一种传输可见光的空心布拉格光纤结构的制作方法
【专利摘要】本发明是一种传输可见光的空心布拉格光纤的结构设计，此结构采用高、低折射率材料在光纤径向交替周期性排列，最内层是空气芯层(1)，最外层是一层折射率为1.4的聚偏氟乙烯PVDF材料的PML匹配层(4)，所述高、低折射率材料分别选用折射率为2.2的聚碳酸酯PC聚合物材料作为第一包层(2)以及折射率为1.4的聚偏氟乙烯PVDF聚合物材料作为第二包层(3)，不同结构的空心Bragg光纤结构分别用于传输红、绿、蓝三色波段光，并在输出端进行汇聚实现可见光传输。通过合理设计空心Bragg光纤的结构，实现低损耗、长距离传输红、蓝、绿三色波段光，并在输出端汇聚达到传输可见光的目的。
【专利说明】一种传输可见光的空心布拉格光纤结构
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤设计领域，是一种带隙型空心光子晶体光纤的结构设计。具体为一种可低损耗、长距离传输可见光的空心布拉格光纤。
【背景技术】
[0002]空心布拉格(Bragg)光纤是一种拥有一维光子晶体包层的空心光纤。相比于普通光纤利用全反射原理进行光传输，Bragg光纤的导光机制与其完全不同,它是通过包层光子晶体的Bragg带隙波导的Bragg衍射将光限制在纤芯中传播的。在满足Bragg条件时出现光子带隙(PBG)，从而使特定波长的光无法在包层中传播而只能被束缚在芯层中传播，故而实现PBG导光。相比普通光纤，空心Bragg光纤具有传输窗口可控，低损耗、低色散，低弯曲损耗，低非线性性等一些优点。
[0003]空心Bragg光纤的结构如图1所示，纤芯为空气芯I，包层由两种高、低折射率材料呈周期性交替排列，分别为折射率为2.2的PC第一包层2和折射率为1.4的PVDF第二包层3，每层厚度按一定比例周期排列，最外层是PML匹配层4。
[0004]空心Bragg光纤结构是由P.Yeh等人于1978年首次提出，近年来随着光子晶体光纤的发展越来越引起人们的重视。目前，对空心Bragg光纤的研究主要集中于红外波段。2002年，Y.Fink等人利用硫化物玻璃和聚合物材料，首次制备出了在中红外波段导光的空心Bragg光纤。在可见光区域也有一些研究,2007年，Alexandre Dupuis等人实现了可见光传输的实心聚合物Bragg光纤的制作，但是总体上获得的禁带宽度相对较小。
[0005]目前，传输可见光的光纤存在的主要问题就是损耗大，难以实现长距离，只能在短距离内进行传输。空心Bragg光纤虽然拥有比传统光纤更低的损耗，但是由于一维光子晶体的禁带在可见光波段相对较小，因此很难通过一种结构的波导实现宽波段可见光的传输。
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明提供一种传输可见光的空心Bragg光纤结构,通过合理设计空心Bragg光纤的结构，实现低损耗、长距离传输红、蓝、绿三色波段光，并在输出端汇聚达到传输可见光的目的。
[0007]技术方案:本发明设计一种聚合物/聚合物空心Bragg光纤，由于此光纤是一种光子带隙型光纤，故需要使传输的波段在包层的光子带隙的范围内。影响带隙宽度的因素主要有内外包层材料的折射率差及二者的厚度比，而带隙宽度随折射率差的增大而增大。取固定的折射率差，相对带宽随低折射率材料的折射率的提高而增宽，这样在折射率差不大的情况下通过提高介质的折射率也能够提高相对带宽。因此，获得大带宽的一个直接途径就是选取折射率差大的两种介质和选取折射率大的材料。
[0008]本发明的一种传输可见光的空心Bragg光纤结构米用高、低折射率材料在光纤径向交替周期性排列，最内层是空气芯层，最外层是一层折射率为1.4的聚偏氟乙烯PVDF材料的PML匹配层，所述高、低折射率材料选用折射率为2.2的聚碳酸酯PC聚合物材料作为第一包层以及折射率为1.4的聚偏氟乙烯PVDF聚合物材料作为第二包层，不同结构的空心Bragg光纤结构分别用于传输红、绿、蓝三色波段光，并在输出端进行汇聚实现整个可见光波段的传输。
[0009]传输红光的光纤结构为:空心Bragg光纤的高、低折射率材料厚度比为1:2，晶格周期大小为1.2 μ m，晶格周期层数为4到6层，PML匹配层厚度为5 μ m ;传输绿光的的光纤结构为:空心Bragg光纤的高低折射率材料厚度比为1:2，晶格周期大小为I μ m,晶格周期层数为4到6层，PML匹配层厚度为5 μ m ;传输蓝光的的光纤结构为:该空心Bragg光纤的高低折射率材料厚度比为1:2，晶格周期大小为0.8 μ m，晶格周期层数为4到6层，PML匹配层厚度为5 μ m。
[0010]有益效果:通过计算机模拟计算，本发明中的空心Bragg光纤传输可见光波段中几个特定波段的光的泄漏损耗较小，可以实现整个可见光波段的低损耗、长距离的传输。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明空心Bragg光纤结构。其中有:空气芯层1，第一包层2，第二包层3，PML匹配层4。
