專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型圓形橢圓形混合空氣孔陣列的單模單偏振光子晶體光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單模單偏振光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，具體涉及ー種新型圓形橢圓形混合空氣孔陣列的單模單偏振光子晶體光纖，可廣泛應(yīng)用于非線性光學(xué)、光通信、傳感等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自1996年英國(guó)科技工作者研制出第一條光子晶體光纖以來(lái)[lJ.C.Knight，et al，Opt. Lett. 1996,21(19) :1547 1549.]，光子晶體光纖以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、具有普通光纖無(wú)法比擬的突出優(yōu)點(diǎn)等特性得到了科技工作者的廣泛關(guān)注和深入研究[I ； 2J. C. Knight，et al,Science，1998，282 :1476 1478 ；3 P.St. J.Russell，Science，2003，299 358 362.]，并使得光子晶體光纖廣泛應(yīng)用于非線性光學(xué)、光通信、傳感等領(lǐng)域，應(yīng)用前景異常廣闊。近年來(lái)，通過(guò)合理地改變光子晶體光纖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以在一定帶寬范圍內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)單模單偏振運(yùn)作。單模單偏振光子晶體光纖能夠有效消除偏振模色散和偏振模式耦合，在高功率光纖激光器、傳感、光通信等各種領(lǐng)域得到了密切關(guān)注和廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究小組相繼研究了單模單偏振光子晶體光纖，在1550nm波段附近50nm帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了單模單偏振運(yùn)用[4Daniel A. Nolan, et al, Opt. Lett. 2004,29(16) :1855 1857.]，在波長(zhǎng) 727nm 附近 220nm 帶寬范圍實(shí)現(xiàn)單偏振運(yùn)作[5J. R. Folkenberg et al. Opt. Lett. 2005,30(12) :1446 1448.]，在1300nm波段84. 7nm帶寬和1550nm波段103. 5nm帶寬范圍實(shí)現(xiàn)了單模單偏振運(yùn)作[6Jian Ju, et al. J. Lightwave Technol. 2006,24(2) :825 830.],實(shí)現(xiàn)了從460nm帶寬的單模單偏振運(yùn)作[7Fangdi Zhang et al. J. Lightwave Technol. 2007，25 (5) : 1184 1189.]，實(shí)現(xiàn)了 560nm 帶寬的單模單偏振運(yùn)作[8Ming_Yang Chen etal. J. Lightwave Technol. 2010, 28 (10) : 1443 1446.],實(shí)現(xiàn)了 250nm 帶寬的單模單偏振運(yùn)作[9DoraJuan Juan Hu, et al. Appl. Opt. 2009,48 (20) :4038 4043.],低損耗單模單偏振運(yùn)用帶寬為 120nm[10Kunimasa Saitoh et al, IEEE Photonics Technology Letters,2003,15(10) :1384 1386.]，研究了 600nm帶寬的單模單偏振運(yùn)作[11 Hongjun Zheng etal. Optical Engineering, 2011, 50 (12)，125003-1 6.]。本文提出了一種新型的圓形、橢圓形空氣孔混合點(diǎn)陣包層的光子晶體光纖，目的在于實(shí)現(xiàn)更寬帶寬的單模單偏振運(yùn)作、色散平坦、負(fù)色散等特性，從而為光子晶體傳輸光纖及其相關(guān)器件等實(shí)用化提供理論支持，以彌補(bǔ)以往文獻(xiàn)研究中單模單偏振光纖在更寬帶寬方面和未涉及色散等方面的不足；并采用全矢量有限元方法和完美匹配層邊界條件研究了所提出的單模單偏振光子晶體光纖的單偏振、色散平坦、負(fù)色散等特性隨入射光波長(zhǎng)變化情況。專(zhuān)利申請(qǐng)內(nèi)容本發(fā)明提出了一種圓形橢圓形混合空氣孔陣列的單模單偏振光子晶體光纖，實(shí)現(xiàn)了更寬帶寬、色散平坦的單模單偏振運(yùn)作，從而為光纖偏振器、光子晶體傳輸光纖等實(shí)用化提供了支持，以補(bǔ)充上述文獻(xiàn)研究在帶寬方面和未涉及色散等方面的不足；并給出了所提出的單模單偏振光子晶體光纖的各種特性及各種參量隨入射波長(zhǎng)變化規(guī)律。