專利名稱：一種由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形陣列的單模單偏振光子晶體光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利申請涉及一種光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具體涉及一種由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形陣列的單模單偏振光子晶體光纖，可應(yīng)用于光纖通信、光學(xué)信息處理等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光子晶體光纖也稱多空氣孔光纖或者微結(jié)構(gòu)光纖。光子晶體光纖就結(jié)構(gòu)而言，可以分為實芯光纖和空芯光纖。實芯光纖是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃棒周圍的光纖?？招竟饫w是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃管周圍的光纖。光子晶體光纖導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩類折射率導(dǎo)光機(jī)理(實芯光纖)和光子能隙導(dǎo)光機(jī)理(空芯光纖)。光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計很靈活，具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光子晶體光纖具有奇異的特性，與普通單模光纖相比有著突出的優(yōu)點(1)單模傳輸帶寬非常寬。( 靈活可控的模場面積和非線性系數(shù)。( 可靈活地設(shè)計光子晶體光纖色散和限制損耗。(4)優(yōu)良的雙折射效應(yīng)。1996年，J. C. Knight等人研制出世界上第一根新型光波導(dǎo)-光子晶體光纖(photonic crystal fiber, PCF) [J. C. Knight 等人，Opt. Lett. 1996， 21(19) :1547 1549]。1998年，J. C. Knight等人又研制出另一種新型光波導(dǎo)-光子帶隙光子晶體光纖(Photonic Band Gap photonic crystal fiber，PBG-PCF) [J. C. Knight 等人，Science, 1998, 282 :1476 1478]。此后，光子晶體光纖具有的奇異特性引起了世界科技工作者的普遍關(guān)注和廣泛研究[P. St. J. Russell, Science, 2003, 299 :358 362]，使得光子晶體光纖廣泛應(yīng)用于原子和粒子引導(dǎo)捕獲、非線性光學(xué)、超連續(xù)光譜產(chǎn)生、脈沖壓縮與整形、高次諧波產(chǎn)生、四波混頻、波長變換、激光產(chǎn)生、短脈沖變換與控制等，應(yīng)用前景非常廣闊。近年來，通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計光子晶體光纖，在一定的入射光波長范圍內(nèi)可以成功實現(xiàn)單模單偏振運作。文獻(xiàn)[DanielA. Nolan 等人，Opt. Lett. ,2004,29(16) :1855 1857] 研制出具有橢圓芯和雙圓空氣孔包層的光子晶體光纖，在1550nm波段附近50nm帶寬范圍內(nèi)實現(xiàn)了單模單偏振運用；文獻(xiàn)[J. R. !7Olkenberg等人，Opt. Lett.，2005，30 (12) :1446 1448]報道了具有三環(huán)圓空氣孔包層的單模光子晶體光纖在波長727nm附近220nm波長范圍支持單偏振運作；文獻(xiàn)[Jian Ju 等人，J. Lightwave Technol. ,2006,24(2) :825 830]以完美匹配層為邊界條件采用全矢量有限元方法研究了具有三角形點陣的圓空氣孔包層單模單偏振光子晶體光纖，在1300nm波段和1550nm波段附近分別實現(xiàn)了 84. 7nm帶寬和103. 5nm帶寬的單模單偏振運作；文獻(xiàn)[FangdiZhang等人，J. Lightwave Technol.