[0012]图2是输出端三色光的汇聚图。其中:传输红光的空心Bragg光纤a,传输绿光的空心Bragg光纤b,传输蓝光的空心Bragg光纤c,汇聚用的透镜d。
【具体实施方式】
[0013]本发明选用两种聚合物材料，一种是折射率为2.2的聚碳酸酯PC和折射率为1.4的聚偏氟乙烯PVDF，如图1所示，纤芯为空气，包层由两种折射率的材料周期交替排列，最外层为PML匹配层。其中，芯层空气层折射率为1，高折射率层的厚度和折射率分别为D1和H1 = 2.2，低折射率层的厚度和折射率分别为D2和112 = 1.4，则一维光子晶体光纤的晶格周期 Λ = D^D2O
[0014]本发明通过改变两种材料的厚度比，即D1 =D2来设计3种结构的空心Bragg光纤，分别使红、蓝、绿三基色波段的光在包层的光子晶体带隙范围内传输，同时还使其泄漏损耗尽可能小。其中三基色波段光的中心波长分别为700.0nm的红光，546.1nm的绿光和435.8nm的蓝光。最后,在三波段光的输出端通过空间汇聚形成白光,从而实现可见光的传输。
[0015]传输红、绿、蓝三色波段光的空心Bragg光纤的材料选取折射率为2.2的PC和折射率为1.4的PVDF，空气芯的芯径为75 μ m, PML匹配层的厚度为5 μ m,为折射率为1.4的PVDF0高折射率和低折射率的比例根据传输光的波段的不同进行调整。一个晶格周期内的高折射率材料的厚度用Dl表示，低折射率材料的厚度用D2表示。
[0016]为使波长在包层光子带隙范围内，由于Bragg光纤晶格周期与波长成正比，要传输可见光范围的光，晶格周期应很小，才能满足要求。通过模拟计算，可以分别得出传输红、蓝、绿三色光的光纤结构的具体参数，下面是本发明所采用的结构参数。
[0017]传输中心波长700.0nm左右的红光的空心fcagg光纤的DfD2 = L 2 μ m，D1 =D2=1:2，晶格周期层数为4-6层，包层总厚度为6μπι左右。经计算，本结构在传输中心波长700nm红光时的泄漏损耗为OdB，理论上可把能量完全限制在空气芯层中传播，带隙宽度为52nm ;传输中心波长为546.1nm左右的绿光的空心Bragg光纤的DjD2 = I μ Hi7D1:D2 = 1:2,晶格周期层数为4-6层，包层总厚度为5μπι左右。经计算，本结构在传输中心波长546.1nm绿光时的泄漏损耗为OdB，理论上可把能量完全限制在空气芯层中传播，带隙宽度为44nm ；传输435.8nm左右的蓝光的空心Bragg光纤的DfD2 = 0.8 μ m, Dl:D2 = 1:2，晶格周期层数为4-6层，包层总厚度为4μπι左右。经计算，本结构在传输中心波长435.8nm蓝光时的泄漏损耗为OdB，理论上可把能量完全限制在空气芯层中传播，带隙宽度为35nm。
[0018]最后在光纤的末端即输出端对红、绿、蓝三色光进行汇聚，通过空间混色可以形成白光，由于三种光的损耗较小，从而可实现整体可见光的长距离、低损耗输出。
【权利要求】
1.一种传输可见光的空心Bragg光纤结构,其特征在于此结构米用高、低折射率材料在光纤径向交替周期性排列，最内层是空气芯层(I)，最外层是一层折射率为1.4的聚偏氟乙烯PVDF材料的PML匹配层(4)，所述高、低折射率材料分别选用折射率为2.2的聚碳酸酯PC聚合物材料作为第一包层(2)以及折射率为1.4的聚偏氟乙烯PVDF聚合物材料作为第二包层(3)，不同结构的空心Bragg光纤结构分别用于传输红、绿、蓝三色波段光，并在输出端进行汇聚实现可见光传输。
2.根据权利要求1所述的传输可见光的空心Bragg光纤结构，其特征在于传输红色波段光的光纤结构为:空心Bragg光纤的高、低折射率材料厚度比为1:2，晶格周期大小为1.2 μ m，晶格周期层数为4到6层，PML匹配层厚度为5 μ m,带隙宽度为52nm。
3.根据权利要求1所述的传输可见光的空心Bragg光纤结构,其特征在于传输绿色波段光的光纤结构为:空心Bragg光纤的高、低折射率材料厚度比为1:2，晶格周期大小为I μ m，晶格周期层数为4到6层，PML匹配层厚度为5 μ m，市隙览度为44nm。
4.根据权利要求1所述的传输可见光的空心Bragg光纤结构，其特征在于传输蓝色波段光的光纤结构为:空心Bragg光纤的高、低折射率材料厚度比为1:2，晶格周期大小为0.8ym,晶格周期层数为4到6层，PML匹配层厚度为5 μ m,带隙宽度为35nm。
【文档编号】G02B6/036GK104297840SQ201410573350
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】郑加金, 陈强, 韦玮, 邹辉, 郑锐林 申请人:南京邮电大学