专利名称：一种圆形椭圆形混合空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤的制作方法
技术领域：
本专利申请涉及一种单模单偏振光子晶体光纤结构，具体涉及一种圆形椭圆形混合空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤，可广泛应用于非线性光学、光通信、传感等领域。
背景技术：
自1996年英国科技工作者研制出第一条光子晶体光纤以来[lJ.C.Knight，et al，Opt. Lett. 1996,21(19) 1547 1549.]，光子晶体光纤以其结构设计灵活、具有普通光纤无法比拟的突出优点等特性得到了科技工作者的广泛关注和深入研究[I ；2J. C. Knight，et al, Science，1998，282 1476 1478 ;3P.St. J. Russell，Science，2003，299 358 362.]，并使得光子晶体光纤广泛应用于非线性光学、光通信、传感等领域，应用前景异常广阔。近年来，通过合理地改变光子晶体光纤设计结构，可以在一定带宽范围内成功实现单模单偏振运作。单模单偏振光子晶体光纤能够有效消除偏振模色散和偏振模式耦合，在高功率光纤激光器、传感、光通信等各种领域得到了密切关注和广泛应用。相关研究小组相继研究了单模单偏振光子晶体光纤，在1550nm波段附近50nm带宽内实现了单模单偏振运用[4Daniel A. Nolan, et al, Opt. Lett. 2004,29(16) :1855 1857.]，在波长 727nm 附近 220nm 带宽范围实现单偏振运作[5J. R. Folkenberg et al. Opt. Lett. 2005,30(12) : 1446 1448.]，在1300nm波段84. 7nm带宽和1550nm波段103. 5nm带宽范围实现了单模单偏振运作[6Jian Ju, et al. J. Lightwave Technol. 2006,24(2) :825 830·],实现了从 460nm 带宽的单模单偏振运作[7Fangdi Zhang et al. J. LightwaveTechnol. 2007,25(5) :1184 1189.],实现了 560nm 带宽的单模单偏振运作[8Ming_Yang Chen etal.J. Lightwave Technol. 2010, 28 (10) :1443 1446.],实现了 250nm 带宽的单模单偏振运作[9Dora Juan Juan Hu, et al. Appl. Opt. 2009,48 (20) :4038 4043.],低损耗单模单偏振运用带宽为 120nm[IOKunimasa Saitoh et al, IEEE Photonics Technology Letters,2003,15(10) :1384 1386.]，研究了 600nm 带宽的单模单偏振运作[IIHongjun Zheng etal. Optical Engineering, 2011, 50 (12)，125003-1 6·]。本文提出了一种新型的圆形、椭圆形空气孔混合点阵包层的光子晶体光纤，目的在于实现更宽带宽的单模单偏振运作、色散平坦、负色散等特性，从而为光子晶体传输光纤及其相关器件等实用化提供理论支持，以弥补以往文献研究中单模单偏振光纤在更宽带宽方面和未涉及色散等方面的不足；并采用全矢量有限元方法和完美匹配层边界条件研究了所提出的单模单偏振光子晶体光纤的单偏振、色散平坦、负色散等特性随入射光波长变化情况。
实用新型内容本专利申请提出了一种圆形椭圆形混合空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤，实现了更宽带宽、色散平坦的单模单偏振运作，从而为光纤偏振器、光子晶体传输光纤等实用化提供了支持，以补充上述文献研究在带宽方面和未涉及色散等方面的不足；并给出了所提出的单模单偏振光子晶体光纤的各种特性及各种参量随入射波长变化规律。本专利申请解决其技术问题所采用的技术方案是本专利申请提出的单模单偏振光子晶体光纤横截面整体上是由纯二氧化硅基质和圆形、椭圆空气孔点阵组成，光纤内包层由圆形空气孔呈正方形阵列排列，外包层由三层椭圆形空气孔呈六角形阵列排列。包层六角形格子椭圆空气孔点阵使得光纤具有单模双折射特性，确保了 X偏振模的限制损耗足够小，增加了 y偏振模的限制损耗，使y偏振模得到足够的衰减，从而实现单模单偏振运用。内包层圆形空气孔点阵使光纤具有较低的色散。本专利申请的有益效果是实现了宽带宽单模单偏振的运用；在入射光波长I. 193μπι至I. 384μπι范围内，该光纤呈现出宽带宽、色散平坦特性和较大的双折射特性，使其在光传输等领域具有广阔应用前景。该光纤具有500nm范围的负色散区域，可以用于常规光纤长波长波段的色散补
