一種基於狹縫效應的超高非線性光子晶體光纖的製作方法

2023-04-29 13:41:06 1

專利名稱：一種基於狹縫效應的超高非線性光子晶體光纖的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光子晶體波導結構，具體涉及一種具有超高非線性的光子晶體光纖。
技術背景光子晶體光纖又稱為多孔光纖或微結構光纖。在光纖端面上，規則排列的許多尺寸在波 長量級的空氣孔在基底材料中延軸向伸長，在光纖的中心位置缺失一個空氣孔，代之以實心 的光纖基底材料，或者插入折射率高於基底材料的其他材料形成導光的芯，而外圍空氣孔在 基底材料中呈均勻排列形成包層，光場基本被限定在中心位置高折射率區域，這類光纖也可 以認為是通過全內反射原理導光，因此又稱為全內反射型光子晶體光纖。通過調節包層空氣 孔大小，孔間距大小、中心實體的大小、中心實體的折射率，可以使光子晶體光纖具有靈活 多樣的雙折射、非線性、色散特性。狹縫波導結構於2004年被首次提出，它是一種由納米級尺寸的低折射率材料構成的特殊 光波導結構。在狹縫波導結構中，波導的芯結構由納米寬度的高折射率材料和低折射率材料 共同構成，波導的芯結構由納米寬度的高折射率材料和低折射率材料共同構成，而光場可以 被主要限制在其中的低折射率材料中。這種特殊的導光形式被稱為狹縫效應。隨著光通信與光傳感技術的飛速發展，超快光學非線性效應的研究與應用己經成為全光 信號處理研究中不可或缺的關鍵技術，同時也為超高非線性的波導器件帶來了日益強烈的應 用需求。從波導設計的角度，提高波導非線性係數主要通過選用高非線性的基底材料和努力 減小有效模場面積兩種方法來實現。普通光子晶體光纖可以通過在一定範圍內提高空氣孔的 佔空比來增大光子禁帶區域覆蓋的面積，進而.以達到壓縮模場有效面積的目的。然而空氣孔 佔空比提高的同時也減小了用於導光的光子帶隙區域的覆蓋面積，當光子帶隙與禁帶面積的 差別達到一定程度時，纖芯處模場就被完全禁止，造成光纖不再導光。另一種情況是不改變 包層空氣孔的結構，直接在普通光子晶體光纖中心插入高射率的芯，這種光子晶體光纖的光 場集中在纖芯中傳播。此時，直接減小高射率芯區面積也可以有效的壓縮模場面積。但高折 射率芯區在面積減小同時，其對光場的束縛能力也會不斷劣化，當芯區減小到一定程度時， 光場就會開始發散。相比之下，狹縫波導可以有效的將光場限制在納米級尺寸的區域內，因 此可以方便的實現小模場面積從而具有高非線性。近年來，不同結構、不同材料的狹縫波導 結構得到了大量的理論研究和實驗驗證。基於矽基的低折射率狹縫波導結構已被實現，並經 過實驗驗證。相關研究也已證明，通過對狹縫結構的設計優化，例如釆用不對稱狹縫波導結 構、優化狹縫和平板的幾何結構和尺寸，能夠實現對光功率的更好限制。但是狹縫波導作為 一種平面波導，在傳輸損耗以及易用性等方面，與光纖波導相比還存在一定的不足。本發明提出了一種基於狹縫效應的光子晶體光纖結構。在光子晶體周期性包層結構局域 光場的基礎上，利用納米級尺寸的狹縫進一步壓縮光場，從而獲得一種超高非線性光纖波導。 計算表明由於光纖包層的作用，所述高非線性光纖中發生狹縫效應所要求的狹縫寬度大於普 通的平面狹縫波導，這為實際製作提供了方便。本發明提出的基於狹縫效應的光子晶體光纖， 與普通高非線性光子晶體光纖相比，徹底突破了後者在減小有效模場面積上的局限性；與普 通平板狹縫波導相比，所具有的光纖波導的形式可以進一步降低傳輸損耗，從而能夠大大提 高其在實際應用中的有效長度和便利性。本發明提出的超高非線性光子晶體光纖在全光信號 處理等方面有著廣闊而重要的應用前景。
發明內容
