一種新型高雙折射高非線性光子晶體光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖領(lǐng)域，具體是一種新型高雙折射高非線性負(fù)平坦色散光子晶體光纖。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來,光子晶體光纖(photonic crystal fibers,PCFs)的研究引起了廣泛的興趣。與傳統(tǒng)光纖相比，通過靈活變動(dòng)橫截面結(jié)構(gòu)，PCFs可實(shí)現(xiàn)超平坦色散、無限單模傳輸、高雙折射、高非線性、低限制損耗和大有效模場(chǎng)面積等特性。目前，PCFs被廣泛用于光通信、非線性光學(xué)及光纖傳感等領(lǐng)域。
[0003]高雙折射的PCFs在制作保偏光纖及高性能激光器等方面具有重要的應(yīng)用，然而傳統(tǒng)保偏光纖僅能獲得10_4數(shù)量級(jí)的雙折射，已無法滿足光通信高速發(fā)展的需求，因此探尋高雙折射的光纖成為PCFs領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。一般情況下，光子晶體光纖主要是由三角晶格構(gòu)成的六重對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在理論上此類結(jié)構(gòu)的PCFs的基模是簡(jiǎn)并的，因此通過破壞包層或纖芯對(duì)稱性可以提高PCFs的雙折射，其數(shù)值達(dá)10_3數(shù)量級(jí)。為了進(jìn)一步提高PCFs 的雙折射，M.J.Steel (文獻(xiàn) Steel M J, Osgood R M.Elliptical-hole photoniccrystal fibers [J].0pt.Lett.2001 26 (4):229-231、文獻(xiàn) Steel M J, Osgood R M.Polarizat1n and dispersive properties of elliptical hole photonic crystalfiber [J], J.Lightw.Tech.2001 19 (4):495-503)提出了橢圓空氣孔光子晶體光纖(Elliptical-hole photonic crystal fibers,EPCFs),使得雙折射達(dá)到了 ICT2數(shù)量級(jí)，但限制損耗較大。Cao(文獻(xiàn)[10] Cao Ye, Li Rong-Min, Tong Zheng-Rong.1nvestigat1nof a new kind of high birefringence photonic crystal fiber [J].Acta Phys.Sin.(曹曄，李榮敏，童崢嶸一種新型高雙折射光子晶體光纖特性研究.物理學(xué)報(bào))，2013 62(8) 084215)、Mohit Sharma (文獻(xiàn) Mohit Sharma, Nitu Borogohain, S.Konaret al.1ndex Guidiing Photonic Crystal Fibers With Large Birefringence andWalk-Off [J], J.Lightw.Tech.2013 31 (21):3339-3344)和 Wang (文獻(xiàn) Wang E L,Jiang H M, Xie K et al.Photonic crystal fibers with high nonlinearity, largebirefringence and multiple zero dispers1n-wavelength [J].Acta Phys.Sin.(王二壘，姜海明，謝康等.一種高雙折射高非線性多零色散波長光子晶體光纖.物理學(xué)報(bào))
，2014 63(13) 134210)都通過將橢圓孔與圓孔組合使用來設(shè)計(jì)高雙折射PCFs，雙折射分別為1.53Χ1(Γ2、2.22Χ10-2和2.54Χ 10 _2，但以目前的制造工藝在PCFs中同時(shí)實(shí)現(xiàn)橢圓孔與圓孔比全橢圓孔的PCFs困難。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)光子晶體光纖雙折射低下的問題，提供一種全橢圓孔構(gòu)成的高雙折射高非線性并帶有負(fù)平坦色散的光子晶體光纖，該光纖的結(jié)構(gòu)不具有六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，可以獲得比現(xiàn)有的雙折射型光子晶體光纖更高的雙折射，并且還具有高非線性，負(fù)平坦色散，低限制損耗的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為: 一種新型高雙折射高非線性同時(shí)具有負(fù)平坦色散的光子晶體光纖，其特征在于:該光子晶體光纖采用三角晶格排列的全橢圓空氣孔結(jié)構(gòu)，包層中具有較高空氣填充率的橢圓空氣孔陣列，在纖芯中心設(shè)置一個(gè)相對(duì)較小的橢圓空氣孔缺陷，并將包層內(nèi)第一層橢圓空氣孔陣列中位于上述小橢圓空氣孔左右的兩個(gè)橢圓空氣孔相對(duì)其他橢圓空氣孔旋轉(zhuǎn)90度，即這兩側(cè)橢圓空氣孔關(guān)于中心橢圓空氣孔的短軸對(duì)稱，且這兩個(gè)橢圓空氣孔的長軸/短軸與纖芯小橢圓空氣孔的長軸/短軸垂直；所有橢圓空氣孔的間距均為Λ，構(gòu)成包層的每個(gè)橢圓空氣孔的長軸和短軸的長度分別為D#P D χ，小橢圓空氣孔缺陷的長軸和短軸的長度分別為d#P dx，構(gòu)成包層的每個(gè)橢圓空氣孔、小橢圓空氣孔缺陷的橢圓率均為n=Dy/Dx=dy/dx。