， 2007,25(5) :1184 1189]設(shè)計了具有兩排大中心空氣孔的矩形格子點陣光子晶體光纖， 實現(xiàn)了從1200nm到1660nm波長范圍內(nèi)的單模單偏振運作；文獻(xiàn)[Ming-Yang Chen等人， J. Lightwave Technol. ,2010,28(10) :1443 1446]提出了一種具有正方形格子點陣的寬帶寬單模單偏振光子晶體光纖，實現(xiàn)了從1475nm到2035nm波長范圍內(nèi)的單模單偏振運作； 文獻(xiàn)[Dora Juan Juan Hu 等人，Appl. Opt. ,2009,48(20) :4038 4043]設(shè)計了具有三角形格子點陣橢圓空氣孔包層和圓空氣孔芯的光子晶體光纖，實現(xiàn)了從1350nm到1600nm波長范圍內(nèi)的單模單偏振運作；文獻(xiàn)[Kunimasa &iitoh等人，IEEE Photonics Technology Letters, 2003,15 (10) :1384 1386]采用全矢量有限元方法研究了具有六角形格子點陣小圓空氣孔外包層和大圓空氣孔內(nèi)包層的光子晶體光纖，低損耗單模單偏振運用帶寬達(dá)到 120nm。文獻(xiàn)[NaderA. Issa 等人，Opt. Lett. ,2004,29(12) :1336 1338]研究表明具有橢圓空氣孔的光子晶體光纖能夠較容易的制備。單模單偏振光子晶體光纖能夠有效消除偏振模色散和偏振模式耦合，在高功率光纖激光器、光纖陀螺、傳感、光通信等各種領(lǐng)域得到了密切關(guān)注和廣泛應(yīng)用。單模單偏振光子晶體光纖研究的挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)更寬帶寬、色散平坦的單模單偏振運作。
發(fā)明內(nèi)容本專利申請?zhí)岢隽艘环N新型的由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形陣列的單模單偏振光子晶體光纖，實現(xiàn)了更寬帶寬、色散平坦的單模單偏振運作，從而為光纖偏振器、光子晶體傳輸光纖等實用化提供了支持，以補充上述文獻(xiàn)研究在帶寬方面和未涉及色散等方面的不足；并給出了所提出的單模單偏振光子晶體光纖的各種特性及各種參量隨入射波長變化規(guī)律。本專利申請解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本專利申請?zhí)岢龅膯文纹窆庾泳w光纖橫截面整體上是由純二氧化硅基質(zhì)和五環(huán)六角形格子橢圓空氣孔點陣組成，其中中間包層具有三排大橢圓空氣孔點陣，外包層具有由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形點陣。六角形格子橢圓空氣孔點陣使得光纖具有單模雙折射特性，中間包層具有三排大橢圓空氣孔點陣確保了 X偏振模的限制損耗足夠?。煌獍鼘右胗赏庀騼?nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形陣列有效地增加了 y偏振模的限制損耗，使y偏振模得到足夠的衰減，從而實現(xiàn)了更寬帶寬、色散平坦單模單偏振運用。本專利申請的有益效果是實現(xiàn)了更寬帶寬、色散平坦單模單偏振運用。在入射光波長1. 391 μ m至1. 6 μ m 范圍內(nèi)，該光纖呈現(xiàn)出寬帶寬、色散平坦特性，使其在超連續(xù)譜產(chǎn)生、脈沖傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。該光纖能夠在入射光1.4μπι到2μπι的較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)單模單偏振運用， 覆蓋了較寬的光纖通信波段范圍。
