專利名稱：寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種單模光子晶體光纖，尤其是涉及具有寬帶單偏振傳輸特性的雙芯光子晶體光纖。應用于光纖通信和光學信號處理等技術領域。
背景技術：
光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber)，又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖(MicrostructureOptical Fiber)或多孔光纖(Holey Fiber)，是由R.J.Russell小組的J.C.Knight等人在1996年首次制造出來的(Optics Letters，21，1547-1549，1996)。由于它設計靈活、可以具有許多普通光纖不能實現(xiàn)的特性(如無截止波長單模傳導、可設計的色散特性和模場尺寸以及高數(shù)值孔徑等)而受到廣泛關注。光子晶體光纖被分為兩種類型。第一類是折射率傳導型光子晶體光纖，它是通過在固體的纖芯和多層的空氣孔包層之間的全內(nèi)反射實現(xiàn)的導光；第二類是光子帶隙光纖，它利用光子帶隙效應對特定波段的光實現(xiàn)了在低折射率纖芯處的傳導。
光子晶體光纖的制作過程通常是把空心的玻璃毛細管和實心玻璃棒按一定結(jié)構(gòu)堆積成預制棒，然后在光纖拉制塔中拉制成光纖。由于在預制棒的制作過程中毛細管和玻璃棒的數(shù)目和排列方式可以靈活設計，因此多芯光子晶體光纖的實現(xiàn)相對來說比較容易?；诙嘈菊凵渎室龑凸庾泳w光纖的方向耦合器相關的器件已經(jīng)被廣泛的研究，2000年B.J.Mangan等人在“Experimental study of dual-core photonic crystalfibre”，Electron.Lett.36，1358-1359，(2000)中最早拉制了雙芯折射率傳導光子晶體光纖并對這種光纖的耦合特性做了研究。L.Zhang等人在“Polarization splitter based onphotonic crystal fibers”，Optics express，11，1015-1020(2003)中利用高雙折射雙芯光子晶體光纖實現(xiàn)了偏振分離器功能，在中國專利(申請?zhí)?3100608.6)中也公布了相關內(nèi)容。此外K.Saitoh等人在“Coupling characteristics of dual-core photonic crystalfiber couplers”，Optics Express，11，3188-3195(2003)中設計了基于雙芯光子晶體光纖耦合器的復用一解復用器，J.Legsgaard等人在“Photonic crystal fiber design forbroadband directional coupling”，Optics Letters，29，2473-2475(2004)中利用下?lián)诫s雙芯光子晶體光纖設計了具有極寬頻率范圍的方向耦合器。這些研究和應用充分體現(xiàn)了光子晶體光纖在設計的靈活性以及比普通光纖更強的對光的控制能力。上述報道都是基于折射率傳導型光子晶體光纖的，近期又有關于雙芯光子帶隙光纖及耦合特性的報道。如ZhiWang等人在“Coupling and decoupling of dual-core photonic bandgap fibers”，OpticsLeters 30，2542-2544(2005)中對雙芯光子帶隙型光纖的耦合特性進行了研究，并首次在雙芯光纖結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了無耦合特性。J.Lgsgaard等人在“Directional coupling intwin-core photonic bandgap fibers”O(jiān)ptics Leters，30，3281-3283(2005)中和MaksimSkorobogatiy等人在“Transverse light guides in microstructured optical fibers”O(jiān)ptics Leters，31，314-316(2006)中對雙芯光子帶隙光纖的耦合特性做了進一步的研究。然而據(jù)我們了解，還沒有任何關于寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖的報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了彌補現(xiàn)有技術還沒有任何關于寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，本發(fā)明提供了一種可用于實現(xiàn)寬帶單偏振單模耦合的雙芯光子晶體光纖技術方案這種寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，它的包層由基底上按規(guī)則網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)排列空氣孔形成，兩個缺陷纖芯由包層空氣孔的缺失形成，其特點在于在光纖橫截面的兩個正交偏振方向上所述兩芯區(qū)附近的空氣孔的大小是不同的，上述橫截面結(jié)構(gòu)沿光纖的長度方向不變。
