一种高非线性的单偏振单模光子晶体光纤

摘要

一种高非线性的单偏振单模光子晶体光纤，横断面包括纤芯和包层。包层为与普通光子晶体光纤一致的由相同结构空气孔(2)均匀分布形成的外围区域。纤芯由位于光纤端面中心的基底材料(1)和四个排列紧密、互不交叠、呈矩形分布的大椭圆率空气孔(3)共同构成。本发明通过细微调整空气孔(3)的中心间距可以调节基模两个偏振模式的截止特性，使其中一个偏振模式在应用的波段内截止，实现大带宽的单偏振传输。同时空气孔(3)抑制了高阶模的产生，在保证光纤单模传输特性不变的前提下允许包层使用更大空气填充率，降低了模场面积和限制损耗。本发明解决了现有光子晶体光纤技术中，高非线性、低限制损耗与宽带单偏振单模特性三者无法兼顾的问题。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种光子晶体波导结构，具体涉及一种高非线性的单偏振单模光子晶体光纤。

背景技术

光子晶体光纤又称为多孔光纤或微结构光纤。在光纤端面上，规则排列的许多尺寸在波长量级的空气孔在基底材料中延轴向伸长，在光纤的中心位置缺失一个空气孔，代之以实心的光纤基底材料，或者插入折射率高于基底材料的其他材料形成导光的芯，而外围空气孔在基底材料中呈均匀排列形成包层，光场基本被限定在中心位置高折射率区域，这类光纤也可以认为是通过全内反射原理导光，因此又称为全内反射型光子晶体光纤。通过调节包层空气孔大小，孔间距大小、中心实体的大小、中心实体的折射率，可以使光子晶体光纤具有灵活多样的双折射、非线性和色散特性。其中非线性特性主要与光场有效模场面积和光纤基底材料的非线性折射率有关。一般认为，包层空气孔占空比越大，包层对光场的束缚能力越强，光场的有效模场模场面积越小，光纤非线性系数越大。

已有大量的研究证明，高双折射光子晶体光纤的两个基偏振模的折射率差别较大，因此可以通过进一步优化包层结构来使其中折射率较低的偏振模式的限制损耗升高直至该模式被截止，从而实现在一定波长范围内的单偏振单模传输，这样的单偏振单模光纤在光纤通信系统以及光纤传感系统中有着非常广阔的应用前景。

但是，通过设计包层结构使一个基模偏振模式被截止的同时，也造成了光子晶体光纤局域光的能力的大幅下降，从而造成未被截止的另一个基模偏振模式通常具有较大的有效模场面积和较大的限制损耗。大模场面积可以降低光纤的非线性效应，在一些传统的高功率应用条件下有广泛的应用。但随着以全光信号处理等新技术为代表的新兴光产业的发展，高非线性单偏振单模光纤的应用领域日益拓展，成为新技术关注的热点。这就给传统的单偏振单模光子晶体光纤设计提出了新的难题。另一方面，传统单偏振单模光纤中基模较大的限制损耗也限制了其有效单偏振单模的传输距离和带宽，使得宽带单偏振单模传输难以实现。

本发明从同时获得单偏振特性和高非线性以及便于加工制造的角度出发，提出了一种新型在芯区使用四个排列紧密呈矩形分布的大椭圆率空气孔的光子晶体光纤。本发明提出的高非线性的单偏振单模光子晶体光纤，彻底解决了传统的在高双折射的基础上通过优化包层结构实现单偏振单模光子晶体光纤在实现单偏振单模特性的同时，无法兼顾小模场面积与低限制损耗的矛盾，能够方便地在很宽的光谱范围内实现单偏振传输并且具有较高的非线性系数，在光纤通信系统以及光纤传感领域等方面有广阔的应用前景。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是以纤芯处排列紧密的四个大椭圆率空气孔取代中心空气孔后，通过细微调整所述空气孔的间距，实现对基模截止特性的调节，最终在一定波长范围内实现只有一个偏振模式截止，另一个偏振模式仍然可以传输，从而获得支持单偏振单模传输的光子晶体光纤。

本发明的目的是：解决目前的包层结构不对称的单偏振单模光子晶体光纤中单偏振单模传输特性与小模场面积及低限制损耗特性无法同时兼顾的困难，提供一种结构简单并容易制作的高非线性的单偏振单模光子晶体光纤。

