一种纳米空气孔传光的多孔芯光子晶体光纤

摘要

一种纳米空气孔传光的多孔芯光子晶体光纤，所述光纤由纤芯空气孔、包层空气孔和基质材料三部分组成；在基质材料的中心加工至少一个纤芯空气孔形成纤芯部分；在基质材料中围绕纤芯部分加工包层空气孔形成包层部分，包层空气孔按照正六角形多层紧密排列结构进行加工，包层空气孔的孔距相等；包层空气孔的孔径大于纤芯空气孔的孔径；纤芯部分的空气填充率小于包层的空气填充率，纤芯部分的等效折射率大于包层等效折射率。本发明具有低损耗、宽带传输特性，多个空气孔传光具有相干性，并可以相互耦合。

说明书

技术领域

本发明涉及空芯光子晶体光纤技术领域，尤其是一种纳米空气孔传光的多 孔芯光子晶体光纤。

背景技术

基于全内反射原理的传统光波导中，光不可能在空气这样的低折射率材料 中长距离传输。虽然通过多层介质或光子晶体的反射，可以实现低折射率介质 的光传输，但是这种结构光纤只能传输特定的波长，且模场面积较大会导致光 强减弱。

光子晶体光纤的出现为光学领域的研究注入了新的活力，它是基于光子晶 体技术发展起来的一种新型光纤，其包层由在基质中二维方向上紧密排列而在 轴向结构不变的波长量级空气孔组成，纤芯有一个破坏了包层周期性的缺陷构 成，这个缺陷通常是与包层不同大小的石英材料或空气孔。光子晶体光纤呈现 出许多传统光纤难以实现的特性，如大模面积单模特性、高非线性、色散可调 性、光子带隙、高双折射特性等，因而受到了广泛关注，成为近年来光学与光 电子学研究的一个热点。

从微米到毫米直径的光波导在光通信、传感及能量传输等方面都已广泛应 用,还有很多方面的应用需要降低光波导的直径，但是由于精度要求较高，制备 低损耗、纳米尺度的光波导是很困难的。最近，制备出了亚微米及纳米尺度的 光纤，这些直径小于一个微米的纳米光纤是常用微米尺度光纤的几十分之一到 几千分之一。它们可以用作空气包层的纳米直径的线波导，也可以用于微米或 纳米尺度的光子器件。

这些实芯光纤的传导特性已经有了很多研究，但是空芯光纤的传导特性研 究还很少。最初光在低折射率材料中传输是由于两种折射率差很大的材料交界 面的电场差产生的，但是其损耗较高，只能在几厘米长度范围内应用。另一方 面，空芯光子带隙型光纤可以在空气芯中传光，并且损耗很低，但是这种光纤 只能传输特定波长的光，且空气芯较大(10μm左右)，导致光强降低，限制了 其应用。日本的K.Saitoh和法国B.Kibler等人理论模拟了纤芯中心带有微小空 气孔的光子晶体光纤传输传输特性，得到这种光纤具有色散平坦、低损耗、小 的模场面积等特性，在色散控制、光孤子传输及非线性方面具有应用价值，但 是这种光纤只是纤芯中的石英材料传光，而中心空气孔没有光强分布。

实芯光子晶体光纤可以使强光在微小纤芯中长距离传输，但是当纤芯直径 进一步缩小时，光在波导中传输最终受到衍射的限制，衍射作用使光从高折射 率纤芯中散射出去。后来实验证明这种散射光可以被局域到纤芯中纳米尺度的 微小空气孔中，形成强化倏逝场，可以在光子晶体光纤的纤芯内小于200nm的 纳米级空气孔中传输，且损耗很低。在光子晶体光纤纤芯中引入多个纳米及空 气孔，同样可以得到空气孔中的光传输，光在空气孔中高强度、长距离传输,可 以为光与物质的相互作用及非线性光学的研究提供新的条件。

发明内容

本发明目的在于提供一种限制损耗小、不受光子带隙限制、光强密度大、 纳米级空气孔长距离传输的纳米空气孔传光的多孔芯光子晶体光纤。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述光纤由纤芯空气孔、 包层空气孔和基质材料三部分组成；在基质材料的中心加工至少一个纤芯空气 孔形成纤芯部分；在基质材料中围绕纤芯部分加工包层空气孔形成包层部分， 包层空气孔按照正六角形多层紧密排列结构进行加工，包层空气孔的孔距相等； 包层空气孔的孔径大于纤芯空气孔的孔径；纤芯部分的空气填充率小于包层的 空气填充率，纤芯部分的等效折射率大于包层等效折射率。

进一步的，所述纤芯空气孔的孔径为100～800nm。

进一步的，所述多个纤芯空气孔可采用一字形或三角形或六角形的排列结 构。

进一步的，所述包层空气孔的孔径为1000～3000nm。

进一步的，所述包层空气孔的层数为4～10层。

进一步的，所述基质材料为柱状的石英或玻璃或聚合物材料。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、纤芯多个低折射率空气孔可以同时传光、限制损耗可以小于0.01dB/m。

