专利名称：一种大色散布拉格型光子晶体光纤的制作方法
技术领域：
本发明属于布拉格型光子晶体光纤设计制作以及光纤通信系统色散补偿器件领域。
背景技术：
色散补偿技术是高速光纤通信系统的核心关键技术。色散补偿光纤是高速光纤通信系统色散补偿的重要器件。普通的色散补偿光纤通过在纤芯高掺杂和在外包层低掺杂，形成两个非对称的耦合纤芯。在相位匹配波长附近，当波长改变时，由于模场的空间重新分布，使得不同波长“感受”到的有效折射率不同，亦即波长变化时，群速度发生改变，形成了大的波导色散。这种色散补偿光纤一般要在光纤的中心形成半径小且折射率高的纤芯。纤芯与内包层具有大折射率对比度。为了实现大的波导色散，希望能通过掺杂尽量增大纤芯折射率。当折射率过高时，会在纤芯与包层间产生应力，造成光纤参数的不稳定。所以掺杂浓度受应力的限制不能过高。所以普通色散补偿光纤受到模场面积和应力的限制，波导色散难以做大，目前的色散补偿光纤典型的色散值在-100～-200ps/nm·km之间。通过掺杂手段的色散补偿光纤的模场面积一般较小，略大于20μm2。
布拉格光纤是通过布拉格反射的原理来实现导光。这种光纤的纤芯是空气孔。包层是由折射率交替的两种材料的同心环周期排布组成，如图1所示。虽然纤芯具有较低的折射率。但是包层是布拉格反射结构，某些满足布拉格条件的波长的光将被反射加强，不能透过。这种波长的光就被限制在空气芯里从而实现纵向导引。
在布拉格光纤折射率周期交叠排布的包层中，只要改变包层中任何一层的参数(厚度、折射率)，就可以在包层中形成缺陷。这个缺陷可以导引缺陷模。如果这个缺陷与空气芯的距离足够近，二者就可以形成非对称耦合结构。芯模和缺陷模就可以发生耦合。在相位匹配波长，在纤芯和缺陷中同时存在模场。当波长小于相位匹配波长时，模场主要分布在纤芯。当波长大于相位匹配波长时，模场分布在缺陷。由于纤芯和缺陷的折射率差别较大(一般为0.4左右)，使得纤芯和缺陷的模场的群速度差别很大。这种非对称耦合结构可以形成大色散。目前这种结构的色散值可达104～106ps/km·nm。
这种光纤具有色散大、模场面积大，无吸收损耗等优点。但是由于包层是周期交叠分布的两种折射率材料的同心环，这种结构在工艺上极难实现，发明内容现有的大色散布拉格光纤包层是由两种折射率材料的同心环结构组成。这种结构在工艺上极难实现。
本发明提出了一种新型的具有大色散的微结构布拉格光纤。这种光纤最显著的特点是采用单一的二氧化硅材料制作。这就在根本上避免了采用两种不同折射率材料，大大降低了工艺制作的难度。
这种新型布拉格型光子晶体光纤的纤芯是空气孔。包层具有周期性排列的空气孔。这些空气孔以光纤轴心为圆心呈环状排列。则具有空气孔的圆环平均折射率低，没有空气孔的圆环的平均折射率高。这样就形成了折射率交替的布拉格包层结构。这种布拉格光纤只采用一种折射率的材料即可，大大降低了工艺上的难度，如图2所示。图中灰色部分是空气孔，浅色是二氧化硅介质材料。在包层中通过去掉一圈空气孔，使得这一圈成为包层的一个缺陷，如图3所示。则这个缺陷可以形成缺陷模。该缺陷和纤芯形成一个非对称的耦合结构。亦即纤芯模和包层缺陷模可以相互发生耦合。在相位匹配波长，模场同时存在于纤芯和包层缺陷。当波长小于相位匹配波长时，模场主要分布在纤芯。当波长大于相位匹配波长时，模场分布在包层缺陷。由于纤芯和包层缺陷的有大的折射率差(0.4左右)。纤芯模和包层缺陷模的群速度差别大。在耦合波长附近，模场的群速度将发生剧烈的改变，从而形成大的波导色散。
本发明的特征在于，它包括纤芯，它是一个沿光纤轴向延伸的空气孔；包层，它是一种带有一个缺陷且折射率交替的布拉格包层结构，即它具有以光纤轴心为圆心沿光纤半径方向呈周期性环状排列但沿光纤轴线平行伸长的空气孔，包层中通过去掉一圈空气孔而留下一层二氧化硅缺陷层，该缺陷的位置要足以使得该缺陷和纤芯形成一个非对称的耦合结构，使得纤芯模和该缺陷形成的包层缺陷模二者之间相互发生非对称的耦合，当波长在纤芯模和包层缺陷模的相位匹配波长附近变化时，可以形成大的有效折射率差。
目前，这种大色散布拉格光子晶体光纤的色散值高达-2.8×105ps/nm·km。
图1为空气纤芯布拉格型光纤截面图。包层由两种折射率材料的同心环交替组成a，横截面图，b，纵截面图。
图2为布拉格型光子晶体光纤横截面图1.空气孔，2.二氧化硅介质，3.空气大孔。
