一种用于产生中红外超连续谱的色散平坦的实芯Bragg光纤结构

摘要

本发明是一种产生中红外超连续谱的色散平坦的Bragg光纤结构设计，此结构采用高、低折射率材料在光纤径向交替周期性排列，最内层是折射率为2.04的碲酸盐高折射率纤芯层，第一包层是折射率为2.02的低折射率碲酸盐材料，第二包层是与最内层相同的高折射率材料，两种低、高折射率包层材料交替周期性排列形成一维光子晶体结构，通过全反射和布拉格反射导光。由于其波导色散是因为传播常数对波长的依赖，通过合理设计高折射率实芯Bragg光纤结构，实现1.064μm窗口附近的超平坦色散特性，并作为产生中红外超连续谱装置的光纤介质，达到输出中红外超连续谱的目的。

说明书

技术领域

本发明属于光纤设计领域，是一种带隙型实芯光子晶体光纤的结构设计。具体为一种色散平坦的，可产生中红外超连续谱的实芯光纤。

背景技术

Bragg光纤是一种基于光子带隙机理导光的新型的一维光子晶体光纤，这种光纤的径向存在周期性的折射率分布。传统的Bragg光纤由空气孔纤芯和高低折射率介质层交错排列的包层区两部分组成，其包层中周期性结构形成禁带，入射光的频率落在光子带隙中时，在包层区由于Bragg反射，可以将光束限制在纤芯中传输。Bragg光纤有两个优势，不仅可以将光束在折射率最低的空气芯中无损传输，具有非常低的传输损耗，而且其结构参数可调。近年来，国外在Bragg光纤的理论和制备方面已经有很多研究，如大纤芯单模传输的Bragg光纤、Bragg光纤的色散补偿等，一些研究机构还成功地进行了一些实验探索，这些研究使得利用Bragg光纤进行高速数据传输或作为光源和光放大器件成为可能。考虑到Bragg光纤的结构参数可调，可以通过合理设计其结构参数调节零色散点，研究色散特性，进一步讨论其在超连续谱输出方面的应用。本发明设计的高折射率实芯Bragg光纤既可以通过全反射原理导光，又可以通过包层光子晶体的Bragg带隙波导的Bragg衍射将光限制在纤芯中传播。相比于空芯Bragg光纤和普通单模光纤，本发明的高折射率实芯Bragg光纤能够选择性的加强Bragg光纤的某种非线性光效应，并且在中红外波长附近具有很好的色散平坦特性以及极高的非线性系数，可以作为产生超连续谱的一种新结构光纤。

JuanA.Monsoriu于2003年提出实芯Bragg光纤结构，用改进的化学气相沉积(MCVD)法进行了制作，并研究其对1.55μm波长光的传输特性。2004年北京交通大学的任国斌等人应用超格子模型分析了高折射率实芯Bragg光纤在1.55μm波长附近的色散特性，讨论了Bragg光纤的芯径、包层周期、填充率与波导色散的关系。2006年9月，北京邮电大学的刘小毅，张方迪在光学学报发表了一篇高折射率椭圆芯Bragg光纤的偏振特性，运用全矢量有限元法研究了高折射率椭圆芯Bragg光纤的偏振特性，讨论了Bragg光纤用作保偏光纤的可能性。目前为止，未发现实芯Bragg光纤在1.064μm波长附近传输特性及其超连续方面的相关专利信息。