2、通过设计合适的纤芯和包层空气孔填充率，可以获得单模、宽带传输， 不受光子带隙限制。

3、由于空气孔很小，光强密度可以很大。

4、空气孔之间的距离较近，多个空气孔传光具有相干性，并可以相互耦合。

附图说明

图1是本发明的端面结构图。

图2是本发明纤芯部分的结构图。

图3是本发明纤芯部分的7个纳米级纤芯空气孔的模场分布图。

图4是空气孔部分的光强占总光纤端面的光强比例随波长的变化图。

图5是光纤限制损耗随波长的变化图。

图6是本发明纤芯部分的19个纳米级纤芯空气孔的模场分布图。

附图标号：1-基质材料；2-包层空气孔；3-纤芯空气孔；Λ-包层空气孔的孔距； d-包层空气孔的孔径；Λ_c-纤芯空气孔的孔距；d_c-纤芯空气孔的孔径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1和2所示，所述光纤由纤芯空气孔3、包层空气孔2和基质材料1三 部分组成；以柱状的石英基质作为基质材料，在基质材料的中心加工至少一个 纤芯空气孔形成纤芯部分；在基质材料中围绕纤芯部分加工包层空气孔形成包 层部分，包层空气孔按照正六角形多层紧密排列结构进行加工，包层空气孔的 孔距相等；包层空气孔的孔径大于纤芯空气孔的孔径；纤芯部分的空气填充率 小于包层的空气填充率，纤芯部分的等效折射率大于包层等效折射率。

纤芯部分是在纯石英材料中引入7个大小相同的圆形纤芯空气孔，纤芯空 气孔成六角形对称排列，纤芯空气孔的直径d_c为500nm，纤芯空气孔的孔距Λ_c为560nm。外部包层是在纯石英材料中由若干包层空气孔按照六角形多层紧密 排列形成的微结构构成，包层空气孔层数为8层，包层中的包层空气孔直径d 为1500nm，包层空气孔的孔距Λ为1600nm。

纤芯部分的空气填充率略小于包层的空气填充率，并且纤芯的等效折射率 略大于包层等效折射率，形成基于全内反射传输的光子晶体光纤，通过合理设 计纤芯与包层的空气孔大小及间距，可以保证光纤单模传输。并且可以采用有 限元方法进行理论计算，得到本发明的多孔芯光纤模场分布特性和损耗特性。

在通信波段1550nm波长，本发明的7孔芯光子晶体光纤的纤芯区域模场分 布如图3所示，图中包括圆形空气孔与石英的边界线、模场强度的等位层分布。 从图中可以看出，纤芯空气孔内的光强分布较均匀，纤芯空气孔区域的光强密 度可以大于纤芯石英区域的光强密度。通过计算得到，850-1600nm波长范围， 纤芯空气孔内光强占总光纤端面总光强的比例如图4所示，纤芯空气孔区域的 光强与光纤端面总光强之比在31％-39％范围内。

图5表示本发明的8层包层空气孔的7孔芯光子晶体光纤的限制损耗随波 长的变化规律。在1100-1600nm范围内，限制损耗都小于0.01dB/m。并且光纤 为单模传输。

当纤芯空气孔的直径d_c为500nm，纤芯空气孔的孔距Λ_c为560nm，包层空 气孔的直径d为1500nm，包层空气孔的孔距Λ为1600nm时，本发明的多孔芯 光子晶体光纤低损耗、宽带单模传输范围为1100-1600nm。通过光纤结构参数的 放大或缩小，传输光的中心波长也会按比例放大或缩小。

图6为纤芯内包括19个纤芯空气孔的光子晶体光纤的纤芯部分模场分布 图，纤芯空气孔的光强分布较均匀，且光强密度较大，同样得到了多个纳米级 空气孔传光。纤芯空气孔的数量可以是任意个数，可以得到类似的空气孔传光 效果。

由于其特殊的传光物理机制，纤芯空气孔可以高强度、长距离传光，为光 与物质的相互作用及非线性光学提供了新的条件。(1)为光传感方面的研究提供 新途径，大幅提高传感灵敏度。在光子晶体光纤的纤芯空气孔中充入CH₄、SO₂、 NO₂、CO₂等物质，利用空气孔传光，进行环境、生物、化学等方面的光谱传感 研究。(2)在纤芯纳米量级的纤芯空气孔中冲入活性介质、非线性材料，强光与 填充物质的长距离相互作用，可以进行激光传输、原子激发、非线性光学通信 器件等方面的研究。(3)对低折射率纳米空气孔传光的物理本质进行研究，分析 光在空气孔中的模式及存在的状态，分析其小尺寸效应、量子效应、表面效应 和界面效应，得到了普通材料没有的特殊光学性能，如光吸收、能量损耗、光 反射和光学非线性等。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发 明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员 对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定 的保护范围内。