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图I是本专利申请光子晶体光纤的横截面示意图。图2是入射光波长I. 550μηι时χ和y偏振模的电场分布，箭头表不偏振方向；横向箭头表征X偏振模电场(a),纵向箭头表征I偏振模电场(b)。图3所示是单模单偏振光子晶体光纤的有效折射率和模式双折射随入射光波长的变化。图3 (a)中带小圆圈和小方块的实线分别表示χ和y偏振模的有效折射率随入射光波长的变化，图3 (b)中带小三角形的实线表示模式双折射(即y和χ偏振模的有效折射率之差)随入射光波长的变化。图4所示是限制损耗及其差值随入射光波长的变化。图4(a)中带小圆圈和小方块的实线分别是X和I偏振模的限制损耗随入射光波长的变化，图中采用半对数坐标；图4(b)中实线是y偏振模和χ偏振模的限制损耗差值随入射光波长的变化，图中限制损耗差值采用半对数坐标。图5所示是单模单偏振光子晶体光纤色散随入射光波长的变化。
具体实施方式
以下结合附图和实施对本专利申请进一步说明。图I是单模单偏振光子晶体光纤的横截面示意图。该光纤整体上是由纯二氧化硅基质和圆形与椭圆形空气孔组成。光纤内包层由圆形空气孔呈正方形阵列排列，外包层由三层椭圆形空气孔呈六角形阵列排列。包层六角形格子椭圆空气孔点阵使得光纤具有单模双折射特性，确保了 X偏振模的限制损耗足够小，增加了 y偏振模的限制损耗，使y偏振模得到足够的衰减，从而实现单模单偏振运用。内包层圆形空气孔点阵使光纤具有较低的色散。图中灰色区域是纯二氧化硅，白色的圆和椭圆表示空气孔，外围的实线矩形区域表示完美匹配层边界。圆形空气孔的半径a = 0.45μπι，圆形空气孔的间隔为Al = Ι.Ομπι。大椭圆空气孔沿X和y轴的半径分别表示为a和b，空气孔的间隔为Λ2= I. 8 μ m，椭圆比率为η = b/a = 2。其中，a = O. 45,b = 2a = O. 9 μ m。二氧化娃和空气孔的折射率分别是
I.45和I。在光纤中传输电磁场的模场特性可以通过改变这些空气孔的形状和空间分布来改变。图2是入射光波长I. 550μηι时χ和y偏振模的电场分布，箭头表不偏振方向；横向箭头表示χ偏振模(a)，纵向箭头表示y偏振模(b)。从图2可以看到，两个偏振模的电场关于光纤中心χ轴和y轴是对称分布的，χ偏振模电场向包层的扩展明显比y偏振模电场向包层的扩展要小得多。这表明y偏振模的限制损耗比χ偏振模的限制损耗大得多。此时，模式双折射为I. 458X 10—2，拍长为O. 106mm ;x和y偏振模的限制损耗分别是3. IOXlO^dB/km和I. 721dB/km。若按照目前常规通信系统发射功率OdBm、跨距80km计算，入射光在该光纤中传输80km后，χ偏振模功率衰减到-2. 48 X IO^dBm, y偏振模功率衰减到-137. 680dBm,而常规光谱仪等探测器件的实际背景噪声为-60dBm左右，这样，χ偏振模可以被探测并再放大，y偏振模在光纤传输中被衰减掉，从而实现单模单偏振运用偏振模的数值孔径是
0.447，有效模场面积是3. 066 μ m2，非线性系数是34. STSW—Vkm。当入射光波长增加时，y偏振模在该光纤传输更短的距离就会被衰减掉；该光纤可广泛应用于不同的光纤器件中。图3是单模单偏振光子晶体光纤有效折射率和模式双折射随着入射光波长的变化。图3(a)中带小圆圈和小方块的实线分别表示χ和y偏振模的有效折射率，图3(b)中带三角的实线表示模式双折射(即y和χ偏振模的有效折射率之差的绝对值)随入射光波长的变化。图3可以得到，该光纤的χ和y偏振模的有效折射率随入射光波长的减小而增加；χ偏振模的有效折射率随波长减小由I. 284增加到I. 413,y偏振模的有效折射率随波长减小由I. 409增加到I. 256 ;对应同一入射光波长，y偏振模的有效折射率比χ偏振模的有效折射率要小，两者之差的绝对值(即模式双折射)随入射光波长的增加近似直线增加。图4所示是限制损耗及其差值随入射光波长的变化。图4(a)中带小圆圈和小方块的实线分别是X和I偏振模的限制损耗随入射光波长的变化，图中采用半对数坐标；图4(b)中带三角的实线是y偏振模和χ偏振模的限制损耗差值随入射光波长的变化，图中限制损耗差值采用半对数坐标。由图4可得，χ和y偏振模的限制损耗随入射光波长增加迅速增加偏振模的限制损耗随波长增加由3. 854X l(TdB/km迅速增加到I. 757X 104dB/km, y偏振模的限制损耗随波长增加由8. 951 X l(TdB/km迅速增加到到I. 806 X 107dB/km。对应同一入射光波长，y偏振模的限制损耗比χ偏振模的限制损耗明显要大；入射光波长
