一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤的制作方法

本发明涉及双折射光子晶体光纤领域，具体是一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤。

背景技术：

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)又被称作微结构光纤或多孔光纤，由于其卓越的光学性能和灵活的结构设计，已越来越引起人们的重视和深入的研究。光子晶体光纤具有很多独特的性质，如无限单模传输，高双折射和高非线性，色散平坦特性等，被广泛应用于光纤传感、光通信及非线性光学等领域。

在光子晶体光纤的重要特性中，高双折射光纤在传感应用方面及对线偏振光的偏振保持能力方面有重要的应用。光子晶体光纤的结构设计非常灵活，其高双折射主要是通过破坏光纤结构的对称性获得,可以通过引入大小不一的空气孔，也可以改变纤芯或者包层空气孔的形状(如椭圆空气孔,菱形孔)。目前，已有文献报道高双折射可达到10^-2量级，但引入特殊形状(椭圆形等特异形状或特殊排列)会加大制作工艺的难度，用目前常用的堆积拉制法难以实现。

近年来，非硅材质光纤逐渐成为研究热点，如硫化物玻璃、软玻璃等。硫系玻璃是基于硒、硫、碲，结合砷、锗、锑和镓等元素化合形成的玻璃态物质。相比其他软玻璃，如氟化物玻璃和碲酸盐玻璃，硫系玻璃具有较高的非线性系数，比二氧化硅高两到三个数量级。利用其极高的非线性特性，可用于非线性光学、光器件等领域。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤，以实现高双折射。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤，包括背景材料及分布在背景材料中的包层，其特征在于：背景材料采用Ge₂₀As₂₀Se₁₄Te₄₆，包层由四层空气孔组成，相邻空气孔的孔间距相同，四层空气孔中，除第三层的空气孔外其余空气孔直径均相等，设其余空气孔直径为d₂，第三层空气孔直径为d₁，且d₂>d₁；该 包层结构破坏了常见的六边形阵列均匀空气孔PCF的六重旋转对称性，有利于提高光纤的双折射。

所述的一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤，其特征在于：设相邻空气孔的孔间距为Λ，则光纤的结构参数最佳值为：Λ＝0.9μm，d₂/Λ＝0.95，d₁/Λ＝0.645。

本发明设计了一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤(PCF)，采用全矢量有限元法(FEM)在宽波长范围内研究了该光纤的有效折射率、拍长、限制损耗、双折射、有效模面积、非线性系数和色散特性，研究数值计算结果表明，该光纤可获得10^-1的数量级的高双折射，得到高的非线性系数和低的限制损耗，其在偏振控制、非线性光学和超连续谱产生方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为模拟所得的三维视图。

图3为有效折射率随波长的变化图。

图4为双折射和拍长随波长的变化图。

图5为限制损耗随波长的变化图。

图6为模场面积和非线性随波长的变化曲线图。

图7为色散随波长的变化曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤，包括背景材料1及分布在背景材料中的包层2，背景材料1采用Ge₂₀As₂₀Se₁₄Te₄₆，包层2由四层空气孔3组成，相邻空气孔的孔间距相同，四层空气孔中，除第三层的空气孔外其余空气孔直径均相等，设其余空气孔直径为d₂，第三层空气孔直径为d₁，且d₂>d₁；该包层结构破坏了常见的六边形阵列均匀空气孔PCF的六重旋转对称性，有利于提高光纤的双折射。

设相邻空气孔的孔间距为Λ，则光纤的结构参数最佳值为：Λ＝0.9μm，d₂/Λ＝0.95，d₁/Λ＝0.645。

下面采用全矢量有限元分析方法，对本发明光纤进行分析。

有限元法是分析PCF物理特性的一种较高效的数值方法，适用于不同形状空气孔任意排列的PCF计算，因此，本发明采用有限元法并选择完美匹配层吸收边界条件对PCF进行理论计算。

有限元法的电磁波方程为：

$\▿\×(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_r}\▿\×E)-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{c}\right)}^2{\mathrm{\ϵ}}_{r}E=0---\left(1\right),$

其中，E是电场强度，μ_r和ε_r分别为介质的磁导率和相对介电常数，c和ω分别为光在真空中的光速和频率。

模式双折射(B)是光纤偏振的重要指标[15]，它是由x和y方向的基模的有效折射率之差决定的，可以表示为：

$B=|n_{eff}^x-n_{eff}^y|---\left(2\right),$

其中，和分别是x和y偏振方向的基模有效折射率。

光纤的拍长由下式给出，

$L_b=\frac{\mathrm{\λ}}{\left|{\mathrm{\Δn}}_{eff}\right|}---\left(3\right),$

光纤的限制损耗是光子晶体光纤的一个重要特性。它表示光在芯区[16]内的限制能力，它可以通过下面的公式来计算：

L＝8.686k₀Im(n_eff) (4)，

其中Im(n_eff)是折射率的虚部。

色散可以由有效折射率的基本模式计算：

$D_w\left(\mathrm{\λ}\right)=\left(\frac{-\mathrm{\λ}}{c}\right)\left(\frac{d^2{n}_{eff}}{{\mathrm{d\λ}}^2}\right)---\left(5\right),$

