专利名称：一种大模场面积大色散光子晶体光纤的制作方法
技术领域：
本发明属于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中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，这样也就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。因此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。
而光子晶体光纤容易实现大色散。光子晶体光纤，是一种包层具有沿径向周期性排列且沿光纤轴线平行伸展的空气小孔结构的新型光纤，如图1所示。其中纤芯可以是实心的二氧化硅或者大空气孔，如图1(a)、(b)。前者是折射率导引型光子晶体光纤，后者是带隙导引型光子晶体光纤。由于其具有空气-二氧化硅结构，它可以实现比掺杂大得多的折射率调制。强的折射率调制可以实现比掺杂工艺制作的色散补偿光纤大得多的色散。目前的大色散光子晶体光纤采用和普通色散补偿光纤相同的双芯结构，如图2所示。这种双芯结构包括一个内芯和呈环状的外芯。内芯是实心的纯二氧化硅，外芯是具有一圈小孔的圆环。内芯和外芯的模场可以相互耦合。这种光子晶体光纤能实现比一般色散补偿光纤大得多的色散，目前文献报道最大的色散值高达-18000ps/nm·km。这种光纤存在的一个主要问题是模场面积过小，通常不到10μm2。这种光纤若用于信道的色散补偿会引入严重的非线性。
发明内容
现有的色散补偿光纤色散相对较小，模场面积也较小；而大色散光子晶体光纤的模场面积更小。这在色散补偿中会引入大非线性。
本发明提出了一种新型大色散光子晶体光纤结构。这种光子晶体光纤在实现大色散的同时能保持较大的模场面积。
本发明的特征在于，它包括
外包层，它具有空气和纯二氧化硅间隔布置的结构，即它具有沿光纤径向周期性排列但沿光纤轴线平行伸展的空气小孔结构，而在空气小孔之间是纯二氧化硅；位于上述外包层内的七组非对称耦合双芯结构，其中每一组非对称耦合双芯结构都是一种空气和纯二氧化硅间隔布置的结构，即它具有沿光纤径向周期性排列但沿光纤轴线平行伸展的空气小孔结构，而在空气小孔之间是纯二氧化硅；所述的每一组非对称耦合双芯结构，从内向外依次为内芯，它是实心的二氧化硅组成，内包层，它由空气孔和纯二氧化硅沿光纤径向周期性排列而成，外芯，它具有用一圈小孔形成的环，小孔的孔径为内包层中空气小孔孔径的40％±5％；所述的七组非对称耦合双芯结构中，其中的六组沿圆周方向均匀分布，第七组位于圆周的中心，它的内芯位于光纤的轴线上。
在所述的每一组非对称耦合双芯结构中，沿光纤径向的每一层空气小孔呈等六边形排列。
采用这种方案的大色散光子晶体光纤的色散高达-4500ps/km·nm。模场面积提高到65μm2。相对普通色散补偿光纤具有色散大、模场面积大的显著优点。
图1常用的光子晶体光纤横截面图，(a)带隙型光子晶体光纤，(b)折射率导引型光子晶体光纤。
图2普通大色散光子晶体光纤的横截面图，内芯为实心的二氧化硅区域，外芯是具有一圈小孔的环1.内芯，2.内包层，3.外芯，4.外包层。
图3多芯大色散光子晶体光纤横截面图1.内芯，2.内包层，3.外芯，4.外包层。
图4波长小于相位匹配波长时模场分布图。
图5波长在相位匹配波长时模场分布图。
图6波长大于相位匹配波长时模场分布图。
图7模式有效折射率指数随波长变化图。
图8大色散光子晶体光纤的色散图。
具体实施例方式