在這種結(jié)構(gòu)中，光纖橫截面上兩個芯區(qū)附近X偏振方向上的孔小于Y偏振方向上的孔，從而X偏振方向的有效折射率大于Y方向的。當纖芯區(qū)X或Y偏振方向的有效折射率大于包層的有效折射率時，這個模式是一個傳導模式。當它小于包層的有效折射率時，這個模式就成為一個泄漏模式，即基模被截止。當X偏振方向的有效折射率大于并且Y偏振方向的有效折射率小于包層的有效折射率時，光纖即實現(xiàn)了單偏振傳導。
雙芯光纖耦合器的工作原理通?？梢岳贸Ｊ降母缮鎭斫忉尅．敼鈴碾p芯光纖的一個纖芯入射時，在光纖中同時激起偶、奇兩個超模式，它們分別基于光纖結(jié)構(gòu)中與兩個纖芯連線方向垂直的對稱軸呈偶對稱或奇對稱。通常，偶模式和奇模式的傳播常數(shù)不同，因此在兩個模式干涉下，光的能量在沿光纖傳播方向在兩個纖芯之間周期轉(zhuǎn)移。能量從一個纖芯轉(zhuǎn)移到另一個纖芯時在光纖中所傳播的距離定義為耦合長度Lcσ=π|βeσ-βoσ|]]>(σ＝x，y)其中Lcx和Lcy表示x和y偏振方向的耦合長度，βex和βey是x方向和y方向偏振的偶模式的傳播常數(shù)，βox和βoy是x方向和y方向偏振的奇模式的傳播常數(shù)。耦合長度越短，表明雙芯之間的耦合越強。
本發(fā)明所述的寬帶單偏振單模光子晶體光纖耦合器的可以具有較短的耦合長度，耦合長度隨波長、空氣孔大小改變。
本發(fā)明所述的寬帶單偏振單模光子晶體光纖耦合器通過兩個纖芯中傳播的基模之間的模場交疊，使能量在兩個纖芯之間轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)光纖耦合器的功能。同時由于它具有寬帶單偏振單模耦合的特點，它可以在特定的波段范圍內(nèi)濾掉一個偏振方向上的光而實現(xiàn)只對單一偏振方向的光進行耦合。
本發(fā)明的原理是利用高雙折射形成的兩個垂直偏振方向上折射率的差別，形成對特定波長范圍的光單偏振耦合的特點。
本發(fā)明的有益效果通過適當調(diào)節(jié)大空氣孔直徑d’或小空氣孔直徑d值，可以實現(xiàn)單偏振單模耦合波長范圍的調(diào)整。數(shù)值計算結(jié)果表明，通過適當減小大空氣孔直徑d’和增加小空氣孔直徑d值，可以使單偏振單模耦合波長范圍向長波長方向移動，同時該范圍的大小基本保持不變。


圖1是本發(fā)明的光纖橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的光纖橫截面部分結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3是本發(fā)明光纖結(jié)構(gòu)中d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時傳導模式的有效折射率隨歸一化波長變化。
圖4是本發(fā)明光纖結(jié)構(gòu)中d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時兩個垂直偏振方向上歸一化耦合長度隨波長變化。
圖5是本發(fā)明光纖結(jié)構(gòu)中d/Λ＝0.5時在單偏振單模區(qū)域中歸一化耦合長度隨波長和d’/Λ值的變化。
圖6是本發(fā)明光纖結(jié)構(gòu)中d’/Λ＝0.95時在單偏振單模區(qū)域中歸一化耦合長度隨波長和d/Λ值的變化。
圖中1.基底材料 2.小空氣孔 3.大空氣孔 4.缺陷纖芯 9.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時X偏振方向偶模式對應的折射率 10.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時X偏振方向奇模式對應的折射率 11.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時Y偏振方向偶模式對應的折射率 12.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時Y偏振方向奇模式對應的折射率 13.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時包層有效折射率 14.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時的單偏振單模區(qū)域 15.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時Y偏振方向的歸一化耦合長度 16.