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明提出的單模單偏振光子晶體光纖橫截面整體上是由純ニ氧化硅基質(zhì)和圓形、橢圓空氣孔點(diǎn)陣組成，光纖內(nèi)包層由圓形空氣孔呈正方形陣列排列，外包層由三層橢圓形空氣孔呈六角形陣列排列。包層六角形格子橢圓空氣孔點(diǎn)陣使得光纖具有單模雙折射特性，確保了 X偏振模的限制損耗足夠小，増加了 y偏振模的限制損耗，使y 偏振模得到足夠的衰減，從而實(shí)現(xiàn)單模單偏振運(yùn)用。內(nèi)包層圓形空氣孔點(diǎn)陣使光纖具有較低的色散。本發(fā)明的有益效果是實(shí)現(xiàn)了寬帶寬單模單偏振的運(yùn)用；在入射光波長(zhǎng)I. 193iim至I. 384iim范圍內(nèi)，該光纖呈現(xiàn)出寬帶寬、色散平坦特性，使其在光傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣_應(yīng)用前景。該光纖具有500nm范圍的負(fù)色散區(qū)域，可以用于常規(guī)光纖長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的色散補(bǔ)償。
圖I是本發(fā)明光子晶體光纖的橫截面示意圖。圖2是入射光波長(zhǎng)I. 550lim時(shí)x和y偏振模的電場(chǎng)分布,箭頭表不偏振方向；橫向箭頭表征X偏振模電場(chǎng)(a),縱向箭頭表征y偏振模電場(chǎng)(b)。圖3所示是單模單偏振光子晶體光纖的有效折射率和模式雙折射隨入射光波長(zhǎng)的變化。圖3 (a)中帶小圓圈和小方塊的實(shí)線分別表示X和y偏振模的有效折射率隨入射光波長(zhǎng)的變化，圖3 (b)中帶小三角形的實(shí)線表示模式雙折射(即y和X偏振模的有效折射率之差)隨入射光波長(zhǎng)的變化。圖4所示是限制損耗及其差值隨入射光波長(zhǎng)的變化。圖4(a)中帶小圓圈和小方塊的實(shí)線分別是X和y偏振模的限制損耗隨入射光波長(zhǎng)的變化，圖中采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)；圖4(b)中實(shí)線是y偏振模和X偏振模的限制損耗差值隨入射光波長(zhǎng)的變化，圖中限制損耗差值采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)。圖5所示是單模單偏振光子晶體光纖色散隨入射光波長(zhǎng)的變化。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施對(duì)本發(fā)明進(jìn)ー步說(shuō)明。圖I是單模單偏振光子晶體光纖的橫截面示意圖。該光纖整體上是由純ニ氧化硅基質(zhì)和圓形與橢圓形空氣孔組成。光纖內(nèi)包層由圓形空氣孔呈正方形陣列排列，外包層由三層橢圓形空氣孔呈六角形陣列排列。包層六角形格子橢圓空氣孔點(diǎn)陣使得光纖具有單模雙折射特性，確保了 X偏振模的限制損耗足夠小，増加了 y偏振模的限制損耗，使y偏振模得到足夠的衰減，從而實(shí)現(xiàn)單模單偏振運(yùn)用。內(nèi)包層圓形空氣孔點(diǎn)陣使光纖具有較低的色散。圖中灰色區(qū)域是純ニ氧化硅，白色的圓和橢圓表示空氣孔，外圍的實(shí)線矩形區(qū)域表示完美匹配層邊界。圓形空氣孔的半徑a = 0.45 iim，圓形空氣孔的間隔為Al = I. Oii m。大橢圓空氣孔沿X和y軸的半徑分別表示為a和b，空氣孔的間隔為A2 = I. 8 ym，橢圓比率為n = b/a = 2。其中，a = 0. 45,b = 2a = 0. 9 ii m。ニ氧化娃和空氣孔的折射率分別是
I.45和I。在光纖中傳輸電磁場(chǎng)的模場(chǎng)特性可以通過(guò)改變這些空氣孔的形狀和空間分布來(lái)改變。
圖2是入射光波長(zhǎng)I. 550lim時(shí)x和y偏振模的電場(chǎng)分布,箭頭表不偏振方向；橫向箭頭表示X偏振模(a)，縱向箭頭表示y偏振模(b)。從圖2可以看到，兩個(gè)偏振模的電場(chǎng)關(guān)于光纖中心X軸和y軸是對(duì)稱(chēng)分布的,X偏振模電場(chǎng)向包層的擴(kuò)展明顯比y偏振模電場(chǎng)向包層的擴(kuò)展要小得多。這表明y偏振模的限制損耗比X偏振模的限制損耗大得多。此時(shí)，模式雙折射為I. 458乂10-2，拍長(zhǎng)為0. 106mm ;x和y偏振模的限制損耗分別是3. IOXlO^dB/km和I. 721dB/km。若按照目前常規(guī)通信系統(tǒng)發(fā)射功率OdBm、跨距80km計(jì)算，入射光在該光纖中傳輸80km后，X偏振模功率衰減到-2. 48 X IO^dBm, y偏振模功率衰減到-137. 680dBm,而常規(guī)光譜儀等探測(cè)器件的實(shí)際背景噪聲為-60dBm左右，這樣，X偏振?？梢员惶綔y(cè)并再放大，y偏振模在光纖傳輸中被衰減掉，從而實(shí)現(xiàn)單模單偏振運(yùn)用偏振模的數(shù)值孔徑是