圖1是本專利申請單模單偏振光子晶體光纖的橫截面示意圖。圖2是入射光波長1. 550 μ m時χ和y偏振模的電場分布，箭頭表示偏振方向；橫向箭頭表征χ偏振模電場(a)，縱向箭頭表征y偏振模電場(b)。圖3所示是單模單偏振光子晶體光纖的有效折射率和模式雙折射隨入射光波長的變化。圖3 (a)中帶小圓圈和小方塊的實線分別表示χ和y偏振模的有效折射率隨入射光波長的變化，圖3 (b)中帶小三角形的實線表示模式雙折射(即y和χ偏振模的有效折射率之差)隨入射光波長的變化。圖4所示是限制損耗及其差值隨入射光波長的變化。圖4(a)中帶小圓圈和小方塊的實線分別是X和y偏振模的限制損耗隨入射光波長的變化，圖中采用半對數(shù)坐標(biāo)；圖 4(b)中實線是y偏振模和χ偏振模的限制損耗差值隨入射光波長的變化，圖中限制損耗差值采用半對數(shù)坐標(biāo)。圖5所示是單模單偏振光子晶體光纖色散(a)、有效模場面積(b)、數(shù)值孔徑(C) 和非線性系數(shù)(d)隨入射光波長的變化。圖5 (a)中點線所示為材料色散，點劃線所示是波導(dǎo)色散，實線所示是單模單偏振光子晶體光纖的總色散。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施對本專利申請進(jìn)一步說明。圖1是本專利申請單模單偏振光子晶體光纖的橫截面示意圖。該光纖整體上是由純二氧化硅基質(zhì)和五環(huán)六角形格子橢圓空氣孔點陣組成，其中中間包層具有三排大橢圓空氣孔點陣，外包層具有由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形點陣。六角形格子橢圓空氣孔點陣使得光纖具有單模雙折射特性，中間包層具有三排大橢圓空氣孔點陣確保了 X偏振模的限制損耗足夠小，外包層的短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形點陣有效地增加了 1偏振模的限制損耗，使y偏振模得到足夠的衰減，從而實現(xiàn)單模單偏振運用。圖中最內(nèi)層大矩形區(qū)域是純二氧化硅，橢圓表示空氣孔，外圍的實線矩形區(qū)域表示完美匹配層邊界，虛線區(qū)域內(nèi)是外包層中由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形點陣。大橢圓空氣孔沿χ和y軸的直徑分別表示為a和b，空氣孔的間隔為Λ = 1.8 μ m，橢圓比率為η = b/a = 2。其中，a = 0.5 Λ = 0. 9μπι, b = 2a = 1.8μπι0 二氧化硅和空氣孔的折射率分別是1. 45和1。短軸漸減橢圓空氣孔沿χ軸的直徑分別表示為ci、c2、c3* C4，沿y軸的直徑表示為d，其中C1 = 0. 65 μ m、c2 = 0. 55 μ m、c3 = 0. 45 μ m、c4 = 0. 35 μ m 禾口 d = b = 1. 8 μ m。在光纖中傳輸電磁場的模場特性可以通過改變這些空氣孔的形狀和空間分布來改變。圖2是入射光波長1. 550 μ m時χ和y偏振模的電場分布，箭頭表示偏振方向；橫向箭頭表征χ偏振模電場(a)，縱向箭頭表征y偏振模電場(b)。由圖2可以得到，χ和y偏振模的電場關(guān)于光纖中心χ和y軸是對稱分布的，y偏振模電場向包層的擴(kuò)展比χ偏振模電場向包層的擴(kuò)展更明顯。這表明χ偏振模的限制損耗比y偏振模的限制損耗小，也進(jìn)一步表明我們采用由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形點陣增加y偏振模衰減的有效性。在入射光波長1. 550 μ m時，模式雙折射為2. 852 X 10_3，拍長為0. 563mm ；χ和y偏振模的限制損耗分別是9. 041 X 10_2dB/km和21. 087dB/km ；若按照目前常規(guī)通信系統(tǒng)跨距80km、發(fā)射功率OdBm計算，經(jīng)過該光纖傳輸80km后，χ偏振模功率衰減至_7. 233dBm, y偏振模功率衰減到-1. 687 X 103dBm,而常規(guī)光譜儀等探測器件的實際背景噪聲為_60dBm左右，這樣，χ偏振?？梢员惶綔y并再放大，y偏振模在光纖傳輸中被衰減掉，從而實現(xiàn)單模單偏振運用；或者，經(jīng)過該光纖傳輸2. 85km后，y偏振模功率衰減超過60dB，y偏振模被衰減掉，從而實現(xiàn)單模單偏振運用；入射光波長1. 550 μ m時，χ偏振模的數(shù)值孔徑為0. 415，有效模場面積為 3. 674 μ m2，非線性系數(shù)為28. 685W_7km。隨著入射波長的增加，y偏振模在更短的光纖傳輸后被衰減掉，可廣泛應(yīng)用于不同的光纖器件中。圖3所示是單模單偏振光子晶體光纖的有效折射率和模式雙折射隨入射光波長的變化。圖3 (a)中帶小圓圈和小方塊的實線分別表示χ和y偏振模的有效折射率隨入射光波長的變化，圖3 (b)中帶小三角形的實線表示模式雙折射(即y和χ偏振模的有效折射率之差)隨入射光波長的變化。