雙折射。2009年Dora J.J.Hu等人在光子晶體光纖纖芯區(qū)域引入小橢圓空氣孔，且保證了全內(nèi)反射導(dǎo)光，獲得了波長1.55μm處2.7×10^-3的高雙折射。2012年，J.Liao等人設(shè)計(jì)了方形陣列橢圓孔高雙折射光子晶體光纖，通過改變包層橢圓孔大小獲得了波長1.55μm處5.64×10^-2的高雙折射。2015年，T.Yang等人設(shè)計(jì)了纖芯和包層同時(shí)引入非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的高雙折射光子晶體光纖， 通過在準(zhǔn)熊貓型光子晶體光纖的纖芯區(qū)域引入三個(gè)非對(duì)稱的小空氣孔，實(shí)現(xiàn)了波長1μm到2μm范圍內(nèi)10^-2量級(jí)高雙折射。但是，這些光纖的纖芯直徑較小，在與傳統(tǒng)大芯徑光纖的連接后，形成的耦合損耗很大，難以廣泛應(yīng)用。并且文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的高雙折射光子晶體光纖大部分是橢圓形、菱形狀空氣孔或是矩形排列，這些結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖在制作工藝上很難實(shí)現(xiàn)。

2016年，李緒友等人提出了保偏空芯帶隙光子晶體光纖，雙折射高達(dá)6.19×10^-3，拍長不超過0.25mm，并對(duì)其溫度特性進(jìn)行了研究。李彥等人對(duì)空芯帶隙型光子晶體光纖殘余雙折射進(jìn)行了研究，芯殘余形變是導(dǎo)致殘余雙折射的重要因素，殘余雙折射隨纖芯橢圓率的增大而增大，同時(shí)殘余雙折射的波長依賴性顯著，溫度依賴系數(shù)為0.3×10^-9/℃。但是這種光纖為光子帶隙導(dǎo)光，傳輸波長受光子帶隙效應(yīng)的限制，傳輸帶寬很窄；并且纖芯空氣孔較大，導(dǎo)致傳輸能量較低。

2012年，趙興濤等人提出了微小空氣孔傳光的光子晶體光纖，利用有限元方法對(duì)纖芯中心帶有1個(gè)微小空氣孔的光子晶體光纖進(jìn)行了分析，得到了其模場分布、損耗及色散特性隨光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)及波長的變化規(guī)律。2016年，提出了納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖，纖芯多個(gè)納米量級(jí)的空氣孔可以同時(shí)傳相干光，并且相互耦合。但是纖芯空氣孔大小均勻，沒有給出雙折射效應(yīng)；并且纖芯面積較小，沒有考慮與普通光纖的連接損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種纖芯空氣孔不僅可以傳光，還可以調(diào)節(jié)纖芯等 效折射率、能有效降低連接損耗的高雙折射大芯徑多孔芯光子晶體光纖。

本發(fā)明包括基質(zhì)材料、纖芯空氣孔和包層空氣孔，其中基質(zhì)材料為柱狀，其材質(zhì)為石英材料、玻璃或聚合物材料；

在基質(zhì)材料的中心設(shè)有若干空氣孔A和空氣孔B，形成纖芯部分，纖芯部分的直徑為4000-6000nm，空氣孔A的孔徑為100-600nm，空氣孔B的孔徑為200-800nm，纖芯空氣孔A和空氣孔B為3-9層緊密排列的六角形結(jié)構(gòu)，沿X或Y方向的中間1-3列為空氣孔A，在空氣孔A的兩側(cè)分別設(shè)有1-3列空氣孔B，空氣孔A和空氣孔B的孔距為200-1000nm，通過空氣孔A和空氣孔B孔徑大小的不同分布，實(shí)現(xiàn)高雙折射；

在基質(zhì)材料其它部分圍繞纖芯部分設(shè)有若干空氣孔C形成包層部分，空氣孔C按照正六角形多層緊密排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，空氣孔C的層數(shù)為4～10層，孔徑為4000～6000nm，孔距相等，與纖芯直徑相同；

纖芯部分的空氣填充率是1-90％，包層部分的空氣填充率是10-98％。纖芯部分的空氣填充率小于包層部分的空氣填充率，纖芯部分的等效折射率大于包層等效折射率。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、可以高雙折射單模傳輸，模式有效折射率差B可以達(dá)到4.827×10^-3。