该大色散光纤包括七组非对称耦合双芯结构。其中六组双芯结构沿圆周方向均匀分布。另一个双芯结构位于圆周的中心。每一组都是一个非对称耦合双芯结构。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，亦即该结构具有大色散。该光纤的横截面如图3所示。图中灰色区域是空气孔，白色区域是二氧化硅介质。1是其中一组双芯结构的内芯，2是内包层，3是外芯，4是外包层。内芯为实心二氧化硅区域，外芯是具有一圈小孔的环。外芯小孔的孔径是内芯小孔孔径的40％±5％。因此这一圈小孔所在的环的平均折射率比包层的高，就可以形成一个纤芯-外芯。但是这个纤芯的平均折射率比内芯的折射率小，亦即外芯中的模场群速度比内芯的模场群速度大。在耦合波长附近，波长变化时，模场在内芯和外芯中重新分布，群速度发生强烈的改变，从而导致大色散。单个的双芯结构模场面积比较小。如果用单个双芯非对称结构传播光时，功率密度比较大，这样带来的非线性也比较大。这里采用了七组同样的双芯非对称结构。这样就可以把入纤功率分成七份，每个双芯结构的功率密度就会大幅降低，这样就大大降低了非线性。
该大色散大模面积光子晶体光纤的结构如图3所示。孔间距(晶格常数)Λ＝2.3μm。大孔直径d＝1.4μm。外芯的小孔直径为φ＝0.55μm。
当波长小于相位匹配波长时模场分布如图4所示。由图可见，模场主要分布在内芯。在相位匹配波长处模场分布如图5所示。由图可见模场同时分布在内芯和外芯。波长大于相位匹配波长时模场主要分布在外芯。如图6所示。模式的有效折射率随波长变化如图7所示。该图中横坐标是波长，纵坐标是有效折射率指数。实线是基模的有效折射率随波长的变化，虚线是高阶模的有效折射率指数随波长的变化。光子晶体光纤的色散如图8所示。横坐标是波长，纵坐标是色散值。从该图可以看出，色散在波长1.545μm有一个色散峰值，色散高达-4500ps/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型是实心的石英棒，B、C型是空心的石英管。其中B型的内径是C型的内径的40％±5％。首先将三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。然后将C型石英管堆积成按六角型晶格排列的一束预制棒，这时这一束预制棒都是由具有大空气孔的C管组成。然后按图3的排列方式在内芯的位置将C管换成A管，在外芯的位置将C管换成B管。最后排列成如图3的等比例的放大图样，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大模场面积大色散光子晶体光纤。
权利要求
1.种大模场面积大色散光子晶体光纤，其特征在于，它包括外包层，它具有空气和纯二氧化硅间隔布置的结构，即它具有沿光纤径向周期性排列但沿光纤轴线平行伸展的空气小孔结构，而在空气小孔之间是纯二氧化硅；位于上述外包层内的七组非对称耦合双芯结构，其中每一组非对称耦合双芯结构都是一种空气和纯二氧化硅间隔布置的结构，即它具有沿光纤径向周期性排列但沿光纤轴线平行伸展的空气小孔结构，而在空气小孔之间是纯二氧化硅；所述的每一组非对称耦合双芯结构，从内向外依次为内芯，它是实心的二氧化硅组成，内包层，它由空气孔和纯二氧化硅沿光纤径向周期性排列而成，外芯，它具有用一圈小孔构成的环，小孔的孔径为内包层中空气小孔孔径的40％±5％；所述的七组非对称耦合双芯结构中，其中的六组沿圆周方向均匀分布，第七组位于圆周的中心，它的内芯位于光纤的轴线上。
2.据权利要求1所述的一种大模场面积大色散光子晶体光纤，其特征在于在所述的每一组非对称耦合双芯结构中，沿光纤径向的每一层空气小孔呈等六边形排列。
全文摘要
一种大模场面积大色散光子晶体光纤属于光纤通信系统色散补偿技术领域，其特征在于该大色散光子晶体光纤包含七组非对称耦合双芯结构，其中六组沿圆周方向均匀分布，另一组位于圆周的中心；每一组从内到外依次含有内芯，它是实心的二氧化硅；内包层，它是由空气小孔和二氧化硅沿光纤径向周期性排列组成的；外芯，它是由空气小孔组成的一个环，所述空气小孔的孔径为内包层空气小孔孔径的40％±5％。该大色散光子晶体光纤的色散高达－4500ps/nm·km，模场面积提高到65μm
文档编号H04B10/12GK1670552SQ20051001157
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
发明者张冶金, 杨四刚, 谢世钟 申请人:清华大学