图3为包层有缺陷的布拉格型光子晶体光纤横截面图1.空气孔，2.二氧化硅介质，3.空气大孔，4.包层缺陷。
图4为布拉格光子晶体光纤内芯模(用电场y分量Ey表示)。从图中可以看出，模场主要分布在空气芯中。
图5为布拉格光子晶体光纤缺陷模(用电场z分量Ez表示)。从图中可以看出，模场主要限制在包层缺陷中。
图6为(a)布拉格型光子晶体光纤有效折射率随波长变化图从上到下三条曲线分别表示基模、二阶模、三阶模有效折射率随波长变化图。(b)布拉格型光子晶体光纤色散图。
具体实施例方式
本发明提出了一种新型大色散布拉格型光子晶体光纤。该光纤采用单一的二氧化硅材料就可以实现包层的布拉格反射。通过在包层中缺失一圈空气孔使得在包层中产生缺陷。这个缺陷可以形成缺陷模。包层缺陷和空气芯形成非对称耦合结构。这种非对称的耦合双芯结构可以形成超模。当波长变化时，超模在空间的分布会发生变化。比如当波长小于内芯和外芯的相位匹配波长时，模场分布在内芯；当处于内芯和外芯的相位匹配波长时，模场同时分布在内芯和外芯；当波长大于相位匹配波长时，模场主要分布在外芯。而内芯和外芯的折射率不同，是非对称的。所以波长不同，模场分布不同，群速度就不同。亦即波长变化时，群速度发生很大变化，从而实现大色散。
该大色散布拉格型光子晶体光纤横截面如图3所示。在包层中具有环状分布的多圈小孔。小孔环的平均折射率较低，没有小孔的环平均折射率较高。这样形成折射率交替排列的布拉格结构。从而实现光在空气芯中的导引。包层中缺失一圈小孔。这一圈缺失小孔的环形成包层中的缺陷。在缺陷中形成缺陷模。空气芯的芯模和缺陷模可以互相发生耦合。当波长小于相位匹配波长时，模场主要分布在内芯，如图4所示。当波长大于相位匹配波长时，模场主要分布在包层缺陷中，如图5所示。在耦合波长附近由于模场的空间分布在内芯和外芯剧烈变化而形成大色散。图6(a)表示模式的有效折射率随波长的变化，从上到下依次为基模、二阶模、三阶模的有效折射率随波长的变化。图6(b)是布拉格大色散光子晶体光纤的色散曲线。本发明采用单一的二氧化硅材料，实现了大色散布拉格光纤的结构。色散高达-2.8×105ps/nm·km。
这种光纤采用制作光子晶体光纤通用的“堆-拉”工艺制作。制作这种光纤的预制棒是空心和实心的石英管。共有三种石英管A型、B型、C型。A型石英管是实心的石英棒，B型是空心的石英管。C型石英管是一个空心的粗管。C型石英管内管的直径是B型管的2.54倍。首先将A、B两种石英管原始预制棒加热熔融拉细，直到石英棒的外径为3mm，同时将C管熔融拉细至外径为7.6mm。将C管放在中心作为支撑管，然后按照图3结构在有空气孔的位置放置B型管，在包层缺陷的环状位置放置A型管。排列成如图3的大比例放大图样，这就是中间预制棒。这种中间预制棒放入光纤拉丝塔进行熔融拉丝，最后就成为所需的如图3大色散布拉格型光子晶体光纤。
权利要求
1 一种大色散布拉格型光子晶体光纤，其特征在于，它包括纤芯，它是一个沿光纤轴向延伸的空气孔；包层，它是一种带有一个缺陷且折射率交替的布拉格包层结构，即它具有以光纤轴心为圆心沿光纤半径方向呈周期性环状排列但沿光纤轴线平行伸长的空气孔，包层中通过去掉一圈空气孔而留下一层二氧化硅缺陷层，该缺陷的位置要足以使得该缺陷和纤芯形成一个非对称的耦合结构，使得纤芯模和该缺陷形成的包层缺陷模二者之间相互发生非对称的耦合，当波长在纤芯模和包层缺陷模的相位匹配波长附近变化时，可以形成大的有效折射率差。
全文摘要
一种大色散布拉格型光子晶体光纤，属于光纤通信系统色散补偿器件的技术领域，其特征在于所述光纤的纤芯是空气孔，包层具有以光纤轴线为圆心沿光纤半径方向呈周期性环状排列且沿光纤轴线平行伸长的空气孔，在各空气孔之间是二氧化硅介质，在所述包层上去掉一圈空气孔留下一个由二氧化硅构成的缺陷，该缺陷的位置要足以使纤芯模和以缺陷作为外芯形成的缺陷模之间形成非对成的耦合，以形成大的有效折射率差，从而在耦合波长附近形成大的波导色散。这种大色散布拉格型光子晶体光纤的色散值高达－2.8×10
文档编号H04B10/12GK1670551SQ200510011570
公开日2005年9月21日 申请日期2005年4月15日 优先权日2005年4月15日
发明者杨四刚, 张冶金, 谢世钟 申请人:清华大学