一种适用于超远距离传输的光子晶体光纤传输系统

saitoh等人早在2005年就通过在纤芯中引入缺陷气孔，改善了传统pcf的色散平坦性能，色散平坦度最高达0.2
±
0.2ps/(nm-km)，范围为1.14-1.7μm。可以利用每层空气孔的直径作为独立参数，定制频带范围和色散平坦度。从上述研究工作中可以看出，在传统光子晶体光纤引入空气孔，通过改变空气孔的形状、位置、大小、数量，可以很好的控制色散的平坦程度以及色散平坦的范围。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超平坦光子晶体光纤传输系统，系统包含两根光子晶体光纤，一根近零正色散光子晶体光纤(p1)用于信号传输，另一根大负色散光子晶体光纤(p2)用于色散补偿，其在dwdm系统，譬如超长距离海底传输等应用中有着很大的潜力。
8.本发明提供一种适用于超远距离传输的光子晶体光纤传输系统，所述传输系统用到的光子晶体光纤包括基底材料、内层介质环、中间层介质环、外层介质环、主介质孔、次介质孔、纤芯，所述内层介质环在基底材料中心呈六边形准周期排列，中间层介质环呈六边形周期排列，外层介质环呈六边形准周期排列。
9.进一步改进在于：所述基底材料包括纯石英、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃和聚合物材料中的一种或多种组合。
10.进一步改进在于：所述内层介质环由空气或其它高折射率材料填充，内层介质环六边形的主介质孔的半径统一，次介质孔的半径统一，且内层介质环的半径为λ。
11.进一步改进在于：所述中间层介质环由空气或其它高折射率材料填充，中间层介质环中只有主介质孔，没有次介质孔，且中间层介质环半径为2λ，层数可以不止一层。
12.进一步改进在于：所述外层介质环由空气或其它高折射率材料填充，主介质孔半径统一，次介质孔半径统一。
13.进一步改进在于：所述主介质孔在内层介质环的数量为6，且分别位于六边形的六个角。
14.进一步改进在于：所述次介质孔在每两个主介质孔之间的数量不固定为3。
15.进一步改进在于：所述纤芯包括纯石英、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲化物玻璃、硫化物玻璃、氟化物玻璃和聚合物材料中的一种或多种组合。
16.采用有限元法并结合完美匹配层边界吸收条件理论计算光子晶体光纤中基模有效折射率n
eff
，从而计算出本发明的色散、限制损耗、有效模式面积、数值孔径以及非线性系数。
17.色散d(λ)为：限制损耗lc为：lc＝8.686k0im[n
eff
]，有效模式面积a
eff
为：数值孔径na为：非线性系数γ为：其中λ表示波长，c为光速，n
eff
为有效折射率，k0为自由空间中的波数，e表
示电场能量，n2为非线性折射率，为非线性常数。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
(1)该光纤结构仅有三层介质环，较传统六边形光子晶体光纤简单，易于实现；
[0020]
(2)通过调节结构参数，精确调控光纤色散。
[0021]
(3)可获得高平坦度色散曲线；
[0022]
(4)适用频段范围广，适用于所有光通信波段；
[0023]
(5)非线性系数低，且损耗低，适用于超远距离线性传输；
[0024]
(6)数值孔径大，耦合损耗低。
附图说明
[0025]
图1是本发明的光子晶体光纤传输系统示意图。
[0026]
图2是本发明的单芯光子晶体光纤的横截面示意图。
[0027]
图3(a)是本发明色散d(λ)随空气孔占空比f变化(f＝0.135、0.113、0.094)时的变化曲线图，黑色虚线为材料色散。
[0028]
图3(b)是本发明色散d(λ)随孔间距λ和孔直径d变化(λ＝1.83μm、2.20μm、2.57μm,d＝0.5μm、0.6μm、0.7μm)的演变曲线图。
[0029]
图4(a)是本发明色散d(λ)随最内层主空气孔d1的直径变化时(d1＝0.58μm、0.60μm、0.62μm)的演变曲线图，黑色虚线为材料色散。
[0030]
图4(b)是本发明色散d(λ)随中间层主空气孔d2的直径变化时(d2＝0.58μm、0.60μm、0.62μm)的演变曲线图，黑色虚线为材料色散。
[0031]
图4(c)是本发明色散d(λ)随最外层主空气孔d3的直径变化时(d3＝0.50μm、0.60μm、0.70μm)的演变曲线图，黑色虚线为材料色散。
[0032]
图4(d)是本发明色散d(λ)随最内层次空气孔d1的直径变化时(d1＝0.20μm、0.22μm、0.24μm)的演变曲线图，黑色虚线为材料色散。
[0033]
图4(e)是本发明色散d(λ)随最外层次空气孔d3的直径变化时(d3＝0.36μm、0.40μm、0.44μm)的演变曲线图，黑色虚线为材料色散。
[0034]
图5(a)是本发明实施例(p1)的色散d(λ)以及非线性系数γ随波长λ(1.26-1.625μm)变化时的曲线图。