圖3可以得到，單模單偏振光子晶體光纖的χ和y偏振模的有效折射率隨入射光波長的增加而減小；在圖3所示入射光波長范圍內(nèi)，x、y偏振模的有效折射率隨波長增加而減??；對應(yīng)同一入射光波長，y偏振模的有效折射率比χ偏振模的有效折射率要大，兩者之差隨入射光波長的增加而增加。也就是說模式雙折射隨入射光波長的增加而增加；當(dāng)入射光波長2 μ m時，模式雙折射可高達(dá)6. 258X 10_3。圖4所示是限制損耗及其差值隨入射光波長的變化。圖4(a)中帶小圓圈和小方塊的實線分別是X和y偏振模的限制損耗隨入射光波長的變化，圖中采用半對數(shù)坐標(biāo)；圖 4(b)中實線是y偏振模和χ偏振模的限制損耗差值隨入射光波長的變化，圖中限制損耗差值采用半對數(shù)坐標(biāo)。由圖4可得，χ和y偏振模的限制損耗隨入射光波長增加迅速增加；在圖4所示入射光波長范圍內(nèi)，x、y偏振模的限制損耗隨波長增加而增加。對應(yīng)同一入射光波長，y偏振模的限制損耗比χ偏振模的限制損耗明顯要大；y偏振模的限制損耗與χ偏振模的限制損耗的差值隨入射光波長的增加而呈指數(shù)迅速增加。該光纖是折射率引導(dǎo)型光子晶體實芯光纖，其導(dǎo)光機(jī)制與傳統(tǒng)光纖的全內(nèi)反射機(jī)制類似。通過在包層中引入空氣孔，降低包層的有效折射率n。lad，使得纖芯折射率ncore大于包層折射率n。lad，其導(dǎo)光模式折射率nm。de 滿足n。_ > nffl0de > n。lad，從而光纖對導(dǎo)光模式形成全內(nèi)反射。當(dāng)入射光波長小于包層中空氣孔尺寸時，空氣孔阻礙入射光向包層的泄露作用加強，光纖的限制損耗減?。划?dāng)入射光波長大于包層中空氣孔尺寸時，入射光經(jīng)過空氣孔向包層的衍射作用加強，空氣孔阻礙入射光向包層的泄露作用減弱，光纖的限制損耗增大；同時，在y方向的外包層短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形點陣有效地增加了 y偏振模的限制損耗，使y偏振模得到足夠的衰減，從而實現(xiàn)單模單偏振運用。按照圖2介紹中關(guān)于單模單偏振運用原理的討論，可在入射光波長從1.4μπι至2μπι范圍內(nèi)容易地實現(xiàn)單模單偏振運用。圖5所示是單模單偏振光子晶體光纖色散(a)、有效模場面積(b)、數(shù)值孔徑(C) 和非線性系數(shù)(d)隨入射光波長的變化。圖5 (a)中點線所示為材料色散，點劃線所示是波導(dǎo)色散，實線所示是單模單偏振光子晶體光纖的總色散。光纖色散在光通信系統(tǒng)中具有重要作用，色散平坦特性是波分復(fù)用系統(tǒng)一個重要特性。圖5可以得到，材料色散隨入射光波長增加逐漸增加，波導(dǎo)色散在入射光波長Iym至1.3μπι范圍內(nèi)隨波長增加幾乎不變，在 1. 3 μ m至2 μ m隨波長增加而減小，導(dǎo)致光纖總色散在入射光波長從1. 391 μ m至1. 624 μ m 的233nm范圍內(nèi)非常平坦；在1. 391 μ m處的色散值為119. OlOps/(km · nm)，在1. 507 μ m 處光纖具有色散最大值121.003pS/(km*nm)，在1.6Μμπι處的色散值為119. 028ps/ (km · nm)；該光纖從1. 391 μ m至1. 6M μ m范圍內(nèi)的色散平坦度(研究波段范圍內(nèi)最大值與最小值之差)為1.993pS/(km*nm)，優(yōu)于文獻(xiàn)[苑金輝等人，光電子·激光，2008， 19(8) :1007 1010]的0. 83 μ m至1. 02 μ m范圍內(nèi)的色散平坦度9ps/(km · nm)，比文獻(xiàn) [T. Yamamoto 等人，Opt. Express, 2003，11 (13) :1537 1540]的 1·480μπι至 1·580μπι 范圍內(nèi)的色散平坦度2ps/(kmTim)要好；該光纖的色散平坦范圍233nm遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[苑金輝等人，光電子·激光，2008，19 (8) :1007 1010]的 190nm 和文獻(xiàn)[T. Yamamoto 等人，Opt. Express, 2003,11 (13) :1537 1540]的lOOnm。