从上述调研可知，目前对高折射率实芯Bragg光纤的研究主要停留在1.55μm波长附近色散和传输特性的数值仿真方面。功率较大的泵浦光源更有利于获得高功率、宽谱带的超连续谱输出，而在激光器选择方面，目前近红外波段，1.064μm是Nd:YAG激光器的特征波长，Nd:YAG激光器是一种经典的可产生大功率超短脉冲的固体激光器，但是对此类光纤在1.064μm窗口附近的色散及其超连续特性几乎未见报道，为了输出高功率、宽谱带的超连续谱，必须研究光纤在1.064μm附近的色散特性以及非线性特性。目前，运用硫系材料的阶跃单模光纤以及光子晶体光纤都可以产生中红外超连续谱，但是由于单模光纤的色散特性不易调控，很难得到色散平坦特性，而光子晶体光纤虽然可以通过调节其结构调控其色散特性，但光子晶体光纤结构复杂在实际过程中不易制备，因此很难用于输出超连续谱的实际研究中。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种产生中红外超连续谱的色散平坦的Bragg光纤结构，通过合理设计实芯Bragg光纤的结构，并在中红外波段达到输出超连续谱的效果。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种用于产生中红外超连续谱的色散平坦的实芯Bragg光纤结构，径向采用高、低折射率材料交替周期性排列；所述的光纤结构选择不同的结构参数以及光纤材料：最内层1是折射率为2.0～2.04的高折射率碲酸盐纤芯层，第一包层2是折射率为1.98～2.02的低折射率碲酸盐材料，第二包层3是与最内层1相同的高折射率材料，两种折射率包层材料交替周期性排列形成所述实芯Bragg光纤结构。

所述的高折射率材料组分为TeO₂-ZnO-Nb₂O₅-PbF₂，摩尔比为72:10:15:3；所述的低折射率材料为与高折射率材料同基质的碲酸盐材料，组分为TeO₂-ZnO-Nb₂O₅-PbF₂-PbO，摩尔比为68:12:15:3:2。

所述的实芯Bragg光纤的最内层1高折射率碲酸盐纤芯半径为5μm，第一包层2厚度为晶格周期的0.12，第二包层3厚度为1.32μm，晶格周期数为6层。

所述的实芯Bragg光纤零色散点位于1.064μm，在1.064μm窗口附近具有超平坦色散特性，传输损耗为1.163dB/m，非线性系数为γ＝120.9w^-1·km^-1，在1.064μm超短脉冲泵浦下可产生中红外超连续谱输出。

研究表明：色散平坦渐减光纤的初始色散和色散斜率对超连续谱的产生有重要影响，当超连续谱宽度小于某一特定阈值时，谱宽随初始色散或色散斜率显著变化；而当超连续谱谱宽大于此值以后，谱宽随这两个参量的变化较缓慢。2003年，陈泳竹等人在光学学报发表的光纤色散对超连续谱产生的影响中表明：具有较小正常色散的色散平坦光纤对于产生平坦、宽带的超连续谱极为有效。通过增强脉冲抽运功率，可以得到谱强起伏小于10dB、带宽达300nm以上的平坦超宽超连续谱。因此为了产生平坦超宽超连续谱，必须得到最平坦的色散特性。本发明设计一种色散平坦的高折射率实芯Bragg光纤结构，光纤色散是由于模式的传播常数β对波长的依赖，与光纤结构参数有关的色散为波导色散。影响Bragg光纤色散特性的因素主要有光纤芯径，晶格周期，低、高折射率材料的厚度比，折射率差以及晶格周期层数，而随着纤芯半径，晶格周期，低、高折射率材料的厚度比的增大，色散曲线向长波长方向移动，并且色散曲线平坦度下降，为了得到零色散点位于1.064μm附近的平坦色散曲线途径就是分别改变每一个影响因子的取值，选择色散曲线在1.064μm附近最平坦的一组结构参数。通过COMSOL和MATLAB数值仿真研究得到，为使色散更加平坦，必须适当降低纤芯半径，晶格周期和低、高折射率材料的厚度比，而为了增大非线性效应，又要适当增加高、低折射率材料的折射率差。

由以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

本发明中的实芯Bragg光纤通过优选以高折射率、高非线性碲酸盐玻璃为纤芯，克服每个结构参数对色散影响的不确定性，通过调节其结构参数，获得1.064μm窗口附近非常平坦的色散特性，利用其高非线性特性以及色散平坦特性可用于产生展宽至2.5μm的中红外平坦超连续谱输出。

