專利名稱：雙波段正交單偏振單模光子晶體光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種保偏光子晶體光纖，具體為ー類具有雙波段、正交、單偏振傳輸特性的光子晶體光纖，應(yīng)用于光纖通信波分復(fù)用/解復(fù)用和光纖多參數(shù)矢量傳感等技術(shù)領(lǐng)域。背景介紹光子晶體光纖(Photonics Crystal Fiber,簡稱PCF)又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖 (Microstructure Optical Fiber)或多孔光纖(Holey Fiber)，是在光子帶隙理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的ー種新型光纖。由于它設(shè)計靈活、具有傳統(tǒng)光纖所無法比擬的導(dǎo)光和控光特性 (如無截止波長單模傳輸、色散特性可控及高數(shù)值孔徑等)而受到廣泛的關(guān)注。基于光子晶體光纖的ー些光電子器件被廣泛應(yīng)用于光通信和光傳感等技術(shù)領(lǐng)域。按光子晶體光纖導(dǎo)光機理的不同可分為折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖和光子帶隙型光子晶體光纖，前者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)導(dǎo)光，后者則是利用光子帶隙效應(yīng)對特定波段的光實現(xiàn)在低折射率纖芯處傳導(dǎo)。光子晶體光纖的制備是影響其實用化的基礎(chǔ)， 而預(yù)制棒的設(shè)計和制作是關(guān)鍵。目前常用的方法包括堆砌法、擠壓法、溶凝膠制造法、鉆孔法等，對于以ニ氧化硅為基底的光子晶體光纖來說堆砌法是目前比較常用的方法。將制作好的預(yù)制棒置于光纖拉絲塔上進行拉制即可得到所需要的光子晶體光纖。波分復(fù)用/解復(fù)用器(WDM/DWDM)作為光纖通信系統(tǒng)的ー種重要光學(xué)器件，一直是人們研究的熱點。近年來，隨著光子晶體光纖理論和拉制技術(shù)的不斷成熟和完善，基于光子晶體光纖的波分復(fù)用/解復(fù)用器件逐漸成為人們研究的焦點。2005年，N. Florous 等人(Opt. Express，v. 13,2005 :7365-7373)提出了ー種具有偏振獨立傳輸特性的適用于 1. 31 μ m和1. 55 μ m兩個通信窗ロ的雙芯光子晶體光纖波長分束器，對無源光網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，2011年，本研究小組(Appl.Opt. ,v. 50,6576-6582)設(shè)計了一種基于雙芯光子晶體光纖的單偏振分束器，解決了光傳輸過程中偏振模耦合(PMC)和偏振模色散(PMD)的問題。但是，迄今為止所有用于光子晶體光纖分束器的光纖都是雙芯或三芯結(jié)構(gòu)，由于它們纖芯之間的距離僅為微米量級，所以它們與其它光纖連接時較為困難 ’另外它們的光學(xué)帶寬只有幾個納米，能夠復(fù)用的信道數(shù)受到很大限制。而本發(fā)明設(shè)計的光子晶體光纖的單芯結(jié)構(gòu)創(chuàng)造性的解決了光子晶體光纖與其它外部元件連接時的難題，此外它的光學(xué)帶寬達到了數(shù)十納米，遠大于雙芯或三芯光纖結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有雙芯或三芯結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖連接困難且能夠復(fù)用的信道數(shù)受到很大限制的問題，提供一種雙波段正交單偏振單模光子晶體光纖，可實現(xiàn)兩個光波段分別以相互正交偏振態(tài)傳輸。