這種寬帶寬、色散平坦特性使得該光纖在通信系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價值，如脈沖傳輸和超連續(xù)譜產(chǎn)生等。光纖的有效模場面積隨入射光波長增加而增加。光纖的數(shù)值孔徑隨入射光波長增加而增加。光纖的非線性系數(shù)隨入射光波長增加而減小?？傊?，本專利申請?zhí)岢龅墓庾泳w光纖結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)寬帶寬、色散平坦單模單偏振運用的有效方案。在入射光波長1. 550 μ m時，單模單偏振光子晶體光纖的模式雙折射高達(dá)2. 852X 10_3，拍長為0. 563mm ；χ偏振模的限制損耗是9. 041 X 10_2dB/km，y偏振模的限制損耗為21. 087dB/km ；對比χ偏振模損耗情況，y偏振?？梢栽诤芏痰墓饫w中被衰減掉，從而實現(xiàn)單模單偏振運用；x偏振模的數(shù)值孔徑為0. 415，有效模場面積為3. 674 μ m2，非線性系數(shù)為28. 685W_7km。在入射光波長1. 391 μ m至1. 6M μ m范圍內(nèi)，該光纖呈現(xiàn)出寬帶、色散平坦特性，使其在超連續(xù)譜產(chǎn)生、脈沖傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。該光纖能夠在入射光 1. 4μ m到2 μ m的較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)單模單偏振運用，覆蓋了較寬的光通信波段。
權(quán)利要求1.一種由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形陣列的單模單偏振光子晶體光纖，其特征是橫截面整體上是由純二氧化硅基質(zhì)和五環(huán)六角形格子橢圓空氣孔點陣組成，其中中間包層具有三排大橢圓空氣孔點陣，外包層具有由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形點陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模單偏振光子晶體光纖，其特征在于所述光纖的五環(huán)六角形格子橢圓空氣孔點陣中，橢圓空氣孔的間隔為1.8μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模單偏振光子晶體光纖，其特征在于所述光纖中，大橢圓空氣孔短軸直徑為0. 9 μ m，長軸直徑為1. 8 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模單偏振光子晶體光纖，其特征在于所述光纖的由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形點陣中，長軸直徑仍為1.8 μ m，短軸直徑依次漸減為 0. 65 μ m、0. 55 μ m、0. 45 μ m 禾Π 0. 35 μ m。
專利摘要本實用新型涉及一種光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具體涉及一種由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形陣列的單模單偏振光子晶體光纖。本實用新型提出在光子晶體光纖結(jié)構(gòu)中引入由外向內(nèi)短軸漸減橢圓空氣孔雙三角形陣列實現(xiàn)了寬帶寬、色散平坦單模單偏振運用；該光纖能夠在入射光波長1.4μm到2μm范圍內(nèi)實現(xiàn)寬帶寬、單模單偏振運用；在入射光波長1.39μm至1.624μm范圍內(nèi)，光纖呈現(xiàn)出寬帶寬、色散平坦特性；使其在超連續(xù)譜產(chǎn)生、脈沖傳輸、光通信等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
文檔編號G02B6/024GK202093201SQ20112016480
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者于會山, 劉山亮, 鄭宏軍, 黎昕 申請人:聊城大學(xué)