一種高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖及其制備方法
【專利摘要】一種高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖，包括纖芯和包層，包層折射率低于纖芯；光纖的背景材料是石英玻璃，該結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖包層為正六邊形排列的空氣孔點(diǎn)陣，纖芯是由中心去掉兩個空氣孔形成，中間由一個直徑為d1的圓形空氣孔隔離開，在最內(nèi)層加入橢圓空氣孔來破壞原有結(jié)構(gòu)的對稱性，將包層十二個圓形空氣孔換成四個橢圓空氣孔a和2個橢圓空氣孔b，橢圓孔的橢圓度η=m/n，m為橢圓孔的短軸長度，n為橢圓孔的長軸長度；包層圓形空氣孔d的直徑長度為d2，Λ為孔間距。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該光纖引入微結(jié)構(gòu)纖芯，模式雙折射性能比普通的光子晶體光纖高出一個數(shù)量級達(dá)到10-2；該光纖性能優(yōu)良且易于制作，適于制作偏振分束器。
【專利說明】一種高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖通信技術(shù)，特別是一種高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖及 其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖，它是一種帶有缺陷的二維光波導(dǎo)，其橫截面 具有周期性排列的微結(jié)構(gòu)空氣孔，背景材料為石英玻璃，通過微小空氣孔對光進(jìn)行約束，實 現(xiàn)光的傳導(dǎo)。
[0003] 相比傳統(tǒng)光纖，光子晶體光纖有很多特性：如無截止的單模特性、低損耗特性、靈 活的色散特性等。按照纖芯材料的不同，光子晶體光纖可以分為折射率導(dǎo)光型和帶隙引導(dǎo) 型。并且通過改變光子晶體光纖空氣孔的半徑、孔間距等幾何參數(shù)可以靈活地改變光子晶 體光纖的傳輸特性。
[0004] 模式的雙折射是衡量保偏光纖性能的重要參數(shù)，它是由光纖基模的兩個偏振方向 上的有效折射率差的不同而產(chǎn)生的，因而增大二者的折射率差可以有效地迅速增大雙折 射，提1?光纖的保偏性能。
[0005] 高雙折射光子晶體光纖被廣泛地應(yīng)用于激光器以及其他光學(xué)精密儀器的制造。目 前已報道的高雙折射光子晶體光纖主要分為以下幾類：1)在纖芯附近引入局部非對稱性； 2)具有各向異性的包層；3)在包層摻雜聚合物等；4)具有微結(jié)構(gòu)纖芯。
[0006] 最早報道設(shè)計并制作出具有高雙折射光子晶體光纖的文獻(xiàn)是2000年光學(xué)快報第 25卷18期1325-1327頁發(fā)表的"高雙折射光子晶體光纖"，參見：0rtig〇sa B A，Knight J C, Wadsworth ff J et. al. Highly birefringence photonic crystal fiber [J]. Optics Letter, 2000,25 (18) :1325-1327。文中報道了雙折射達(dá)3. 7X 1(T3的石英雙折射光子 晶體光纖。2009年，付博設(shè)計的一種高雙折射雙芯光子晶體光纖，通過調(diào)整孔徑以及孔間距 的參數(shù)，能夠有效地優(yōu)化光纖性能。2012年，李丹提出在內(nèi)層包層是橢圓孔結(jié)構(gòu)的纖芯引 入四個小橢圓孔，通過優(yōu)化光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，雙折射度達(dá)〇. 92 X ΚΓ3,色散值變化范圍是14 ps/(km · nm),但其稱合長度較長。
[0007] 當(dāng)前，基于新結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖引起了極大研究興趣，設(shè)計出同時具有高雙折 射、耦合長度短以及平坦色散特性的光子晶體光纖成為熱點(diǎn)，其具有應(yīng)用于制作偏振分束 器和產(chǎn)生寬帶超連續(xù)譜的重要價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是解決目前已有的光子晶體光纖雙折射較低同時耦合長度較大、色 散平坦度較低等問題，提供一種結(jié)構(gòu)相對簡單并且易于制作的高雙折射平坦色散雙芯光子 晶體光纖，該光子晶體光纖采用了六邊形包層并且引入了纖芯微結(jié)構(gòu)，具有比現(xiàn)有的光子 晶體光纖更高的雙折射；采用的背景材料是石英玻璃，光纖擁有更小的耦合長度及寬帶的 平坦色散，因而可以用作制作偏振分束器和超連續(xù)譜微結(jié)構(gòu)光纖。