一种新型等孔径纯圆孔高双折射光子晶体光纤

摘要

本发明请求保护一种新型等孔径纯圆孔的高双折射光子晶体光纤，包层呈周期分布在背景材料中的多个圆形空气孔构成，每相邻的四个空气孔构成一个菱形，且包层中各个空气孔直径相同，间距一致。靠近纤芯的6个圆形空气孔两两间距一致，空气孔直径与包层中的空气孔直径一致。制成包层与纤芯中均为圆形空气孔，且孔直径一致的新型光子晶体光纤。等孔径、纯圆孔的结构大大降低了光纤拉制难度，易于制造且在拉制过程中不易变形。通过改变包层空气孔的直径与孔间距，该光子晶体光纤可在很宽范围内保持单模传输，模式双折射比普通高双折射光纤高2个数量级。研究结果表明，该发明的光子晶体光纤结构简单，性能优异，可被广泛应用于光通讯和光传感领域。

说明书

技术领域

本发明属于光纤领域，具体是一种新型等孔径纯圆孔高双折射光子晶体光纤。

背景技术

近年来，由于光子晶体光纤(photonic crystal fibers，PCFs)可以通过灵活变动横截面结构来实现很多传统光纤不具备的特性，越来越多的科研工作者开始从事光子晶体光纤的研究。PCFs可实现无限单模传输、高双折射、高非线性、超平坦色散、低限制损耗和大有效模场面积等特性。目前，PCFs被广泛用于光通信、非线性光学及光纤传感等领域。高双折射的PCFs在制作保偏光纤及高性能激光器等方面具有重要的应用，然而传统保偏光纤仅能获得10^-4数量级的双折射，已无法满足光通信高速发展的需求，因此探寻高双折射的光纤成为PCFs领域的一个热点。高双折射光子晶体可由纯石英材料制作，并可设计不同的结构改进光纤的性能，具有传统高双折射光纤无法比拟的优越性。高双折射光子晶体光纤的结构设计灵活，通过在包层中引入大小不一的空气孔、改变纤芯或者包层空气孔的形状，都可以获得性能优越的高双折射光子晶体光纤。

一般情况下，光子晶体光纤主要是由三角晶格构成的六重对称结构，在理论上此类结构的PCFs的基模是简并的，因此通过破坏包层或纤芯对称性可以提高PCFs的双折射，其数值达10^-3数量级。为了进一步提高PCFs的双折射，M.J.Steel(文献Steel>-2数量级，但是光纤的束光能力不强，限制损耗较大。为了克服这个缺点，有人提出了包层采用圆形孔，纤芯引入椭圆孔的混合结构，虽然这种结构的PCFs可以同时获得高双折射和低限制损耗，但是制备难度较高，无法轻易实现。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种大大降低了光纤拉制难度，易于制造且在拉制过程中不易变形的新型等孔径纯圆孔高双折射光子晶体光纤。本发明的技术方案如下：

一种新型等孔径纯圆孔高双折射光子晶体光纤，所述光纤的横截面包括包层与纤芯，所述纤芯设置在中心位置，包层呈扩散状包围在纤芯周围，所述包层包括空气孔和背景材料，所述光纤轴向有规律地排列着许多空气孔，所述的空气孔沿光纤轴线平行排列，所述光纤的横截面上的空气孔在光纤背景材料中呈周期性排列，其所述空气孔的上相邻排位置及下相邻排位置均不设置空气孔，间隔排的空气孔相互对准，所述包层折射率低于纤芯折射率，每相邻的四个空气孔构成菱形。

进一步的，所述纤芯区域设置有两排共6个空气孔，且两两间距一致，纤芯空气孔直径与包层中的空气孔直径一致。

进一步的，所述包层中各个空气孔和纤芯空气孔均为圆孔。

进一步的，所述背景材料采用SiO₂或者聚合物材料。

进一步的，所述包层中空气孔的间距为Λ，靠近纤芯区域的空气孔间距横向间距表示为Λ_x、纵向间距表示为Λ_y。

进一步的，所述空气孔直径d＝0.7um，孔间距Λ＝2.232um，Λ_x＝2.860um，Λ_y＝1.876um，波长λ＝1550nm时，双折射B＝3.42×10^-3。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出了一种新型等孔径纯圆孔的高双折射光子晶体光纤，等孔径、纯圆孔的结构大大降低了光纤拉制难度，易于制造且在拉制过程中不易变形。通过改变包层空气孔的直径与孔间距，该光子晶体光纤可在很宽范围内保持单模传输，模式双折射比普通高双折射光纤高2个数量级。研究结果表明，该发明的光子晶体光纤结构简单，性能优异，可被广泛应用于光通讯和光传感领域，并且由于光纤的双折射是通过改变空气孔的几何尺寸实现的，温度的影响极小，稳定性好，因此更适合实际应用。