技術問題本發明要解決的技術問題是在纖芯處對稱分布兩塊橫截面為橢圓形或者方形的高折射率 材料，通過高折射率材料形成的狹縫，對模場有效面積進一步壓縮進而獲得超高非線性係數。 從便於實際製作的角度，優化設計高折射率材料的尺寸和形狀，獲得具有超高非線性的光子 晶體光纖。本發明的目的是解決目前在普通光纖和光子晶體光纖中都難以實現超高非線性的困難， 提供一種結構簡便並容易製作的超高非線性的基於狹縫效應的光子晶體光纖。 技術方案本發明的基本原理為光子晶體光纖利用其周期性結構的包層，將光場集中到光纖端面 中心區域傳輸。而在此中心區域對稱放置的兩塊高折射率材料，與光纖基底材料在光子晶體 纖芯又共同形成了寬度為幾十至幾百納米的狹縫。在此中心區域的高折射率材料以及狹縫結 構內，利用在不同介電常數材料界面上電場矢量的垂直分量不連續，且其大小與材料介電系 數的平方成反比的原理，低折射率的光纖基底材料狹縫中的電場分布將大大高於其旁邊的高 折射率材料中的電場，從而實現將光進一步限制在由低折射率材料構成的狹縫中傳輸的作用。在這種情況下，兩種材料折射率的對比度越大，電場就越不連續，導致低折射率的狹縫部分 中的電場強度越強。本發明提出的一種基於狹縫效應的光子晶體光纖，光纖的橫斷面包括纖芯和包層。所述 的包層與普通光子晶體光纖一致，為包圍纖芯的均勻分布著相同結構空氣孔的外圍區域，所 述的空氣孔在光纖基底材料中呈周期性排列，尺寸為波長量級，每相鄰的三個空氣孔單元構 成一個正三角形。所述的纖芯由位於光纖端面中心部位的由光纖基底材料和另外一種實心材 料共同構成，所述的實心材料的折射率高於光纖基底材料的折射率，兩塊實心材料對稱分布於光纖端面中心的兩側且其外緣的最小距離須小於400nm以產生狹縫效應。所述的兩塊高折射率實心材料，其橫截面可以為圓形、橢圓形、方形或長方形。圓形截面的直徑、橢圓形截面的短軸直徑、方形截面的邊長、長方形截面的短邊長度須小於400納米，以避免形成大面積的高折射率區域，確保光場被束縛在狹縫中。所述的光纖基底材料可以為石英玻璃，也可以為其他高非線性矽酸鹽玻璃材料。 有益效果本發明所述的光子晶體光纖的有益效果主要體現在在光子晶體周期性包層結構局域光 場的基礎上，高折射率材料與光纖基底材料共同形成狹縫將光限制在納米級尺寸的低折射率 基底材料區域中傳播，極大的減小了有效模場面積，導致光子晶體光纖具有高非線性係數。 進一步，如果使用高非線性矽酸鹽玻璃材料作為光纖基底材料，可以獲得超高非線性的光子 晶體光纖。


圖l是本發明一個實施例的橫截面示意圖，其中有光纖基底材料l、長方形截面高折射 率材料2、包層中的空氣孔3;狹縫4; 圖2是圖1示例的TE模場分布圖；圖3是本發明另一個實施例的橫截面示意圖，其中有光纖基底材料l、橢圓形截面高折 射率材料2、包層中的空氣孔3;狹縫4;圖4是圖3示例的TE模場分布圖；具體實施方式
實施例一參照附圖1 2， 一種基於狹縫效應的光子晶體光纖，截面結構如圖l所示，光纖的基底材 料1為石英，1.55pm處折射率為1.45，非線性係數nf2.6xl0^m"W，包層中空氣孔3按照本技 術領域公認的普通光子晶體光纖通常採用的正三角形規則在基底材料l中均勻排列，相鄰空氣中每個空氣孔3的直徑為(1 = 0.8八。纖芯區域與基底材料l共同形成 狹縫4的兩塊高折射率材料2為矽，1.55lam處折射率為3.46。每塊高折射率材料2的橫截面為長 方形，其長邊長為3=0.3八，短邊長為b-0.1A，兩塊高折射率材料2中心間距為評=0.15八。 高折射率材料2與光纖基底材料1共同構成纖芯，並在光纖端面中心區域形成狹縫4，其1.55pm 波長處的TE模場分布如圖2所示，有效折射率為2.128。利用狹縫4對模場的進一步束縛，該光 子晶體光纖具有極小的有效模場面積和極低的限制損耗，其有效模場面積在1.55pm波長處僅 為0.1785nm2，非線性係數r約為590W"km"。