2、可以單偏振單模傳輸，只有一個(gè)方向的偏振模傳輸，另一個(gè)方向偏振模截止。

3、纖芯直徑為5μm左右，與傳統(tǒng)光纖接近，可以降低與傳統(tǒng)光纖的連接 損耗。

4、纖芯低折射率空氣孔傳光，損耗小，光強(qiáng)密度大，寬帶傳輸，不受光子帶隙限制。

5、在工作性能、工作穩(wěn)定性、制作工藝以及性價(jià)比等方面比傳統(tǒng)保偏光纖具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在未來相干光纖通信、新型的超寬激光偏振光源、光纖陀螺、相干檢測(cè)器、光纖傳感、光纖偏振分束器、光纖濾波器、波分復(fù)用器等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的端面結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明纖芯部分的放大結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明的纖芯部分的y偏振方向模場分布圖。

圖4是本發(fā)明的單偏振單模光子晶體光纖的纖芯部分的y偏振方向模場分布圖。

圖中：1-基質(zhì)材料；2-空氣孔C；3-空氣孔B；4-空氣孔A；Λ-空氣孔C的孔距；D-空氣孔C的孔徑；Λ_c-空氣孔B及空氣孔A的孔距；d₁-空氣孔B的孔徑；d₂-空氣孔A的孔徑。

具體實(shí)施方式

在圖1和2所示的高雙折射大芯徑多孔芯光子晶體光纖示意圖中，以柱狀的石英基質(zhì)作為基質(zhì)材料1，在基質(zhì)材料的中心設(shè)有Y方向的中間3列25個(gè)空氣孔A 4，在空氣孔A的兩側(cè)分別設(shè)有3列18個(gè)空氣孔B 3，形成纖芯部分， 纖芯部分的直徑為5000nm，空氣孔A的孔徑d₂＝460nm，空氣孔B的孔徑d₁＝560nm，纖芯空氣孔A和空氣孔B為緊密排列的六角形結(jié)構(gòu)，空氣孔A及空氣孔B的孔距Λ_c＝646nm，通過空氣孔A和空氣孔B孔徑大小的不同分布，實(shí)現(xiàn)高雙折射；

在基質(zhì)材料其它部分圍繞纖芯部分設(shè)有6層37個(gè)空氣孔C 2形成包層部分，空氣孔C按照正六角形多層緊密排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，孔徑D＝4950nm，孔距相等，均是孔距Λ＝5000nm，與纖芯直徑相同；

纖芯部分的空氣填充率是59.07％，包層部分的空氣填充率是88.89％，纖芯部分的空氣填充率小于包層部分的空氣填充率，纖芯部分的等效折射率大于包層等效折射率，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(jì)纖芯與包層的空氣孔大小及間距，可以保證光纖單模傳輸。采用有限元方法進(jìn)行理論計(jì)算，可以得到本發(fā)明的多孔芯光纖模場、偏振、損耗等傳輸特性。

在通信波段1550nm波長，高雙折射大芯徑多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(qiáng)度的等位層分布。從圖中可以看出，不僅纖芯石英材料傳光，纖芯納米級(jí)空氣孔同樣傳光，纖芯空氣孔A區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)分布較大，纖芯空氣孔B區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)分布較小。這是由于空氣孔A的直徑較小，相應(yīng)區(qū)域的等效折射率大，光強(qiáng)向高折射率區(qū)域集中。光強(qiáng)分布成橢圓形，形成較強(qiáng)的雙折射效應(yīng)。通過計(jì)算得到，此光纖的模式有效折射率差B＝4.827×10^-3。限制損耗小于0.01dB/km。

如圖4所示，圖中Λ_c＝648nm，d₁＝540nm，d₂＝470nm?？諝饪證層數(shù)為6 層，空氣孔C的孔徑D＝4950nm，孔距Λ＝5000nm。圖中包括圓形空氣孔與石英的邊界線、模場強(qiáng)度的等位層分布。從圖中可以看出，不僅纖芯石英材料傳光，纖芯納米級(jí)空氣孔同樣傳光，空氣孔A區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)分布較大，空氣孔B區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)分布較小。這是由于A區(qū)域的空氣孔直徑較小，相應(yīng)的等效折射率大，光強(qiáng)向高折射率區(qū)域集中。通過計(jì)算得到，橫向x方向偏振基膜的等效折射率較小，小于包層等效折射率，導(dǎo)致x方向的偏振模式截止?？v向y方向偏振基模的等效折射率較大，大于包層等效折射率，y方向的偏振模場限制在纖芯中，獲得單偏振單模傳輸，并且限制損耗小于0.01dB/km。