附图说明

图1是本发明一种用于产生中红外超连续谱的色散平坦的实芯Bragg光纤结构示意图。

图2是本发明Bragg光纤的能谱图。

图3是本发明Bragg光纤的色散特性图。

图4是本发明产生中红外超连续谱实验装置示意图。

图5是本发明Bragg光纤产生的中红外超连续谱示意图。

图中标号为：1-最内层；2-第一包层；3-第二包层；4-激光器；5-光隔离器；6-光纤放大器；7-色散平坦的实芯Bragg光纤；8-光谱分析仪。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

实施例1

结合图1，本发明所提及的高折射率为2.04碲酸盐材料和在碲酸盐中掺杂离子使其折射率降低为2.02的新碲酸盐掺杂材料，如图1所示，最内层1纤芯为高折射率的材料，包层由这两种折射率的材料周期交替排列。其中，最内层1纤芯半径为5μm，第一包层2低折射率层的厚度为0.18μm，第二包层3高折射率层的厚度为1.32μm，一维光子晶体的晶体周期为1.5μm。

本发明的高折射率实芯Bragg光纤的芯子由高折射率材料构成，包层由2种折射率不同的材料在径向周期性排列构成多层介质结构，可看作一维光子晶体，这样包层就存在光子禁带，光纤就可以通过带隙导光，为了分析光纤中的带隙，应用平面波法计算得到Bragg光纤的能带结构，由于光纤的芯子和包层折射率差较大，HE₁₁基模的模场被很好地限制在纤芯内(如图2所示)。

本发明合理选择高、低折射率材料，适当增加实芯Bragg光纤的高、低折射率差，增大其非线性效应，并通过改变光纤芯径，晶格周期，低、高折射率材料的厚度比，调节其色散特性(如图3所示)，两色散零点分别位于1.064μm和1.453μm波长处，得到在中红外非常平坦的色散特性。

首先使用实芯Bragg光纤的纤芯半径为5μm，晶格周期为1.4μm，改变周期占空比(低折射率材料占这个周期的比例)从0.15，得到零色散点最接近1.064μm是占空比为0.12，从而将占空比固定为0.12，用同样的方法确定其他的影响值，得到在1.064μm附近最平坦的色散特性。下面是本发明所采用的结构参数。

所述的高折射率材料组分为TeO₂-ZnO-Nb₂O₅-PbF₂，摩尔比为72:10:15:3；所述的低折射率材料为与高折射率材料同基质的碲酸盐材料，组分为TeO₂-ZnO-Nb₂O₅-PbF₂-PbO，摩尔比为68:12:15:3:2。

高折射率实芯Bragg光纤纤芯层半径为5μm，晶格周期为1.5μm，低折射率材料层厚度为晶格周期的0.12，晶格周期层数为6层，传输损耗为1.163dB/m，非线性系数为γ＝120.9w^-1·km^-1。第二包层3厚度为1.32μm，晶格周期数为6层。

最后在如图4所示的产生超连续谱的装置中作为输出超连续谱的介质，激光器输出1.064μm的超短脉冲作为泵浦光源，经过隔离器和放大器进行隔离和放大，耦合进实芯Bragg光纤，由于光纤的相位调制，四波混频等非线性效应和相互作用以及光纤色散，脉冲在光纤中由于非线性效应被极大的展宽，最后获得如图5所示输出展宽至2.50μm的中红外超连续谱。从而，本发明将具有高非线性效应的碲酸盐玻璃材料与能产生高非线性效应的Bragg光子晶体光纤技术相结合，设计了一种产生中红外超连续谱的色散平坦的Bragg光纤结构，同时，将其作为工作介质，在1.064μm超短脉冲泵浦作用下实现中红外超连续谱输出。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。