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製作方法

2023-11-02 12:02:47 1

專利名稱：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製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單模單偏振光子晶體光纖結構，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，可廣泛應用於非線性光學、光通信、傳感等領域。
背景技術：
自1996年英國科技工作者研製出第一條光子晶體光纖以來[lJ.C.Knight，et al，Opt. Lett. 1996,21(19) :1547 1549.]，光子晶體光纖以其結構設計靈活、具有普通光纖無法比擬的突出優點等特性得到了科技工作者的廣泛關注和深入研究[I ； 2J. C. Knight，et al,Science，1998，282 :1476 1478 ；3 P.St. J.Russell，Science，2003，299 358 362.]，並使得光子晶體光纖廣泛應用於非線性光學、光通信、傳感等領域，應用前景異常廣闊。近年來，通過合理地改變光子晶體光纖設計結構，可以在一定帶寬範圍內成功實現單模單偏振運作。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，在高功率光纖雷射器、傳感、光通信等各種領域得到了密切關注和廣泛應用。相關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帶寬內實現了單模單偏振運用[4Daniel A. Nolan, et al, Opt. Lett. 2004,29(16) :1855 1857.]，在波長 727nm 附近 220nm 帶寬範圍實現單偏振運作[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帶寬範圍實現了單模單偏振運作[6Jian Ju, et al. J. Lightwave Technol. 2006,24(2) :825 830.],實現了從460nm帶寬的單模單偏振運作[7Fangdi Zhang et al. J. Lightwave Technol. 2007，25 (5) : 1184 1189.]，實現了 560nm 帶寬的單模單偏振運作[8Ming_Yang Chen etal. J. Lightwave Technol. 2010, 28 (10) : 1443 1446.],實現了 250nm 帶寬的單模單偏振運作[9DoraJuan Juan Hu, et al. Appl. Opt. 2009,48 (20) :4038 4043.],低損耗單模單偏振運用帶寬為 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陣包層的光子晶體光纖，目的在於實現更寬帶寬的單模單偏振運作、色散平坦、負色散等特性，從而為光子晶體傳輸光纖及其相關器件等實用化提供理論支持，以彌補以往文獻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；並採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、負色散等特性隨入射光波長變化情況。專利申請內容本發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，實現了更寬帶寬、色散平坦的單模單偏振運作，從而為光纖偏振器、光子晶體傳輸光纖等實用化提供了支持，以補充上述文獻研究在帶寬方面和未涉及色散等方面的不足；並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變化規律。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是本發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矽基質和圓形、橢圓空氣孔點陣組成，光纖內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，從而實現單模單偏振運用。內包層圓形空氣孔點陣使光纖具有較低的色散。本發明的有益效果是實現了寬帶寬單模單偏振的運用；在入射光波長I. 193iim至I. 384iim範圍內，該光纖呈現出寬帶寬、色散平坦特性，使其在光傳輸等領域具有廣_應用前景。該光纖具有500nm範圍的負色散區域，可以用於常規光纖長波長波段的色散補償。