實施例二參照附圖3 4，另一種基於狹縫效應的光子晶體光纖，截面結構如圖3所示，光纖的基底 材料l為高非線性矽酸鹽玻璃Schott SF57， 1.55pm處折射率為1.8 ，非線性係數 n2=4.1xlO-19m2/W，包層中空氣孔3按照本技術領域公認的普通光子晶體光纖通常採用的正三 角形規則在基底材料l中均勻排列，相鄰空氣孔的間距為A二2)am，包層中每個空氣孔3的直徑 為(1 = 0.8八。纖芯區域與基底材料1共同形成狹縫4的兩塊高折射率材料2為矽，1.55,處折射 率為3.46。每塊高折射率材料2的橫截面為橢圓形，其長軸為& = 0.3八，短軸為b二0.1A，兩塊 高折射率材料2中心間距為w = 0.15A。高折射率材料2與光纖基底材料1共同構成纖芯，並在 光纖端面中心區域形成狹縫4，其1.55nm波長處的TE模場分布如圖4所示，有效折射率為2.188。 利用狹縫4對模場的進一步束縛，其有效模場面積在1.55iim波長處僅為0.2189)am2，非線性系 數r約為7593W"km—1。
權利要求
1. 一種光子晶體光纖，光纖的橫斷面包括纖芯和包層，包層與普通光子晶體光纖一致，為包圍纖芯的均勻分布著相同結構的空氣孔的外圍區域，所述空氣孔在光纖基底材料中呈周期性排列，其尺寸為波長量級，每相鄰的三個空氣孔單元構成一個正三角形，其特徵在於，由光纖基底材料和另外一種實心材料共同構成纖芯，所述的實心材料為兩塊，分布於光纖橫斷面中心兩側且關於光纖橫斷面中心對稱，其折射率高於光纖基底材料的折射率。
2. 如權利要求1所述的一種光子晶體光纖，其特徵在於所述的兩塊高折射率材料的外緣在光 纖橫斷面中心的最短距離須小於400納米。
3. 如權利要求l-2所述的一種光子晶體光纖，其特徵在於所述的兩塊高折射率材料的橫截面 為橢圓形。
4. 如權利要求l-2所述的一種光子晶體光纖，其特徵在於所述的兩塊高折射率材料的橫截面 為長方形或方形。
5. 如權利要求l-2所述的一種光子晶體光纖，其特徵在於所述的兩塊高折射率材料的橫截面 為圓形。
6. 如權利要求1-3所述的一種光子晶體光纖，其特徵在於所述的高折射率材料橢圓形截面的 短軸直徑須小於400納米。
7. 如權利要求1-2， 4所述的一種光子晶體光纖，其特徵在於所述的高折射率材料方形截面 的短邊長鬚小於400納米。
8. 如權利要求l-2， 5所述的一種光子晶體光纖，其特徵在於所述的高折射率材料圓形截面的 直徑須小於400納米。
9. 如權利要求l-8所述的一種光子晶體光纖，其特徵在於光纖的基底材料為石英玻璃材料。
10. 如權利要求1-8所述的一種光子晶體光纖，其特徵在於光纖的基底材料為高非線性矽酸 鹽材料。
全文摘要
本發明公開了一種光子晶體光纖，光纖的橫斷面包括纖芯和包層，包層與普通光子晶體光纖一致，為包圍纖芯的均勻分布著相同結構的空氣孔的外圍區域，所述空氣孔在光纖基底材料(1)中呈周期性排列，尺寸為波長量級，每相鄰的三個空氣孔(3)單元構成一個正三角形，所述的纖芯由位於光纖端面中心部位的由光纖基底材料(1)和另外一種實心材料(2)共同構成，所述的實心材料(2)的折射率高於光纖基底材料的折射率，兩塊實心材料(2)對稱分布於光纖端面中心的兩側且其外緣的最小距離須小於400nm以產生狹縫(4)。所述的實心高折射率材料(2)的截面可以是圓形、橢圓形、方形或者長方形，圓形截面的直徑、橢圓形截面的短軸直徑、方形截面的邊長、長方形截面的短邊長度須小於400納米。本發明通過改變光子晶體光纖的纖芯結構，利用狹縫(4)將光限制在納米級尺寸的低折射率基底材料(1)區域中傳播，極大的減小了有效模場面積，導致光子晶體光纖具有超高非線性和超低限制損耗。本發明利用簡單且便於製作的結構解決了現有光子晶體光纖技術中，難以實現超高非線性的問題。
文檔編號G02F1/355GK101281273SQ20081010578
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月5日 優先權日2008年5月5日
發明者琳 安, 錚 李, 穆達瑟, 錚 鄭 申請人:北京航空航天大學