根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高雙折射高非線性并帶有負(fù)色散平坦的光子晶體光纖，其特征在于:該光纖的背景材料為折射率大于空氣折射率的材料。
[0006]本發(fā)明的實(shí)例是基于純石英材料設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的全內(nèi)反射型光子晶體光纖。采用全矢量的有限元法研究了這種光線的雙折射、非線性和色散特性。研究表明，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)此PCF性能具有不同程度的影響，分析結(jié)果并設(shè)計(jì)出合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得該光子晶體光纖在波長為1.55 μ m處的雙折射可達(dá)到3.05X 10 2,同時(shí)在X和Y偏振方向獲得較高非線性，別為43.6W—1 ^knT1和41.71 W—1 ?knT1。此外，該光子晶體光纖可在近紅外波段內(nèi)獲得1000nm-1550nm波長范圍的負(fù)平坦色散。本發(fā)明為高雙折射高非線性負(fù)色散平坦光纖的設(shè)計(jì)提供了一種新的可能，此光纖將在光纖傳感、光孤子通信和超連續(xù)譜產(chǎn)生等方面發(fā)揮重要作用。
【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的高雙折射高非線性負(fù)色散平坦光子晶體光纖橫截面示意圖。
[0008]圖2為本發(fā)明電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，其中:
圖2a為X偏振方向分布圖，圖2b為Y偏振方向分布圖。
[0009]圖3為本發(fā)明孔間距不同時(shí)的雙折射曲線圖。
[0010]圖4為不同孔間距下的非線性系數(shù)曲線圖，其中:
圖4a為X偏振方向曲線圖，圖4b為Y偏振方向曲線圖。
[0011]圖5為不同孔間距下的色散曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]一種新型高雙折射高非線性同時(shí)具有負(fù)平坦色散的光子晶體光纖，橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括有純石英背景1，在纖芯引入的橢圓空氣孔缺陷2，按三角晶格排列的包層3，包層中大的橢圓空氣孔4以及包層內(nèi)第一層中旋轉(zhuǎn)90°的兩個(gè)橢圓空氣孔5和6，小橢圓空氣孔I的長軸和短軸分別為七和dx，大橢圓空氣孔4的長軸和短軸分別為D#P Dx，大小橢圓空氣孔的橢圓率均為n=Dy/Dx=dy/dx，橢圓空氣孔的孔間距為A，DX=0.6A。除此外，小橢圓空氣孔I位于該結(jié)構(gòu)的幾何中心，橢圓空氣孔5和6的長軸(短軸)與橢圓空氣孔I的長軸(短軸)垂直，橢圓空氣孔5和橢圓空氣孔6關(guān)于橢圓空氣孔I的長軸對(duì)稱。該結(jié)構(gòu)式光子晶體光纖的雙折射效應(yīng)更加強(qiáng)烈，同時(shí)可使光束更加聚集在纖芯有利于獲得高非線性并且具有優(yōu)良的負(fù)平坦色散特性。取空氣孔折射率為1，石英的折射率由文獻(xiàn)“InterspecimenComparison of the Refractive Index of Fused Silica，，得至丨J0
[0013]在PCF中光波的能量是以基模的形式在纖芯中傳輸，因此基模的模場(chǎng)分布是否集中在纖芯，是衡量PCF特性好壞的基準(zhǔn)。圖2為在λ=1.55μπι，Λ =1.4 μ m, Dx=0.6 Λ ,dx=Dx/3，η=2時(shí)，基模在X和Y偏振方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。由圖中可以看出，在λ =1.55 μ m時(shí)，X和Y偏振方向的光波能量均能很好被束縛在纖芯。
[0014]本發(fā)明的雙折射特性
在孔間距Λ不同的情況下，PCF的雙折射隨著波長變化的曲線如圖3所示。從圖中可知，PCF的雙折射隨著Λ的增大而減小，隨著波長的增大而增大。因此,為了在波長λ =1.55 μ m處獲得較高的雙折射,應(yīng)盡量減小A的大小。當(dāng)孔間距A=L 4 μ m, Dx=0.6 A ,dx=Dx/3，η =2時(shí)，此PCF在波長為1.55 μ m的雙折射可達(dá)到3.05 X 1(Γ2，在800nm至Ij 2300nm波段內(nèi)的雙折射均保持10_2的數(shù)量級(jí)。