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時X偏振方向的歸一化耦合長度17.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.94時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度 18.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度 19.d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.96時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度 20.d’/Λ＝0.95，d/Λ＝0.48時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度 21.d’/Λ＝0.95，d/Λ＝0.48時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度 22.d’/Λ＝0.95，d/Λ＝0.48時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做進一步說明這種寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，它的包層由基底上按規(guī)則網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)排列空氣孔2、3形成，兩個缺陷纖芯4由包層空氣孔的缺失形成，其特征在于在光纖橫截面的兩個正交偏振方向上所述兩芯區(qū)附近的空氣孔的大小是不同的，上述橫截面結(jié)構(gòu)沿光纖的長度方向不變。
光纖包層空氣孔按三角形柵格排列，兩個缺陷纖芯位于三角形柵格的結(jié)點上。
光纖橫截面上包層和缺陷纖芯中空氣孔可以是圓形，兩個缺陷芯區(qū)附近區(qū)域在X方向上孔的直徑小于Y方向上的孔的直徑。
光纖中接近缺陷纖芯區(qū)域Y偏振方向上的大空氣孔橫截面的特征值是其直徑，并且此直徑與間距的比值在范圍0.9到1.0之間。
光纖包層中小空氣孔橫截面的特征值是其直徑，并且此直徑與間距的比值在范圍0.45到0.55之間。
光纖包層空氣孔按矩形柵格排列，兩個纖芯位于矩形柵格的結(jié)點上。
光纖橫截面上包層和纖芯中空氣孔可以是圓形，兩個芯區(qū)附近區(qū)域與X方向上孔的直徑小于與Y方向上的孔。
寬帶單偏振單模光子晶體光纖耦合器的制造方法是現(xiàn)有毛細管堆砌拉制技術。首先將石英預制棒磨成六角形狀，并將中心掏空，然后在拉伸塔中拉成外徑約1mm的空心毛細管。然后把這些毛細管按三角形柵格堆砌在一起形成預制棒，再將空心毛細管或?qū)嵭拿毎舭丛O計的布局排列在一起。然后在拉伸塔中把宏觀尺度的預制棒拉伸成光纖。通過調(diào)整毛細管中空氣孔的大小、缺陷的位置以及拉制過程中溫度和拉制速度，可以獲得不同截面常數(shù)的光子晶體光纖。
圖1所示為本發(fā)明實施例的光纖橫截面示意圖，寬帶單偏振單模光子晶體光纖耦合器的基底材料1通常采用石英玻璃，光纖包層中的空氣孔2位于三角形柵格的結(jié)點上，相鄰空氣孔中心的間距Λ為2.2m，空氣孔2的直徑d＝0.5Λ。在兩個纖芯附近的8個大空氣孔3的直徑d’＝0.95Λ。兩個纖芯4中間有一個小空氣孔2。圖2所示為本發(fā)明實施例的光纖橫截面的部分結(jié)構(gòu)示意圖，通過此圖可以更清楚的看到纖芯附近的空氣孔排列情況。
當d/Λ＝0.5，d’/Λ＝0.95時傳導模式的有效折射率隨歸一化波長變化情況如圖3所示。在這種光纖中傳導的模式有x，y兩個正交的偏振方向，同時每個偏振又具有偶、奇兩種模式，它們的電場相對光纖的對稱軸呈偶對稱和奇對稱。X偏振方向偶模式對應的折射率9及奇模式對應的折射率10大于y偏振方向偶模式對應的折射率11及奇模式對應的折射率12。當9、10大于包層有效折射率13而11、12小于13時所包含的波長范圍14即為單偏振單模傳導區(qū)域。在該波長范圍內(nèi)的光可以在該耦合器中實現(xiàn)單偏振單模耦合。圖4為該參數(shù)下兩垂直偏振方向歸一化耦合長度隨波長的變化曲線。Y偏振方向歸一化耦合長度15與X偏振方向歸一化耦合長度16如圖中所示，15和16都隨著波長的增加而逐漸減小，15的截止波長小于16的，15在Y偏振方向光未被截止的短波長范圍中大于相同波長對應的16值。在此參數(shù)下的單偏振單模傳導區(qū)域為從1470nm到1690nm的220nm波長范圍。