[0035]
图5(b)是本发明实施例(p1)的数值孔径na以及限制损耗lc随波长λ(1.26-1.625μm)变化时的演变曲线图。
[0036]
图6(a)是本发明实施例(p2)的色散d(λ)以及非线性系数γ随波长λ(1.26-1.625μm)变化时的演变曲线图。
[0037]
图6(b)是本发明实施例(p2)的数值孔径na以及限制损耗lc随波长λ(1.26-1.625μm)变化时的演变曲线图。
[0038]
图7是本发明实施例的两种光子晶体光纤(p1&p2)色散曲线在0.9-1.8μm范围内的对比图。
[0039]
图8是本发明实施例设计的简要系统结构图。
[0040]
图9是本发明实施例的实际传输模拟(传输1600km后进行15km的色散补偿，随后还
可以传输498km)结果图。
具体实施方式
[0041]
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，本实施例仅用于解释发明，并不构成对本发明保护范围的限定。本实施例提供了一种适用于超远距离传输的光子晶体光纤传输系统，如图1所示，系统由五个模块构成，发送端模块、接收端模块、光信号传输模块、耦合模块、色散补偿模块。所述传输系统用到的光子晶体光纤包括基底材料1、内层介质环2、中间层介质环3、外层介质环4、主介质孔5、次介质孔6、纤芯7，所述内层介质环在基底材料中心呈六边形准周期排列，中间层介质环呈六边形周期排列，外层介质环呈六边形准周期排列。光信号传输模块和色散补偿模块所用光纤结构如图2所示，其中λ为孔间距，d1、d2、d3分别为最外层、中间层和最内层主空气孔直径。d1、d3分别为最内层和最外层次空气孔直径。
[0042]
所述基底材料1采用二氧化硅，内层介质环2、中间层介质环3、外层介质环4均采用空气填充，且均为圆形孔，其中内层介质环2和外层介质环4中每两个主介质孔之间的次介质孔数量为3，相邻两主介质孔的间距为λ。根据所述单芯光子晶体光纤系统的结构构成，有如下实施例：
[0043]
所述系统光子晶体光纤的基底材料和纤芯区域材料均为二氧化硅，且λ＝2.2μm，d1＝0.6μm，d2＝0.6μm，d3＝0.7μm，d1＝0.2μm，d3＝0.44μm。
[0044]
当基底材料和纤芯材料同为二氧化硅，介质孔为空气孔时，如图3(a)所示，可以看出本实施例波导色散与占空比变化的关系。由色散理论可知，当波导色散与材料色散相互抵消则呈现出的总色散为零，当波导色散与负的材料色散保持平行则说明，在这段平行波段内，色散保持恒定不变。由图3(a)可知，当增大空气孔占空比f，波导色散在短波长增大，在长波长处减小。由图3(b)可知，当增大孔间距以及每层空气孔的直径，波导色散几乎呈平行上升趋势。
[0045]
如图4(a)-(e)所示，每层的主空气孔直径或次空气孔直径的变化均会引起波导色散产生不同的响应，因此我们可以通过控制这些变量来控制色散，从而实现目标所需色散曲线。同时可以看出本实施案例的容差性能，考虑到光纤实际拉制过程中会受到外界因素的影响，光纤结构参数都会有一定偏差，由图4(a)-(e)可以看出，内层空气孔变化对波导色散的影响要远大于外层空气孔的影响，但总的偏差量并不大，因此，本实施案例所设计的光子晶体光纤传输系统在实际制作过程中，由外界因素变化而引起光纤结构参数的改变，对光纤性能的影响较小。
[0046]
如图5所示，可以看出本实施例的最终色散曲线(p1)在通信波段随波长呈正弦变化且波动幅度为
±
0.17(ps/nm/km)、非线性系数随波长的增大而减小，且小于1.1(w-1
·
k-1
)、数值孔径与波长成正比且大于0.189，限制损耗与波长成正比且小于0.09db/km。
[0047]
如图6所示，可以看出本实施例的最终色散曲线(p2)在通信波段随波长呈正弦变化且波动幅度为
±
0.37(ps/nm/km)、非线性系数随波长的增大而减小，且小于1.1(w-1
·
k-1
)、数值孔径与波长成正比且大于0.2，限制损耗与波长成正比且小于0.42db/km。通常认为，色散越平坦，非线性系数越小，限制损耗越低，对信号传输越有利，显然，本实施例的效果已经超越目前商用光纤能实现的效果。
[0048]
如图7所示，可以看出本实施例实现的两根光子晶体光纤(p1&p2)的色散曲线在1.26-1.625μm范围内近乎平行。
[0049]
如图8、9所示，可以看出本实施例的系统结构以及传输过程，首先在信号发生端使用p1进行信号传输，经过1600km后累积色散值临近上限800(ps/nm
·
km)，再耦合进p2，传输15km，以此达到色散补偿的效果，色散补偿过后的信号再耦合入p1还可传输498km。相比于dwdm系统中已有的商用光纤，本实施例有明显优势，如超长传输距离，超宽带支持等。
[0050]
上面所述仅为本发明的优选实施方案，并非全部或唯一的实施方案，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出任何等效变换，均应落入本发明的保护范围。