[0015]本發(fā)明的非線性特性
如圖4所示，顯示了在孔間距Λ不同時(shí)，PCF在X和Y偏振方向上的非線性系數(shù)隨波長的變化曲線，由圖可知，非線性系數(shù)隨著Λ增大而減小，隨波長的增大而減小。因此可以根據(jù)非線性系數(shù)的需要來設(shè)計(jì)PCF的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在孔間距Λ=1.4 μ m，Dx=0.6 Λ，dx=Dx/3,η =2時(shí)，X和Y偏振態(tài)的非線性系數(shù)分別為43.6W—1.km—1和41.71 W ―1.knT1，此結(jié)構(gòu)在擁有高雙折射的同時(shí)，非線性系數(shù)也更高。具有高非線性效應(yīng)的PCFs在高功率脈沖壓縮、光孤子通信、超連續(xù)譜產(chǎn)生等方面有重要應(yīng)用價(jià)值。
[0016]本發(fā)明的色散特性
PCFs色散會(huì)造成光波在傳播過程中展寬，將直接導(dǎo)致光信號(hào)在光纖傳輸過程中的畸變，色散對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)有著非常不利的影響，限制了系統(tǒng)傳輸速率和傳輸距離的增加。圖5為在不同孔間距下，PCF的總色散隨波長變化的曲線圖?？梢钥闯觯译S著孔間距Λ的增大，負(fù)平坦色散的波段變寬。在結(jié)構(gòu)參數(shù)為Λ=1.6μπι，0χ=0.6Λ，(1χ=0χ/3，η =2時(shí)，PCF不僅有2.69 X 10_2的高雙折射，同時(shí)在近紅外波段內(nèi)的1000-1550nm之間具有良好的負(fù)平坦色散特性，可用于色散補(bǔ)償，以保證光纖線路的總色散近似為零，從而實(shí)現(xiàn)高速度、大容量、長距離通信。
[0017]以上所述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，不是全部或唯一的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型高雙折射高非線性同時(shí)具有負(fù)平坦色散的光子晶體光纖，其特征在于:該光子晶體光纖采用三角晶格排列的全橢圓空氣孔結(jié)構(gòu)，包層中具有較高空氣填充率的橢圓空氣孔陣列，在纖芯中心設(shè)置一個(gè)相對(duì)較小的橢圓空氣孔缺陷，并將包層內(nèi)第一層橢圓空氣孔陣列中位于上述小橢圓空氣孔左右的兩個(gè)橢圓空氣孔相對(duì)其他橢圓空氣孔旋轉(zhuǎn)90度，即這兩側(cè)橢圓空氣孔關(guān)于中心橢圓空氣孔的短軸對(duì)稱，且這兩個(gè)橢圓空氣孔的長軸/短軸與纖芯小橢圓空氣孔的長軸/短軸垂直；所有橢圓空氣孔的間距均為Λ，構(gòu)成包層的每個(gè)橢圓空氣孔的長軸和短軸的長度分別為D#P D χ，小橢圓空氣孔缺陷的長軸和短軸的長度分別為d#P dx，構(gòu)成包層的每個(gè)橢圓空氣孔、小橢圓空氣孔缺陷的橢圓率均為Jl=Dy/Dx=dy/dx。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高雙折射高非線性并帶有負(fù)色散平坦的光子晶體光纖，其特征在于:該光纖的背景材料為折射率大于空氣折射率的材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型的高雙折射高非線性并具有負(fù)色散平坦特性的光子晶體光纖。此光纖采用全橢圓空氣孔結(jié)構(gòu)，通過改變第一層橢圓孔的角度，破壞了光子晶體光纖的六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，獲得了很高的雙折射，同時(shí)還能獲得了優(yōu)秀的非線性和色散表現(xiàn)。通過在一定范圍內(nèi)改變空氣孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，該光子晶體光纖的雙折射比傳統(tǒng)保偏光纖高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)在X和Y偏振方向獲得較高非線性系數(shù)。此外，在保持高雙折射的同時(shí)，也可獲得1000nm-1550nm近550nm的負(fù)色散平坦區(qū)。該新型高雙折射高非線性負(fù)平坦色散的光子晶體光纖在偏振控制、非線性光學(xué)及光纖通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【IPC分類】G02B6-02
【公開號(hào)】CN104597558
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510003347
【發(fā)明人】楊天宇, 姜海明, 王二壘, 謝康
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年1月5日