0.447，有效模場(chǎng)面積是3. 066 u m2，非線性系數(shù)是34. 373 ^/!^當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加吋，y偏振模在該光纖傳輸更短的距離就會(huì)被衰減棹；該光纖可廣泛應(yīng)用于不同的光纖器件中。圖3是單模單偏振光子晶體光纖有效折射率和模式雙折射隨著入射光波長(zhǎng)的變化。圖3(a)中帶小圓圈和小方塊的實(shí)線分別表示X和y偏振模的有效折射率，圖3(b)中帶三角的實(shí)線表示模式雙折射(即y和X偏振模的有效折射率之差的絕對(duì)值)隨入射光波長(zhǎng)的變化。圖3可以得到，該光纖的X和y偏振模的有效折射率隨入射光波長(zhǎng)的減小而增加；x偏振模的有效折射率隨波長(zhǎng)減小由I. 284增加到I. 413, y偏振模的有效折射率隨波長(zhǎng)減小由I. 409增加到I. 256 ;對(duì)應(yīng)同一入射光波長(zhǎng)，y偏振模的有效折射率比x偏振模的有效折射率要小，兩者之差的絕對(duì)值(即模式雙折射)隨入射光波長(zhǎng)的增加近似直線增加。圖4所示是限制損耗及其差值隨入射光波長(zhǎng)的變化。圖4(a)中帶小圓圈和小方塊的實(shí)線分別是X和y偏振模的限制損耗隨入射光波長(zhǎng)的變化，圖中采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)；圖4(b)中帶三角的實(shí)線是y偏振模和X偏振模的限制損耗差值隨入射光波長(zhǎng)的變化，圖中限制損耗差值采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)。由圖4可得，X和y偏振模的限制損耗隨入射光波長(zhǎng)增加迅速增加偏振模的限制損耗隨波長(zhǎng)增加由3. 854X 10_7dB/km迅速增加到I. 757 X 104dB/km, y偏振模的限制損耗隨波長(zhǎng)增加由8. 951Xl(T7dB/km迅速增加到到I. 806X 107dB/km。對(duì)應(yīng)同一入射光波長(zhǎng)，y偏振模的限制損耗比X偏振模的限制損耗明顯要大；入射光波長(zhǎng)I. Ium至2 y m范圍內(nèi)，y偏振模的限制損耗與X偏振模的限制損耗的差值隨入射光波長(zhǎng)的增加而呈近似指數(shù)迅速増加，由入射光波長(zhǎng)I. I U m時(shí)對(duì)應(yīng)的損耗差值5. 097X 10_7dB/km增加到入射光波長(zhǎng)2. 5 ii m時(shí)對(duì)應(yīng)的I. 804X 107dB/km。這表明，當(dāng)入射光波長(zhǎng)稍小于光纖中空氣孔尺寸時(shí)，空氣孔阻礙入射光向包層擴(kuò)展的作用加強(qiáng)，光纖的限制損耗減小；當(dāng)入射光波長(zhǎng)稍大于光纖中空氣孔尺寸時(shí)，入射光通過(guò)空氣孔向包層的衍射作用加強(qiáng)，空氣孔阻礙入射光向包層擴(kuò)展上的作用減弱，光纖的限制損耗增加；同吋，y方向的橢圓空氣孔陣列有效地增加了 y偏振模的損耗，使I偏振模比X偏振模更容易衰減掉,從而在該光纖中實(shí)現(xiàn)單模單偏振運(yùn)用。按照單模單偏振運(yùn)用的理論，可使入射光波長(zhǎng)從I. 55 ii m至2. 5 ii m范圍內(nèi)在該光纖中實(shí)現(xiàn)單模單偏振運(yùn)用。圖5所示是單模單偏振光子晶體光纖色散隨入射光波長(zhǎng)的變化。圖5中點(diǎn)線為材料色散，點(diǎn)劃線是波導(dǎo)色散，實(shí)線是單模單偏振光子晶體光纖的總色散。光纖的色散平坦特性是目前光通信系統(tǒng)及其器件研究工作者需要努力探索研究的一個(gè)熱點(diǎn)話題。圖5可以看出，材料色散隨入射光波長(zhǎng)增加近似線性增加，波導(dǎo)色散在入射光波長(zhǎng)I. I U m至
2.5 范圍內(nèi)隨波長(zhǎng)增加而迅速減??；這種色散分布導(dǎo)致了該光纖總色散出現(xiàn)了較大范圍內(nèi)的色散平坦特性和較大范圍內(nèi)的負(fù)色散特性。在I. 193 iim處的色散值為83.482ps/
(km nm)，在I. 286 u m處光纖具有色散最大值85. 477ps/ (km nm)，在I. 384 u m處的色
散值為83. 480ps/ (km nm);可見(jiàn)，該光纖從I. 193 y m至I. 384 y m范圍內(nèi)的色散平坦度
(研究波段范圍內(nèi)最大值與最小值之差)為2. 039ps/ (km nm),優(yōu)于文獻(xiàn)[12苑金輝,侯
藍(lán)田，周桂耀等，光電子 激光，2008，19 (8) =1007-1010]的0. 83 y m至I. 02 y m范圍內(nèi)的
色散平坦度9psバkm ^nm),比文獻(xiàn)[13周會(huì)麗，張霞，高健等.光電子 激光，2009，20 (I)