圖I是本發明光子晶體光纖的橫截面示意圖。圖2是入射光波長I. 550lim時x和y偏振模的電場分布,箭頭表不偏振方向；橫向箭頭表徵X偏振模電場(a),縱向箭頭表徵y偏振模電場(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的變化。圖3 (a)中帶小圓圈和小方塊的實線分別表示X和y偏振模的有效折射率隨入射光波長的變化，圖3 (b)中帶小三角形的實線表示模式雙折射(即y和X偏振模的有效折射率之差)隨入射光波長的變化。圖4所示是限制損耗及其差值隨入射光波長的變化。圖4(a)中帶小圓圈和小方塊的實線分別是X和y偏振模的限制損耗隨入射光波長的變化，圖中採用半對數坐標；圖4(b)中實線是y偏振模和X偏振模的限制損耗差值隨入射光波長的變化，圖中限制損耗差值採用半對數坐標。圖5所示是單模單偏振光子晶體光纖色散隨入射光波長的變化。
具體實施例方式下面結合附圖和實施對本發明進ー步說明。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矽基質和圓形與橢圓形空氣孔組成。光纖內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，從而實現單模單偏振運用。內包層圓形空氣孔點陣使光纖具有較低的色散。圖中灰色區域是純ニ氧化矽，白色的圓和橢圓表示空氣孔，外圍的實線矩形區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的模場特性可以通過改變這些空氣孔的形狀和空間分布來改變。
圖2是入射光波長I. 550lim時x和y偏振模的電場分布,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，兩個偏振模的電場關於光纖中心X軸和y軸是對稱分布的,X偏振模電場向包層的擴展明顯比y偏振模電場向包層的擴展要小得多。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，模式雙折射為I. 458乂10-2，拍長為0. 106mm ;x和y偏振模的限制損耗分別是3. IOXlO^dB/km和I. 721dB/km。若按照目前常規通信系統發射功率OdBm、跨距80km計算，入射光在該光纖中傳輸80km後，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,而常規光譜儀等探測器件的實際背景噪聲為-60dBm左右，這樣，X偏振模可以被探測並再放大，y偏振模在光纖傳輸中被衰減掉，從而實現單模單偏振運用偏振模的數值孔徑是
0.447，有效模場面積是3. 066 u m2，非線性係數是34. 373 ^/!^當入射光波長增加吋，y偏振模在該光纖傳輸更短的距離就會被衰減棹；該光纖可廣泛應用於不同的光纖器件中。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的變化。圖3(a)中帶小圓圈和小方塊的實線分別表示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值)隨入射光波長的變化。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的減小而增加；x偏振模的有效折射率隨波長減小由I. 284增加到I. 413, y偏振模的有效折射率隨波長減小由I. 409增加到I. 256 ;對應同一入射光波長，y偏振模的有效折射率比x偏振模的有效折射率要小，兩者之差的絕對值(即模式雙折射)隨入射光波長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的變化。圖4(a)中帶小圓圈和小方塊的實線分別是X和y偏振模的限制損耗隨入射光波長的變化，圖中採用半對數坐標；圖4(b)中帶三角的實線是y偏振模和X偏振模的限制損耗差值隨入射光波長的變化，圖中限制損耗差值採用半對數坐標。由圖4可得，X和y偏振模的限制損耗隨入射光波長增加迅速增加偏振模的限制損耗隨波長增加由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增加由8. 951Xl(T7dB/km迅速增加到到I. 806X 107dB/km。對應同一入射光波長，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I. Ium至2 y m範圍內，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的增加而呈近似指數迅速増加，由入射光波長I. I U m時對應的損耗差值5. 097X 10_7dB/km增加到入射光波長2. 5 ii m時對應的I. 804X 107dB/km。這表明，當入射光波長稍小於光纖中空氣孔尺寸時，空氣孔阻礙入射光向包層擴展的作用加強，光纖的限制損耗減小；當入射光波長稍大於光纖中空氣孔尺寸時，入射光通過空氣孔向包層的衍射作用加強，空氣孔阻礙入射光向包層擴展上的作用減弱，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,從而在該光纖中實現單模單偏振運用。按照單模單偏振運用的理論，可使入射光波長從I. 55 ii m至2. 5 ii m範圍內在該光纖中實現單模單偏振運用。圖5所示是單模單偏振光子晶體光纖色散隨入射光波長的變化。圖5中點線為材料色散，點劃線是波導色散，實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及其器件研究工作者需要努力探索研究的一個熱點話題。圖5可以看出，材料色散隨入射光波長增加近似線性增加，波導色散在入射光波長I. I U m至
2.5 範圍內隨波長增加而迅速減小；這種色散分布導致了該光纖總色散出現了較大範圍內的色散平坦特性和較大範圍內的負色散特性。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，該光纖從I. 193 y m至I. 384 y m範圍內的色散平坦度
(研究波段範圍內最大值與最小值之差)為2. 039ps/ (km nm),優於文獻[12苑金輝,侯
藍田，周桂耀等，光電子 雷射，2008，19 (8) =1007-1010]的0. 83 y m至I. 02 y m範圍內的
色散平坦度9psバkm ^nm),比文獻[13周會麗，張霞，高健等.光電子 雷射，2009，20 (I)
28-31]的I. 480 ii m至I. 620 ii m範圍內的色散平坦度I. 8ps/ (km nm)稍差，該光纖的色 散平坦範圍191nm與文獻[12]的190nm幾乎相同、優於文獻[13]的140nm和文獻[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中具有重
要應用價值。當入射光波長大於2. 015 u m時總色散為負值；當入射光波長為2. 5 ii m吋，總
色散達到-125. 1417ps/(km nm)。這表明該光纖可以用於常規光纖長波長波段的色散補m
\-ZX o總之，本發明提出的光子晶體光纖結構是實現寬帶寬、色散平坦單模單偏振運用的有效方案。當入射光波長1.550 iim時，模式雙折射為1.458父10-2，拍長為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，從而實現單模單偏振運用。研究結果表明，提出的新型單模單偏振光子晶體光纖能夠在入射光950nm的較寬範圍內實現單模單偏振運用。在入射光波長I. 193iim至I. 384 iim範圍內，該光纖呈現出寬帶色散平坦特性，使其在超連續譜產生、脈衝傳輸等領域具有廣闊應用前景。該光纖具有500nm範圍的負色散區域，可以用於常規光纖長波長波段的色散補償。
權利要求
1.設計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矽基質、圓形空氣孔正方形陣列、三環橢圓形空氣孔點陣組成。
2.根據權利要求I所述的單模單偏振光子晶體光纖，其特徵在於所述光纖的六角形格子橢圓空氣孔點陣中，橢圓空氣孔的間隔為1. 8 ii m。
3.根據權利要求I所述的單模單偏振光子晶體光纖，其特徵在於所述光纖中，外包層橢圓空氣孔短軸直徑為0. 9 ii m，長軸直徑為I. 8 ii m。
4.根據權利要求I所述的單模單偏振光子晶體光纖，其特徵在於所述光纖的中間包層圓形空氣孔正方形點陣中，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
本發明設計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。本發明提出在光子晶體光纖結構中引入圓形橢圓形空氣孔混合陣列實現了寬帶寬、色散平坦單模單偏振的運用；該光纖能夠在入射光波長1.193μm至1.384μm範圍內，該光纖呈現出寬帶寬色散平坦特性；在長波長區500nm範圍內呈現負色散特性；該特性可以使其在常規光纖長波長波段的色散補償、超連續譜產生、脈衝傳輸、光通信等領域具有廣闊應用前景。
文檔編號G02B6/036GK102955198SQ20121039274
公開日2013年3月6日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者黎昕, 鄭宏軍, 劉山亮 申請人:聊城大學