圖5為d/Λ＝0.5時不同d’/Λ值對應的單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度隨波長變化曲線。其中曲線17為d’/Λ＝0.94時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度值，曲線18為d’/Λ＝0.95時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度值，曲線19為d’/Λ＝0.96時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度值。隨著d’/Λ值的增加，單偏振單模傳導區(qū)域向短波長方向移動。從圖中可以看到，調(diào)整d’/Λ值對單偏振單模傳導區(qū)域范圍的大小影響很小，它在上述參數(shù)下始終大于200nm。
圖6為d’/Λ＝0.95時不同d/Λ值對應的單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度隨波長變化曲線。其中曲線20為d/Λ＝0.48時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度值，曲線21為d/Λ＝0.50時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度值，曲線22為d/Λ＝0.52時單偏振單模傳導區(qū)域中的歸一化耦合長度值。隨著d/Λ值的增加，單偏振單模傳導區(qū)域向長波長方向移動。改變d/Λ值對單偏振單模傳導區(qū)域范圍大小的影響也很小。通過圖5和圖6可以看出我們可以適當調(diào)整d/Λ或d’/Λ值來選擇單偏振單模傳導區(qū)域。
雖然結(jié)合目前認為最實際且最佳的實施例描述了本發(fā)明，不過本發(fā)明不限于所公開的實施例，而意在覆蓋所附權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)所包括的多種變型和等效設置。
權(quán)利要求
1.一種寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，它的包層由基底上按規(guī)則網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)排列空氣孔(2、3)形成，兩個缺陷纖芯(4)由包層空氣孔的缺失形成，其特征在于在光纖橫截面的兩個正交偏振方向上所述兩芯區(qū)附近的空氣孔的大小是不同的，上述橫截面結(jié)構(gòu)沿光纖的長度方向不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，其特征在于所述光纖包層空氣孔按三角形柵格排列，兩個缺陷纖芯位于三角形柵格的結(jié)點上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，其特征在于所述光纖橫截面上包層和缺陷纖芯中空氣孔可以是圓形，兩個缺陷芯區(qū)附近區(qū)域在X方向上孔的直徑小于Y方向上的孔的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，其特征在于所述光纖中接近缺陷纖芯區(qū)域Y偏振方向上的大空氣孔橫截面的特征值是其直徑，并且此直徑與間距的比值在范圍0.9到1.0之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，其特征在于所述光纖包層中小空氣孔橫截面的特征值是其直徑，并且此直徑與間距的比值在范圍0.45到0.55之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，其特征在于所述光纖包層空氣孔按矩形柵格排列，兩個纖芯位于矩形柵格的結(jié)點上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，其特征在于所述光纖橫截面上包層和纖芯中空氣孔可以是圓形，兩個芯區(qū)附近區(qū)域與X方向上孔的直徑小于與Y方向上的孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有寬帶單偏振傳輸特性的雙芯光子晶體光纖，應用于光纖通信和光學信號處理等技術領域。為了彌補現(xiàn)有技術還沒有任何關于寬帶單偏振單模雙芯光子晶體光纖，本發(fā)明提供了一種可用于實現(xiàn)此類光纖技術方案這種光纖，它的包層由基底上按規(guī)則網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)排列空氣孔形成，兩個缺陷纖芯由包層空氣孔的缺失形成，其特點在于在光纖橫截面的兩個正交偏振方向上所述兩芯區(qū)附近的空氣孔的大小是不同的，上述橫截面結(jié)構(gòu)沿光纖的長度方向不變。本發(fā)明的有益效果通過適當調(diào)節(jié)大空氣孔直徑d’或小空氣孔直徑d值，可以實現(xiàn)單偏振單模耦合波長范圍的調(diào)整。適當減小d’和增加d值，可以使此范圍向長波長方向移動，同時該范圍的大小基本保持不變。
文檔編號G02B6/02GK1837867SQ200610013590
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者開桂云, 王志, 岳洋, 劉艷格, 袁樹忠, 董孝義 申請人:南開大學