本發(fā)明提供的具有雙波段正交單偏振單模傳導(dǎo)機制的光子晶體光纖，包括基底， 在該基底上按正三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)排列的直徑為d的一組包層空氣孔形成包層，中間纖芯由包層空氣孔的缺失形成，中間纖芯附近是直徑為Cltl的兩個大空氣孔，d0 > d，以引入高雙折射所必須的結(jié)構(gòu)非対稱性，在過兩個大空氣孔圓心連線中點的垂直方向上分布著直徑分別為Cl1、d2、d3和d4的四個小空氣孔，直徑Cl1、d2、d3和d4大小各不相同且均小于包層空氣孔直徑d，以引入泄露缺陷模式及増加其與偏振基模之間的耦合強度。所述的中間纖芯位于正三角形網(wǎng)格的結(jié)點(此處結(jié)點指三角形的頂點)上，同時位于所述光子晶體光纖的幾何中心區(qū)域。所述光纖橫截面上包層空氣孔的形狀是圓形，直徑在0. 47 4微米量級。所述光纖的基底材料為石英玻璃，光纖的橫截面結(jié)構(gòu)沿光纖軸向不發(fā)生變化。該光纖結(jié)構(gòu)的工作原理如下由于光纖包層最外層中的兩個小空氣孔的直徑小于其它包層空氣孔的直徑，因此在這兩個空氣孔附近均會出現(xiàn)限制損耗較大的泄露缺陷傳導(dǎo)模式。根據(jù)折射率匹配耦合原理，當(dāng)纖芯中某一偏振模式的有效折射率等于某ー泄露缺陷模式的有效折射率吋，纖芯模式便會與缺陷模式發(fā)生強耦合而損耗掉。通過選擇合適的設(shè)計參數(shù)可以使纖芯某一偏振模式與某一泄露缺陷模式在特定波長處發(fā)生強耦合，而另外ー個偏振模式則無有效的耦合， 進而實現(xiàn)光在兩個波段的正交單偏振單模傳輸。所述光子晶體光纖外層靠近邊緣的兩個小空氣孔的直徑不同，所以兩個邊芯支持的泄露缺陷模式的有效折射率不一致，其色散曲線分別與兩個偏振模的色散曲線在 1. 31 μ m和1. 55 μ m處相交，如此便滿足了折射率匹配耦合條件，對應(yīng)的偏振模和缺陷模式便會發(fā)生較強的耦合。所述光子晶體光纖偏振模和缺陷模式之間的耦合強度受外層小空氣孔和中間纖芯之間小空氣孔直徑大小的影響，該小空氣孔直徑越小，纖芯偏振模式和泄露缺陷模式之間的耦合就越強。本發(fā)明光子晶體光纖實現(xiàn)了一種全新的導(dǎo)光機制，在這種新型光纖中，1. 31 μ m波段的光只在X偏振方向上傳輸，而1. 55 μ m波段的光只在y偏振方向上傳輸，這種新奇特性使其非常適用于波長分束以及多參數(shù)、大量程矢量傳感等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)為Λ = 4. 0 μ m, d = 1. 80 μ m, d0 = 3. 80 μ m, (I1 = 0. 471 μ m，d2 = 0. 612 μ m，d3 = 1. 280 μ m，d4 = 1. 340 μ m 吋，χ 偏振模、y 偏振模及缺陷模式的色散曲線和電場分布圖。圖3 是本發(fā)明中光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)為(a) Λ = 2. 4 μ m, d = 1.08ym,d0 = 1.92 μ HijCl1 =0. 273 μ m, d2 = 0. 368 μ m, d3 = 0. 692 μ m, d4 = 0. 830 μ m, L = 15mm (b) Λ = 4. 0 μ m, d =1. 80 μ m, d0 = 3. 80 μ m, Cl1 = 0. 471 μ m, d2 = 0. 612 μ m, d3 = 1. 280 μ m, d4 = 1. 340 μ m, L = 180mm吋，χ偏振模和y偏振模的限制損耗與電場強度的等位線圖。圖4是本發(fā)明光纖結(jié)構(gòu)中同一偏振態(tài)下兩個傳輸波段之間的串?dāng)_情況(a)被抑制掉的波段中心波長Xd= 1.55 μ m吋，y偏振方向的消光比；(b)被抑制掉的波段中心波長 Xd= 1. 31 μ m，x偏振方向的消光比。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做進ー步說明。