目前大多数高双折射光子晶体光纤的制作难度大，且包层空气孔形状间距等都是不规则的，本发明的创新点在于在光子晶体光纤中引入了一种孔径相等，形状统一的圆形空气孔，并且具有高双折射的特性，该种结构大大降低了光纤的拉制难度，并且在拉制过程中不容易变形。对实际工程应用具有重大意义。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的本发明实施例的等孔径纯圆孔的高双折射光子晶体光纤横截面示意图；

图2为具体实施例中光子晶体光纤的色散曲线以及模式双折射B随波长变化关系图；

图3为具体实施例中光子晶体光纤计算得到的模式双折射B随空气孔直径d变化关系图；

图4为具体实施例中光子晶体光纤计算得到的模式双折射B随孔间距的变化关系图。图4a为模式双折射B随包层空气孔孔间距Λ的变化趋势图，图4b为为模式双折射B随包层空气孔孔间距Λ_x的变化趋势图，图4c为为模式双折射B随包层空气孔孔间距Λ_y的变化趋势图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种新型等孔径纯圆孔的高双折射光子晶体光纤，包括有包层和靠近纤芯区域1，包层由靠近纤芯区域1的和呈周期分布在背景材料2中的多个空气孔3构成，包层中每相邻四个空气孔3构成一个菱形，且包层中各个空气孔3的直径相同，均为圆形形状。

以SiO₂为背景材料设计了一种新型等孔径纯圆孔的高双折射光子晶体光纤。包括纤芯和包层，所述包层设置在纤芯外围区域，包层折射率低于纤芯折射率，在背景材料2上按照周期布置有一组空气孔结构，每相邻的四个空气孔单元构成一个菱形；在靠近纤芯区域1中引入两两平行的空气孔；包层中圆形空气孔3的直径为d；包层由在背景材料2中周期排列的空气孔及周边的背景材料2构成；包层中空气孔的间距为Λ；靠近纤芯区域1空气孔间距为Λ_x、Λ_y。

此光子晶体光纤的双折射随波长的增大而增大，其色散曲线以及模式双折射B如图2所示。

在本实施例中包层中空气孔3的直径d分别取0.4um，0.5um，0.6um，0.7um，在该参数下得到的光子晶体光纤的模式双折射B如图3所示。

在本实施例中包层中空气孔3的直径d＝0.7um，包层中空气孔的间距为Λ分别取2.032um，2.132um，2.232um，2.332um，2.432um，靠近纤芯区域1空气孔间距为Λ_x分别取3.16um，3.06um，2.96um，2.86um，2.76um、Λ_y分别取2.276um，2.176um，2.076um，1.976um，1.876um。在该参数下得到的光子晶体光纤的模式双折射B如图4所示。

由图3、图4可以看出，在空气孔直径d＝0.7um，孔间距Λ＝2.232um，Λ_x＝2.860um，Λ_y＝1.876um，波长λ＝1550nm时，双折射B＝3.42×10^-3。比普通保偏光纤的双折射高出两个数量级。

波长λ＝1330nm时，，X偏振方向的约束损耗为1.893e^-13，Y偏振方向的约束损耗为4.8633e^-14，两个方向约束损耗相差1.35267e^-13，可认为这两个模式是可以同时传输的。同样，在波长λ＝1550nm时，X偏振方向的约束损耗为1.488e^-11，Y偏振方向的约束损耗为8.415e^-12，两个方向约束损耗相差0.6465e^-11，可认为这两个模式是可以同时传输的。

在实际光纤拉制过程中，圆孔会有一定的变形，这对光纤的双折射是有一定的影响的。将空气孔设置为a轴＝0.7um，b轴＝0.71um时，在λ＝1550nm时，B＝0.0021，与原来圆形空气孔直径为d＝0.7um时B＝0.0020相差0.01％，所以实际拉制中本发明结构椭圆度产生的双折射误差是在可接受范围内的。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。