技术方案

本发明的基本原理为：为实现高非线性(小模场面积)，光子晶体光纤利用其周期性结构的包层，将光场集中到光纤端面中心区域传输。包层结构空气孔的占空比越大，对光场的束缚越强，光纤的有效模场面积和限制损耗越低。同时，在纤芯区域使用紧密排列的大椭圆率空气孔形成新的内包层，一方面降低了芯区的平均折射率，抑制了高阶模式，使得单模特性在外包层大空气填充率情况下仍然保持；另一方面，利用内包层椭圆空气孔的形状不对称性，在中心间距很小的情况下，使得短轴方向上空气孔外缘的间距相对较大，从而使得基模延短轴方向分布的偏振态的模场在较短波长处被截止，而延长轴方向分布的偏振态的模场仍可以传输，最终实现覆盖通信波段的超宽带单偏振单模传输。相比于普通光子晶体光纤，本发明利用四个紧密排布的大椭圆率空气孔取代了普通光子晶体光纤中心缺失的大空气孔。通过细微调整所述四个空气孔的空间分布，可以对基模的截止特性实现精细的调节。由于椭圆形状本身的不对称性，在中心间距一定的情况下，椭圆孔外缘在其长短轴方向上的间距也不同。当椭圆率较大时，椭圆短轴方向上的外缘间距要比长轴方向上外缘间距大得多。这种情况下，即使中心间距较小，但由于短轴方向上空气孔外缘间距相对较大，基模中沿椭圆长轴方向分布的偏振模不再截止，而与之垂直的另一个偏振模式则仍然截止。于是在一定结构条件下，所述的光子晶体光纤可以在较大波长范围内提供单偏振单模的传输。芯区内包层另一方面也降低了芯区的平均折射率从而抑制了高阶模式的传输，进而使得光纤包层结构可以使用更大的空气占空比而单模特性仍可维持，这可以有效地降低限制损耗和模场面积。

本发明提出的一种高非线性的单偏振单模光子晶体光纤，光纤的横断面包括纤芯和包层。所述的包层与普通光子晶体光纤一致，为包围纤芯的均匀分布着相同结构空气孔的外围区域，所述的空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，尺寸为波长量级，每相邻的三个空气孔单元构成一个正三角形。包层结构的空气孔直径与中心间距的比值不大于0.76，以实现覆盖通信波段的单模传输特性。所述的纤芯由位于光纤端面中心部位的光纤基底材料和四个呈矩形分布的紧密排列互不交叠的大椭圆率空气孔构成，所述椭圆空气孔的长轴方向须与其矩形分布的长或者宽的方向平行，其长轴直径不大于包层空气孔中心间距的0.45倍，短轴直径不小于300纳米以避免光场集中在空气孔中传播。所述大椭圆率空气孔的长短轴比值不小于2，在其短轴方向上的最小中心间距不小于包层空气孔中心间距的0.45倍，在其短轴和长轴方向上的中心间距均不大于包层空气孔中心间距的0.5倍，以保证基模在光纤端面的中心区域延椭圆孔长轴方向的偏振模式得以支持，同时另一个垂直的偏振模式被截止。

有益效果

本发明所述的光子晶体光纤的有益效果主要体现在：在纤芯区域内包层的帮助下，对称的周期性包层结构可以使用较高的空气填充率，从而将光场很好地束缚在纤芯区域，加之由内包层对模场的进一步束缚，可以获得小模场面积和低限制损耗。纤芯区域只使用四个相对大尺寸的空气孔，在实现超宽带单偏振传输并抑制高阶模式的同时，兼顾了实际制作的方便，从而最终获得可行的高非线性的超宽带单偏振单模光子晶体光纤。具有制作简单、便于实现，同时单偏振特性、非线性特性和损耗特性优异的特点，可以用来实现高非线性的超宽带单偏振单模光纤及其相关器件。

附图说明

图1是本发明一个实施例的横截面示意图，其中有：光纤基底材料1、包层中的空气孔2；纤芯处呈矩形紧密排布的椭圆形空气孔3；

图2是图1示例的光子晶体光纤在1.55μm波长处的单偏振单模的模场分布图；

图3是图1示例的光子晶体光纤的主要特性图，包括色散曲线和限制损耗特性。

具体实施方式

实施例：

参照附图1～3，一种在纤芯区域使用四个排列紧密的呈矩形分布的大椭圆率空气孔的光子晶体光纤，端面结构如图1所示，光纤的基底材料1为石英，1.55μm处折射率为1.4457，包层中空气孔2按照本技术领域公知的普通光子晶体光纤通常采用的正三角形规则在基底材料1中均匀排列，每个空气孔2的直径为d＝0.76Λ，其中Λ＝2.2μm为相邻空气孔的中心间距。纤芯区域呈矩形分布的小空气孔横截面为椭圆形，其长轴为a＝0.45Λ，短轴为b＝0.2Λ，椭圆孔垂直方向上中心间距为Λ₁＝0.5Λ，水平方向上中心间距为Λ₂＝0.5Λ。利用配合完全匹配层的全矢量有限元法分析可得，所述光子晶体光纤在1.55μm波长处的模场分布如图2所示，此时基模的x偏振模式以及其他高阶模式均已截止，图示的基模y偏振模式的有效折射率为1.322548-4.465161×10^-12i。由此计算的所述光纤模式的限制损耗为0.1dB/km，模场面积为6μm²。根据基底材料1的非线性折射率(2.6x10^-20m²/W)，可进一步计算得到所述光子晶体光纤的非线性系数为18W^-1km^-1。上述结构的光子晶体光纤在不同波长处的色散及其限制损耗特性如图3所示。在内包层的帮助下，基模的x偏振模式于0.6μm波长处截止，而二阶模的y偏振模式于1.1μm波长处截止。因此当波长大于1.1μm时，所述光子晶体光纤支持单偏振单模传输。在长波长方向，单偏振单模传输主要受限于限制损耗的增大。本实施例中，在1.1μm-1.62μm波长范围内，限制损耗均小于0.24dB/km，可以应用于光通信、传感等多种领域。此时所述的光子晶体光纤的单偏振单模带宽为520纳米(1.1μm～1.62μm)，已覆盖整个常用通信波段。