具體實施例方式本發(fā)明提供的雙波段正交單偏振單模光子晶體光纖，它的包層由石英玻璃構(gòu)成的基底材料上按正三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)排列的空氣孔形成，中間纖芯由包層空氣孔的缺失形成， 中間纖芯附近為兩個大空氣孔，在過兩個大空氣孔圓心連線中點的垂直方向上分布著直徑不同且均小于包層空氣孔直徑的四個小空氣孔，上述橫截面結(jié)構(gòu)沿光纖軸向不發(fā)生變化。光纖包層空氣孔是按正三角形網(wǎng)格排列的直徑為d的一組包層空氣孔，中間纖芯位于正三角形網(wǎng)格的結(jié)點(此處結(jié)點指三角形的頂點)上，同時位于所述光子晶體光纖的幾何中心區(qū)域。光纖橫截面上包層空氣孔的形狀是圓形，直徑在微米量級(0. 47 4微米)。光纖的基底材料為純石英玻璃。所述光纖中間纖芯附近的兩個大空氣孔的直徑為Cltl，d0 > d (包層空氣孔直徑)， 以弓丨入高雙折射所必須的結(jié)構(gòu)非対稱性。在過兩個大空氣孔圓心連線中點的垂直方向上分布著直徑分別為C^dpd3和d4的四個小空氣孔，直徑C^dpd3和d4大小各不相同且均小于包層空氣孔直徑d，以引入泄露缺陷模式及増加其與偏振基模之間的耦合強度。上述橫截面結(jié)構(gòu)沿光纖軸向不發(fā)生變化。實施例1圖1所示為本發(fā)明實施例的光纖橫截面示意圖，雙波段正交單偏振單模單芯光子晶體光纖的基底材料采用純石英玻璃，光纖包層中的空氣孔位于正三角形網(wǎng)格的結(jié)點(此處結(jié)點指三角形的頂點，見圖1)上，包層空氣孔的直徑為山相鄰空氣孔的間距為Λ，中間纖芯附近兩個大空氣孔的直徑為Cl0，光纖外包層的兩個小空氣孔的直徑分別為Cl1和d2，中間纖芯和光纖外包層小空氣孔之間的空氣孔直徑分別為d3和d4。圖2為本發(fā)明中光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)為Λ = 4. 0 μ m, d = 1. 80 μ m, d0 = 3. 80 μ m, (I1 = 0. 471 μ m, d2 = 0. 612 μ m, d3 = 1. 280 μ m, d4 = 1. 340 μ m 時，通過全矢量有限元法計算得到的χ偏振摸、y偏振模及缺陷模式的色散曲線和電場分布圖?？梢缘贸鰔偏振模的色散曲線與缺陷模式2的色散曲線在1. 55 μ m處相交；y偏振模的色散曲線與缺陷模式1的色散曲線在1. 31 μ m處相交。圖3 是本發(fā)明中光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)為(a) Λ = 2. 4 μ m, d = 1.08ym,d0 = 1.92 μ HijCl1 =0. 273 μ m, d2 = 0. 368 μ m, d3 = 0. 692 μ m, d4 = 0. 830 μ m, L = 15mm (b) Λ = 4. 0 μ m, d =1. 80 μ m, d0 = 3. 80 μ m, Cl1 = 0. 471 μ m, d2 = 0. 612 μ m, d3 = 1. 280 μ m, d4 = 1. 340 μ m, L = 180mm吋，通過全矢量有限元法計算得到的χ偏振模和y偏振模的限制損耗與電場強度的等位線圖?？梢缘贸鲈谶@種光子晶體光纖中，χ偏振模在1.55μπι附近有較大的限制損耗，而y偏振模則在1. 31 μ m附近的限制損耗較大；然而χ偏振模在1. 31 μ m附近限制損耗非常小，y偏振模在1. 55 μ m附近限制損耗非常小。因此，當(dāng)輸入光源僅為1. 31 μ m和 1.55ym波段的光吋，傳輸一段距離后，則只剩下1. 31 μ m波段的χ偏振光和1. 55 μ m波段的y偏振光在其中傳輸，并且兩個波段均為單偏振單模傳輸。另外，從模式強度分布的等位線可以看出某一個偏振基模和對應(yīng)的缺陷模式在色散曲線交點位置有較強的耦合，而在同一波長處，另外ー個偏振基模與兩個缺陷模式都沒有有效的耦合。比較圖2和圖3(b)，可以看出纖芯偏振模和泄露缺陷模式色散曲線的交點位置與損耗峰的位置相符，符合折射率匹配耦合條件。
