雙包層光子晶體光纖的製作方法

2023-05-30 19:26:21 2

本實用新型涉及一種光子晶體光纖，特別指雙包層光子晶體光纖。

背景技術：

光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)又稱微結構或多孔光纖，由纖芯及其周圍周期性排列著微小的空氣孔而構成。通過改變空氣孔的尺寸和填充率，可以靈活調節包層和纖芯的相對摺射率，從而達到對光的約束效果，實現光的傳導。根據導光機理的不同，光子晶體光纖又可分為全內反射型光子晶體光纖(Total Internal Reflection PCF，簡稱TIR-PCF)和光子帶隙型光子晶體光纖(Photonic Band Gap PCF，簡稱PBG-PCF)。光子晶體光纖之所以被廣泛應用於多領域中主要在於其獨特的特性：無截止單模，可控的模式面積，較寬波長範圍內可控的色散特性，和作為傳輸介質的高非線性特性等。雖然PCF基於一些獨特優勢被廣泛應用於各領域，但其高損耗卻制約著一些應用的進一步發展。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種在λ＝1.30～1.80μm波段時損耗較低的可做色散補償光纖。

為達成上述目的，本實用新型雙包層光子晶體光纖，包括纖芯、內包層和外包層，其中，光纖本體材料為折射率為n1＝1.44的熔融石英，纖芯由一個缺失的空氣孔構成，內包層由第一層、第二層的小空氣孔構成，外包層由第三層、第四層空氣孔構成，而外包層與內包層角度相差30°，內包層空氣孔的直徑d1為0.5～0.7μm，外包層空氣孔的直徑d2為1.4～1.6μm，第一、二層空氣孔的節距Λ1為1.3～1.5μm，第二、三層空氣孔的節距Λ2為1.7～1.8μm，第三、四層空氣孔的節距Λ3為1.9～2.1μm。

所述的內包層空氣孔的直徑d1為0.5，外包層空氣孔的直徑d2為1.5μm，第一、二層空氣孔的節距Λ1為1.5μm，第二、三層空氣孔的節距Λ2為1.75μm，第三、四層空氣孔的節距Λ3為2μm。

所述包層空氣孔呈六邊形設置。

採用了上述方案後本實用新型PCF由雙包層構成主要是因為雙包層結構不僅使得耦合難度降低，而且具有獨特的色散特性，便於調節，當d1＝0.5μm時，可以使得所設計的光纖在λ＝1.55μm處出現最低損耗，達7.39×10-6dB/km，使得該PCF不僅可做色散補償光纖，而且實現低損耗傳輸。

附圖說明

圖1為本實用新型結構截面示意圖。

具體實施方式

為詳細說明本實用新型的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合實施方式並配合附圖詳予說明。

請參閱圖1，本實用新型雙包層光子晶體光纖，包括纖芯、內包層和外包層，其中，光纖本體材料為折射率為n1＝1.44的熔融石英，纖芯由一個缺失的空氣孔構成，包層為四層呈六邊形的空氣孔，內包層由第一層、第二層的小空氣孔構成，外包層由第三層、第四層空氣孔構成，而外包層與內包層角度相差30°，內包層空氣孔的直徑d1為0.5～0.7μm，外包層空氣孔的直徑d2為1.4～1.6μm，第一、二層空氣孔的節距Λ1為1.3～1.5μm，第二、三層空氣孔的節距Λ2為1.7～1.8μm，第三、四層空氣孔的節距Λ3為1.9～2.1μm。

採用全矢量有限元法(Finite Element Method,FEM)，對光子晶體光纖的各個參數進行設置，計算出了光子晶體光纖基模的有效折射率neff，以此分析其在1.30～1.80μm寬帶範圍內的色散和損耗特性。

光子晶體光纖的總色散為

其中λ為傳播波長，c為真空中的光速，neff(λ)為基模有效折射率，Dm(λ)為材料色散。

光纖的一個重要參量是光信號在光纖內傳輸時功率的損耗。若P0是入射光纖的功率，傳輸功率

pT＝p0exp(-αL)

式中，α是衰減係數，通常稱為光纖損耗，L是光纖的長度。

光子晶體光纖損耗沿用了傳統石英光纖損耗的定義，即光信號沿光纖傳輸時光功率的衰減。不同波長的衰減是不同的，連續對不同波長的損耗測量，叫做損耗譜測量。在實際中損耗通常可以使用衰減係數表達：

所設計的新型雙包層光子晶體光纖(double-cladding photonic crystal fiber,DC-PCF)，由於模式光場主要分布在纖芯附近，因而離纖芯最近的一層空氣孔對光纖的傳輸特性起主要作用。下面主要分析光纖包層中內包層空氣孔直徑d1、外包層空氣孔直徑d2和空氣孔節距(Λ1、Λ2、Λ3)分別對於色散和損耗的影響。

本文基於六邊形的空氣孔排布，提出了一種新型雙包層PCF結構。由於這種結構的PCF色散特性主要是由內芯和周圍的空氣孔結構決定的，因此，內包層結構與常規PCF相同時，可以實現相似的色散特性。而外包層的結構會影響限制損耗，所以通過優化外包層的結構來降低損耗。同時，由全內反射定理可知，包層的周期性結構對於高折射率芯導光幾乎沒有影響，且具有規則結構的PCF難以在寬波段獲得平坦色散，故本文將最內包層空氣孔的直徑縮小以調節光纖的色散特性。

通過合理設置PCF內、外包層空氣孔的直徑和空氣孔節距，內包層空氣孔的直徑d1為0.5μm，外包層空氣孔的直徑d2為1.5μm，第一、二層空氣孔的節距Λ1為1.5μm，第二、三層空氣孔的節距Λ2為1.75μm，第三、四層空氣孔的節距Λ3為2μm時，使得此PCF不僅可以實現寬帶色散補償而且具有低損耗的特性。數值結果顯示，該PCF實現了色散在1.30～1.80μm的波段內呈寬帶色散補償效果，並使所設計的光纖在λ＝1.55μm時，限制損耗達7.39×10-6dB/km。由此，本設計為基於寬帶色散補償光子晶體光纖的器件的選材和應用提供了參考，而此設計的低損特性可以增大光子晶體光纖的傳輸效率，為其實現實用化提供了一定的理論依據。

以上所述僅為本實用新型的實施例，並非因此限制本實用新型的專利範圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效形狀或結構變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護範圍內。