1.Ιμπι至2μπι范围内，y偏振模的限制损耗与X偏振模的限制损耗的差值随入射光波长的增加而呈近似指数迅速增加，由入射光波长I. I μ m时对应的损耗差值5. 097X l(TdB/km增加到入射光波长2. 5 μ m时对应的I. 804X 107dB/km。这表明，当入射光波长稍小于光纤中空气孔尺寸时，空气孔阻碍入射光向包层扩展的作用加强，光纤的限制损耗减小；当入射光波长稍大于光纤中空气孔尺寸时，入射光通过空气孔向包层的衍射作用加强，空气孔阻碍入射光向包层扩展上的作用减弱，光纤的限制损耗增加；同时，y方向的椭圆空气孔阵列有效地增加了 I偏振模的损耗，使I偏振模比χ偏振模更容易衰减掉，从而在该光纤中实现单模单偏振运用。按照单模单偏振运用的理论，可使入射光波长从1.55 4!11至2.541]1范围内在该光纤中实现单模单偏振运用。图5所示是单模单偏振光子晶体光纤色散随入射光波长的变化。图5中点线为材料色散，点划线是波导色散，实线是单模单偏振光子晶体光纤的总色散。光纤的色散平坦特性是目前光通信系统及其器件研究工作者需要努力探索研究的一个热点话题。图5可以看出，材料色散随入射光波长增加近似线性增加，波导色散在入射光波长I. I μ H!至2.5μπι范围内随波长增加而迅速减小；这种色散分布导致了该光纤总色散出现了较大范
围内的色散平坦特性和较大范围内的负色散特性。在I. 193 μ m处的色散值为83.482ps/
(km · nm)，在I. 286 μ m处光纤具有色散最大值85. 477ps/ (km · nm)，在I. 384 μ m处的色
散值为83. 480ps/ (km · nm);可见，该光纤从I. 193 μ m至I. 384 μ m范围内的色散平坦
度(研究波段范围内最大值与最小值之差)为2. 039ps/(km · nm),优于文献[12苑金辉，
侯蓝田，周桂耀等，光电子·激光，2008，19(8) =1007-1010]的O. 83 μ m至1.02μπι范围
内的色散平坦度9ps/ (km · nm)，比文献[13周会丽，张霞，高健等.光电子·激光，2009，
20(1) 28-31]的1·480μπι至1·620μπι范围内的色散平坦度1.8ps/(km*nm)稍差，该光
纤的色散平坦范围191nm与文献[12]的190nm几乎相同、优于文献[13]的140nm和文献的lOOnm。这种宽带宽、色散平坦特性使得该光纤在通信系统中具有重
要应用价值。当入射光波长大于2. 015 μ m时总色散为负值；当入射光波长为2. 5 μ m时，总
色散达到-125. 1417ps/(km · nm)。这表明该光纤可以用于常规光纤长波长波段的色散补m
\-ΖΧ ο总之，本专利申请提出的光子晶体光纤结构是实现宽带宽、色散平坦单模单偏振运用的有效方案。当入射光波长I. 550 μ m时，模式双折射为I. 458 X 10_2，拍长为0. 106mm ；x和I偏振模的限制损耗分别是3. 10X 10_4dB/km和I. 721dB/km,比较两种偏振模损耗情况，y偏振模可以在很短的光纤中被衰减掉，从而实现单模单偏振运用。研究结果表明，提出的新型单模单偏振光子晶体光纤能够在入射光950nm的较宽范围内实现单模单偏振运用。在入射光波长I. 193 μ m至I. 384 μ m范围内，该光纤呈现出宽带色散平坦特性和双折射特性，使其在超连续谱产生、脉冲传输等领域具有广阔应用前景。该光纤具有500nm范围的负色散区域，可以用于常规光纤长波长波段的色散补偿。
权利要求1.设计了一种圆形椭圆形空气孔混合阵列的单模单偏振光子晶体光纤，该光纤内包层由圆形空气孔呈正方形阵列排列，外包层由三层椭圆形空气孔呈六角形阵列排列，其特征是横截面整体上是由纯二氧化硅基质、圆形空气孔正方形阵列、三环椭圆形空气孔六角形点阵组成。
2.根据权利要求I所述的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于所述光纤的六角形格子椭圆空气孔点阵中，椭圆空气孔的间隔为1. 8 μ m。
3.根据权利要求I所述的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于所述光纤中，外包层椭圆空气孔短轴直径为O. 9 μ m，长轴直径为I. 8 μ m。
4.根据权利要求I所述的单模单偏振光子晶体光纤，其特征在于所述光纤的中间包层圆形空气孔正方形点阵中，圆形空气孔半径仍为O. 45 μ m,空气孔间隔为I. O μ m。
专利摘要本专利设计了一种新型圆形椭圆形混合空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤。该光纤内包层由圆形空气孔呈正方形阵列排列，外包层由三层椭圆形空气孔呈六角形阵列排列。本专利提出在光子晶体光纤结构中引入圆形椭圆形空气孔混合阵列实现了宽带宽、色散平坦单模单偏振的运用；该光纤能够在入射光波长1.193μm至1.384μm范围内，该光纤呈现出宽带宽色散平坦特性，使其在超连续谱产生、脉冲传输、光传输等领域具有广阔应用前景。该光纤具有500nm范围的负色散区域，可以用于常规光纤长波长波段的色散补偿。
文档编号G02B6/036GK202815260SQ20122052775
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者黎昕, 郑宏军, 刘山亮 申请人:聊城大学