28-31]的I. 480 ii m至I. 620 ii m范圍內(nèi)的色散平坦度I. 8ps/ (km nm)稍差，該光纖的色 散平坦范圍191nm與文獻(xiàn)[12]的190nm幾乎相同、優(yōu)于文獻(xiàn)[13]的140nm和文獻(xiàn)[14
I. famamoto, H. Kubota, b. Kawanishi, M. TanaKa, and b. Yamaguchi, Opt. Express,2003,
11 (13) :1537-1540]的lOOnm。這種寬帶寬、色散平坦特性使得該光纖在通信系統(tǒng)中具有重
要應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)入射光波長(zhǎng)大于2. 015 u m時(shí)總色散為負(fù)值；當(dāng)入射光波長(zhǎng)為2. 5 ii m吋，總
色散達(dá)到-125. 1417ps/(km nm)。這表明該光纖可以用于常規(guī)光纖長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的色散補(bǔ)m
\-ZX o總之，本發(fā)明提出的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)寬帶寬、色散平坦單模單偏振運(yùn)用的有效方案。當(dāng)入射光波長(zhǎng)1.550 iim時(shí)，模式雙折射為1.458父10-2，拍長(zhǎng)為0. 106mm ;x和I偏振模的限制損耗分別是3. 10X l(T4dB/km和I. 721dB/km,比較兩種偏振模損耗情況，y偏振模可以在很短的光纖中被衰減棹，從而實(shí)現(xiàn)單模單偏振運(yùn)用。研究結(jié)果表明，提出的新型單模單偏振光子晶體光纖能夠在入射光950nm的較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單模單偏振運(yùn)用。在入射光波長(zhǎng)I. 193iim至I. 384 iim范圍內(nèi)，該光纖呈現(xiàn)出寬帶色散平坦特性，使其在超連續(xù)譜產(chǎn)生、脈沖傳輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。該光纖具有500nm范圍的負(fù)色散區(qū)域，可以用于常規(guī)光纖長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的色散補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.設(shè)計(jì)了新型一種圓形橢圓形空氣孔混合陣列的單模單偏振光子晶體光纖，該光纖內(nèi)包層由圓形空氣孔呈正方形陣列排列，外包層由三層橢圓形空氣孔呈六角形陣列排列，其橫截面整體上是由純ニ氧化硅基質(zhì)、圓形空氣孔正方形陣列、三環(huán)橢圓形空氣孔點(diǎn)陣組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單模單偏振光子晶體光纖，其特征在于所述光纖的六角形格子橢圓空氣孔點(diǎn)陣中，橢圓空氣孔的間隔為1. 8 ii m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單模單偏振光子晶體光纖，其特征在于所述光纖中，外包層橢圓空氣孔短軸直徑為0. 9 ii m，長(zhǎng)軸直徑為I. 8 ii m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單模單偏振光子晶體光纖，其特征在于所述光纖的中間包層圓形空氣孔正方形點(diǎn)陣中，圓形空氣孔半徑為0. 45 u m,空氣孔間隔為I. 0 ii m。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型圓形橢圓形混合空氣孔陣列的單模單偏振光子晶體光纖。該光纖內(nèi)包層由圓形空氣孔呈正方形陣列排列，外包層由三層橢圓形空氣孔呈六角形陣列排列。本發(fā)明提出在光子晶體光纖結(jié)構(gòu)中引入圓形橢圓形空氣孔混合陣列實(shí)現(xiàn)了寬帶寬、色散平坦單模單偏振的運(yùn)用；該光纖能夠在入射光波長(zhǎng)1.193μm至1.384μm范圍內(nèi)，該光纖呈現(xiàn)出寬帶寬色散平坦特性；在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)500nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)色散特性；該特性可以使其在常規(guī)光纖長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的色散補(bǔ)償、超連續(xù)譜產(chǎn)生、脈沖傳輸、光通信等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02B6/036GK102955198SQ20121039274
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者黎昕, 鄭宏軍, 劉山亮 申請(qǐng)人:聊城大學(xué)