圖4為本發(fā)明光纖結(jié)構(gòu)中同一偏振態(tài)下兩個傳輸波段之間的串?dāng)_情況(a)被抑制掉的波段中心波長Xd= 1.55 μ m，y偏振方向上的消光比；(b)被抑制掉的波段中心波長 Xd= 1.31 μ m，χ偏振方向上的消光比?？梢缘贸霎?dāng)這種新型光子晶體光纖用于波長分束器時，它的光學(xué)帶寬達到了數(shù)十納米，遠大于雙芯或三芯光纖結(jié)構(gòu)。雖然結(jié)合目前認(rèn)為最實際且最佳的實施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于所公開的實施例，包括意在覆蓋所附權(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(shè)置。
權(quán)利要求
1.ー種具有雙波段正交單偏振單模傳導(dǎo)機制的光子晶體光纖，其特征在于，該光子晶體光纖包括基底，在該基底上按正三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)排列的直徑為d的一組包層空氣孔形成包層，中間纖芯由包層空氣孔的缺失形成，中間纖芯附近是直徑為Cltl的兩個大空氣孔，dQ > d，在過兩個大空氣孔圓心連線中點的垂直方向上分布著直徑分別為も、d2、d3和d4的四個小空氣孔，直徑d” d2、d3和d4大小各不相同且均小于包層空氣孔直徑d。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖，其特征在于所述的中間纖芯位于正三角形網(wǎng)格的結(jié)點上，同時位于所述光子晶體光纖的幾何中心區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光纖，其特征在于所述光纖橫截面上包層空氣孔的形狀是圓形，直徑在0. 47 4微米量級。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光子晶體光纖，其特征在于所述光纖的基底材料為石英玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光子晶體光纖，其特征在于所述光纖的橫截面結(jié)構(gòu)沿光纖軸向不發(fā)生變化。
全文摘要
雙波段正交單偏振單模光子晶體光纖，可應(yīng)用于光纖通信波分復(fù)用/解復(fù)用、光纖多參數(shù)及矢量傳感等技術(shù)領(lǐng)域。該光子晶體光纖的包層由純石英基底材料上按正三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)排列的空氣孔形成，中間纖芯由包層空氣孔的缺失形成，位于光纖的幾何中心區(qū)域，中間纖芯附近為兩個直徑大于包層空氣孔直徑的大空氣孔，在過兩個大空氣孔圓心連線中點的垂直方向上分布著直徑不同且均小于包層空氣孔直徑的四個小空氣孔，上述橫截面結(jié)構(gòu)沿光纖軸向不發(fā)生變化。通過適當(dāng)選擇包層中小空氣孔直徑的大小，光纖可以支持1.31μm和1.55μm兩個不同波段的光在呈正交的兩個偏振方向上保持各自獨立傳輸，如此，利用單芯結(jié)構(gòu)便實現(xiàn)了以往雙芯或三芯結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)的波長分束功能。
文檔編號G02B6/02GK102540324SQ20121004610
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者劉艷格, 宋峰, 張偉剛, 張珊珊, 王志, 耿鵬程, 薛曉琳, 高社成, 魏石磊 申請人:南開大學(xué)