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案： 一種高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖，包括纖芯和包層，包層折射率低于纖芯；光 纖的包層材料是石英玻璃，該光子晶體光纖包層為正六邊形排列的空氣孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，纖芯 是由中心去掉兩個空氣孔形成，中間由一個直徑為屯的中心圓形空氣孔隔離開，在最內(nèi)層 設(shè)有橢圓形空氣孔以破壞原有結(jié)構(gòu)的對稱性，原來的十二個空氣孔換成四個橢圓空氣孔a 和2個橢圓空氣孔b,橢圓孔的橢圓度計算公式為n=m/n,式中：m為橢圓孔的短軸長度， η為橢圓孔的長軸長度；包層材料為石英玻璃，包層圓形空氣孔的直徑長度為d 2, Λ為孔間 距。
[0010] 所述橢圓孔a的長軸直徑為4 μ m、短軸直徑為1. 68 μ m ;橢圓孔b的長軸直徑為 2. 56 μ m、短軸直徑為1. 075 μ m ;中心圓形空氣孔的直徑為1. 0 μ m ;石英玻璃包層的折射率 為1.444,包層圓形空氣孔的直徑為1. 1 μ m，間距為2.0 μ m。 toon] 一種所述高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖的制備方法，步驟如下： 1) 將7根空心毛細(xì)石英管排成六邊形，捆綁在一起，按六角形一圈一圈向外捆綁，直到 捆綁到第五層，再套上外套管，然后在空心毛細(xì)石英管的間隙處用實心石英毛細(xì)棒填充，將 中心的13根空心毛細(xì)石英管取出，換成一根同尺寸的實心石英棒代替，在抽取中心空心石 英管時，將中心孔支撐，防止周圍毛細(xì)管向周圍坍塌，制得光纖預(yù)制棒； 2) 把上述光纖預(yù)制棒固定在拉絲塔中，調(diào)節(jié)好拉絲溫度T=2070°C和拉絲速度20m/ min，將預(yù)制棒在加熱爐里進(jìn)行加熱熔融并在熔融后進(jìn)行牽引，在光纖尺寸保持不變以后， 制得裸光子晶體光纖； 3) 用超聲波打孔法對上述裸光子晶體光纖進(jìn)行打孔； 4) 將上述打孔后的裸光子晶體光纖進(jìn)行涂膠，然后用紫外線進(jìn)行照射，使涂膠均勻凝 固在光纖表面，即可制得高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖。
[0012] 一種所述高雙折射雙芯光子晶體光纖的應(yīng)用，用于制作偏振分束器和超連續(xù)譜微 結(jié)構(gòu)光纖。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果： 本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)相對簡單并且易于制作的高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光 纖，通過引入纖芯微結(jié)構(gòu)，在兩個纖芯周圍處各設(shè)置了三個橢圓空氣孔的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn) 出很高的模式雙折射；該光子晶體光纖的模式雙折射比普通的雙芯光子晶體光纖（1〇_ 3量 級）高出一個數(shù)量級，達(dá)到1〇_2量級，同時該光纖在傳輸波長為1800nm時，X偏振方向耦合 長度為101. 59，y偏振方向為112. 342;具有寬帶的平坦色散特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為該光子晶體光纖的橫截面不意圖。
[0015] 圖中：1.橢圓孔a 2.橢圓孔b 3.中心圓形空氣孔 4.包層圓形空氣孔 5.包層 6.纖芯 圖2為計算得到的該光子晶體光纖兩個偏振方向上的模式折射率之差，即雙折射隨波 長的變化關(guān)系圖。
[0016] 圖3為計算得到的該光子晶體光纖耦合長度隨傳輸波長的變化關(guān)系圖。
[0017]圖4為計算得到的該光子晶體光纖Y偏振方向上色散隨傳輸波長的變化關(guān)系圖。

【具體實施方式】
[0018] 實施例： 一種高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖，如圖1所示，包括纖芯6和包層5,包層5 折射率低于纖芯6 ;光纖的包層材料是石英玻璃，該光子晶體光纖包層為正六邊形排列的 空氣孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，纖芯6由中心去掉兩個空氣孔形成，中間由一個直徑為屯的中心圓形空 氣孔3隔離開，在最內(nèi)層設(shè)有橢圓形空氣孔以破壞原有結(jié)構(gòu)的對稱性，原來的十二個空氣 孔換成四個橢圓空氣孔al和2個橢圓空氣孔b2,橢圓孔的橢圓度計算公式為ii=m/n，式 中：m為橢圓孔的短軸長度，η為橢圓孔的長軸長度；包層材料為石英玻璃，包層圓形空氣孔 的直徑長度為d 2, Λ為孔間距。
[0019] 該實施例中，橢圓孔a的長軸直徑為4 μ m、短軸直徑為1. 68 μ m ;橢圓孔b的長軸 直徑為2. 56 μ m、短軸直徑為1. 075 μ m ;中心圓形空氣孔的直徑為1. 0 μ m ;石英玻璃包層的 折射率為1. 444,圓形空氣孔的直徑為1. 1 μ m，間距為2. 0 μ m。