其中，n_eff是有效折射率的实数部分。

非线性是光纤性能的重要参数，其衡量标准是非线性系数γ的大小[19],计算公式是：

$\mathrm{\γ}=\frac{2{\mathrm{\πn}}_2}{{\mathrm{\λA}}_{eff}}---\left(6\right)$

其中，n₂＝2.3×10^-17m²/W[20]是硫化玻璃的非线性折射率系数，A_eff是PCF的有效模面积，可以由下式计算：

$A_{eff}=\frac{{\[{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}|E(x,y){|}^{2}dxdy\]}^2}{{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}|E(x,y){|}^{4}dxdy}---\left(7\right)$

其中E是横截面上的电场分布。

数值模拟和结果分析：

几何参数，例如空气孔直径和孔间距，对光纤的性能影响显著。在本文中，通过大量的计算之后获得了结构参数的最佳值。参数被设定为：Λ＝0.9μm，d₂/Λ＝0.95，d₁/Λ＝0.645。

模拟所得三维视图如图2所示。从图中可以看出，该光纤的模场被很好地束缚在光纤的纤芯中，电磁能量被束缚在纤芯中，从而有利于实现高双折射。

首先，对所提出的PCF结构的有效折射率进行了分析。通过使用全矢量有限元方法，本发明研究了有效折射率与波长之间的关系。如图3所示，沿x和y偏振方向上的有效折射率随波长的增加而减小。此外，由于光纤的非对称结构，两个方向上的有效折射率不相等且x偏振方向的有效折射率比y偏振方向的有效折射率高。

接着，图4给出了PCF的双折射和拍长随波长的变化曲线。从该图中可以看出，在这个只具有圆形空气孔的PCF结构中，在较宽的波长范围内得到了10^-1数量级的高双折射。此外，双折射随波长的增大而增大，而拍长的变化曲线正好相反。模式双折射越大，保偏性能越好，其保持传输光偏振态就越好。因此，这种光纤可以在需要偏振保持的许多领域中，如光纤传感和保持单偏振模场中使用。

然后本发明考虑光纤的限制损耗。限制损耗是光子晶体光纤的另一个最重要的参数。它定义了通过芯传递到包层的一部分光；限制了在实际光纤通信系统中的总传输距离。限制损耗随波长的变化曲线如图5所示。从图中可以看出，限制损耗在达到4.3μm之前损耗基本不变，呈现低损耗，在4.3μm之后随着波长的增加而增大，这种光纤可以用在低损耗传输和远距离通信系统中。

在光纤的设计过程中，模场面积也是一个重要参量，它是反应光纤性能的重要指标，它决定了光纤的非线性系数。有效模面积和非线性系数随波长变化的曲 线图如图6所示。可以看出，有效模面积随波长的增大而增大，非线性系数随波长的增加而减小。PCF在1.55μm处的有效模场面积为1.273μm²，而相应的非线性系数是73236W^-1km^-1。设计的光纤呈现的高非线性在光纤器件和超连续谱的产生等方面具有重要的作用。

最后，本发明考虑光纤的色散特性。在光纤通信中，色散是一个决定通信质量和通信距离的重要参数。通过设计光子晶体光纤横截面上空气孔的结构可以灵活地调整其色散特性，使之符合具体的使用要求。光子晶体光纤的色散控制性在色散补偿的实际应用中，以及在非线性光学[23]的应用中是一个非常重要的问题。图7显示了所提出的PCF在y偏振方向的色散特性，从图中可以看出，这种光纤仅具有一个零色散点，在4.4μm附近并且该光纤显示了正的和负的色散。所以这种光纤能够应用在需要正的和负的色散特性的场合中。

本发明采用全矢量有限元分析方法，对光纤的有效折射率、拍长、限制损耗、双折射、有效模面积、非线性系数和色散特性进行了数值模拟，数值结果表明，该光纤获得了10^-1的高双折射，得到高的非线性系数，低的限制损耗。由于该结构中只具有圆形空气孔，本文提出的光子晶体光纤便于制作和实现。这种光纤在偏振控制、非线性光学和超连续谱产生方面具有广泛的应用前景。