[0020] 該高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖的制備方法，步驟如下： 1) 將7根空心毛細(xì)石英管排成六邊形，捆綁在一起，按六角形一圈一圈向外捆綁，直到 捆綁到第五層，再套上外套管，然后在空心毛細(xì)石英管的間隙處用實心石英毛細(xì)棒填充，將 中心的13根空心毛細(xì)石英管取出，換成一根同尺寸的實心石英棒代替，在抽取中心空心石 英管時，將中心孔支撐，防止周圍毛細(xì)管向周圍坍塌，這樣就形成了光纖預(yù)制棒； 2) 把上述預(yù)制棒固定在拉絲塔中，調(diào)節(jié)好拉絲溫度T=2070°C和拉絲速度20m/min，然 后預(yù)制棒在加熱爐里進(jìn)行加熱熔融，在熔融后經(jīng)牽引，在光纖尺寸保持不變以后，形成了裸 光子晶體光纖； 3) 用超聲波打孔法對纖芯進(jìn)行打孔，來完成纖芯的設(shè)計； 4) 對裸光纖進(jìn)去涂膠，用紫外線進(jìn)行照射，使涂膠均勻凝固在光纖表面。
[0021] 所制得的高雙折射雙芯光子晶體光纖的應(yīng)用，用作制作偏振分束器和超連續(xù)譜微 結(jié)構(gòu)光纖。
[0022] 圖2為該光子晶體光纖計算得到的兩個偏振方向上的模式折射率之差，即雙折射 隨波長的變化關(guān)系圖，圖中表明：模式雙折射隨著傳輸波長的增大而增加，在傳輸波長為 1800nm時，其雙折射度達(dá)到1. 16ΧΚΓ2,比普通的光子晶體光纖高出一個數(shù)量級。
[0023] 圖3為該光子晶體光纖計算得到的耦合長度隨波長的變化關(guān)系圖，圖中表明：該 光子晶體光纖的稱合長度很低，在1550nm處，X偏振方向稱合長度為151. 23 μ m，y偏振方 向為 187. 812 μ m。
[0024] 圖4為該光子晶體光纖色散隨波長的變化關(guān)系圖，圖中表明：該光子晶體光纖具 有寬帶平坦色散特性，其色散值在傳輸波長為l〇〇〇nm?1600nm間的變化范圍是12ps/ (km · nm) 〇
【權(quán)利要求】
1. 一種高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖，其特征在于：包括纖芯和包層，包層折 射率低于纖芯；光纖的包層材料是石英玻璃，該光子晶體光纖包層為正六邊形排列的空氣 孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，纖芯是由中心去掉兩個空氣孔形成，中間由一個直徑為di的圓形空氣孔C隔 離開，在最內(nèi)層設(shè)有橢圓形空氣孔以破壞原有結(jié)構(gòu)的對稱性，原來的十二個空氣孔換成四 個橢圓空氣孔a和2個橢圓空氣孔b,橢圓孔的橢圓度計算公式為n=m/n,式中：m為橢 圓孔的短軸長度，η為橢圓孔的長軸長度；包層材料為石英玻璃，包層圓形空氣孔d的直徑 長度為d 2, Λ為孔間距。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖，其特征在于：所述橢圓 孔a的長軸直徑為4 μ m、短軸直徑為1. 68 μ m ;橢圓孔b的長軸直徑為2. 56 μ m、短軸直徑 為1. 075 μ m ;中心圓形空氣孔c的直徑為1. Ο μ m ;石英玻璃包層的折射率為1. 444,圓形空 氣孔d的直徑為1. 1 μ m,間距為2. 0 μ m。
3. -種如權(quán)利要求1所述高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖的制備方法，其特征在 于步驟如下： 1) 將7根空心毛細(xì)石英管排成六邊形，捆綁在一起，按六角形一圈一圈向外捆綁，直到 捆綁到第五層，再套上外套管，然后在空心毛細(xì)石英管的間隙處用實心石英毛細(xì)棒填充，將 中心的13根空心毛細(xì)石英管取出，換成一根同尺寸的實心石英棒代替，在抽取中心空心石 英管時，將中心孔支撐，防止周圍毛細(xì)管向周圍坍塌，制得光纖預(yù)制棒； 2) 把上述光纖預(yù)制棒固定在拉絲塔中，調(diào)節(jié)好拉絲溫度T=2070°C和拉絲速度20m/ min，將預(yù)制棒在加熱爐里進(jìn)行加熱熔融并在熔融后進(jìn)行牽引，在光纖尺寸保持不變以后， 制得裸光子晶體光纖； 3) 用超聲波打孔法對上述裸光子晶體光纖進(jìn)行打孔； 4) 將上述打孔后的裸光子晶體光纖進(jìn)行涂膠，然后用紫外線進(jìn)行照射，使涂膠均勻凝 固在光纖表面，即可制得高雙折射平坦色散雙芯光子晶體光纖。
4. 一種如權(quán)利要求1所述高雙折射雙芯光子晶體光纖的應(yīng)用，其特征在于：用于制作 偏振分束器和超連續(xù)譜微結(jié)構(gòu)光纖。
【文檔編號】C03B37/027GK104111493SQ201410328995
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】白育堃, 孫宇偉 申請人:天津理工大學(xué)