本發(fā)明涉及一種在空芯光子帶隙光纖中實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)姆椒?，屬于光纖傳輸傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

空芯光子帶隙光纖是一種基于光子帶隙效應(yīng)的新型光纖，通過在二氧化硅和空氣孔周期性排列構(gòu)成對(duì)光波產(chǎn)生限制的二維光子晶體材料，然后在周期性材料中引入缺陷，使光波在缺陷中傳播，這是一種基于低折射率材料(空氣)在高折射率背景材料(二氧化硅)中的二維周期性排列而形成的微結(jié)構(gòu)光纖。這種原理與結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特性使得光子帶隙光纖具有眾多不同于傳統(tǒng)光纖的特性，如對(duì)溫度、電磁場、空間輻射等環(huán)境因素的敏感度低，對(duì)彎曲不敏感等。因此，空芯光子帶隙光纖在光纖陀螺等領(lǐng)域中具有較大的潛在優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代光纖陀螺的首選光纖。

光纖的模式代表著可以在光纖中穩(wěn)定存在的光場分布。光場在光纖中的傳播符合亥姆霍茲方程，結(jié)合其電磁場邊界條件，可以解出方程分立的特解，每一種特解就是被允許在光纖中傳播的一種模式。與普通階躍式光纖不同，由于光纖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，空芯光子帶隙光纖不存在一個(gè)簡單的單模條件實(shí)現(xiàn)單模傳輸，光纖的模式特性受到許多結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，因此通常存在多種高階模式。實(shí)現(xiàn)單模傳輸一般需要非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)，對(duì)于拉制工藝的要求很高，并且光纖拉制過程中與理想的單模設(shè)計(jì)之間不可避免的會(huì)存在一定的誤差，在光纖內(nèi)壁的玻璃-空氣界面存在的毛細(xì)缺陷以及包層和纖芯空氣柱結(jié)構(gòu)尺寸的不均勻，都會(huì)導(dǎo)致光束在傳播過程中激發(fā)出高階模式。

高階模式的存在對(duì)空芯光子帶隙光纖的應(yīng)用產(chǎn)生了非常顯著的限制，光纖傳感、光纖通訊、光纖激光器等領(lǐng)域都需要得到較好的光束質(zhì)量，使信號(hào)光在單一的基模中穩(wěn)定傳輸。另外對(duì)于光纖陀螺而言，光纖環(huán)中兩路光信號(hào)的高階模與基模之間相位不同，模式間干涉產(chǎn)生的次波可能會(huì)給高精度光纖陀螺帶來測量誤差。因此為了優(yōu)化空芯光子帶隙光纖的傳輸光束質(zhì)量并提高光纖適用性，需要提供一種對(duì)于拉制工藝而言現(xiàn)實(shí)可行的，空芯光子帶隙光纖單模傳輸方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有空芯光子帶隙光纖中，存在較多高階模式，無法滿足對(duì)光纖模式特性要求較高的應(yīng)用場合的問題，提出一種基于光子帶隙中模式截止特性的單模傳輸方法。所述的單模傳輸方法具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

第一步，根據(jù)光纖中各模式的有效折射率與波長的關(guān)系曲線，將纖芯模式分為至少兩組，其中一組為基模，其余為高階模；

第二步，對(duì)基模進(jìn)行仿真，確定高階模全部被帶隙截止的波段，即單模的截止波段。

第三步，結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，增大單模傳輸波段的帶寬，實(shí)現(xiàn)不同工作波長下的單模傳輸。將基模的模式特性曲線簡化為一條水平直線，則單模傳輸波段的帶寬λs表示為：

λs＝δneff/|k|

其中，k為帶隙左側(cè)邊緣的斜率，δneff為二階模在截止波長處與基模之間的有效模式折射率差。

通過在1.2～2的范圍內(nèi)增大包層材料折射率，調(diào)整占空比d/λ在0.962到0.979之間，增大單模傳輸波段的帶寬。通過改變包層倒角移動(dòng)單模傳輸工作波段。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)提出了在空芯光子帶隙光纖中實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)姆椒?，適用于短距離、對(duì)模式要求較高的應(yīng)用場合；

(2)工作波段與帶寬的選擇較為靈活；

(3)可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)單模傳輸適用性。

附圖說明

圖1是7芯光子帶隙光纖仿真模型示意圖；

圖2是7芯光子帶隙光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；

圖3是7芯光子帶隙光纖模式有效折射率與波長的關(guān)系圖；

圖4是對(duì)應(yīng)的模式圖案仿真結(jié)果；

圖5是本發(fā)明基于光子帶隙中模式截止特性的單模傳輸方法中可以實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)牟ǘ问疽鈭D；

圖6是光纖分別在1550-1555nm波段和1425-1430nm波段測量得到的模式相對(duì)強(qiáng)度與群時(shí)延的關(guān)系圖；

圖7是光纖測量得到的模式圖案；

圖8是本發(fā)明中單模傳輸波段的帶寬與包層材料折射率的關(guān)系圖；

圖9是本發(fā)明中單模傳輸波段的帶寬與光纖占空比的關(guān)系圖；

圖10是本發(fā)明中單模傳輸波段的帶寬與包層空氣孔相對(duì)倒角的關(guān)系圖；

圖11是本發(fā)明中單模傳輸工作波長與包層空氣孔相對(duì)倒角的關(guān)系圖；

圖12是實(shí)施例中調(diào)節(jié)相對(duì)倒角dc/d為0.63時(shí)的單模傳輸區(qū)域。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明是一種基于光子帶隙中模式截止特性的單模傳輸方法，以7芯光子帶隙光纖為例，光纖模型如圖1所示。作為一種微結(jié)構(gòu)光纖，空芯光子帶隙光纖的組成較為復(fù)雜，存在許多種結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要包括包層空氣孔周期λ、空氣孔直徑d、空氣孔倒角dc和第一層空氣孔倒角dp與d`c，纖芯倒角rc、纖芯環(huán)厚度th、tp和纖芯直徑rc等，如圖2所示。

空芯光子帶隙光纖的模場分布等性質(zhì)與光纖結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，如圖3所示為光纖中各模式b～i的有效折射率與波長的關(guān)系曲線，圖4為對(duì)應(yīng)的模式圖案。由于纖芯是非理想的十二邊形，因此模式仿真結(jié)果與理想圓形纖芯中的不同，但仍可以通過模場截面的電場方向判斷模式類型，并將纖芯模式分為三組：分別是基模lp01、二階模lp11(b-d)以及三階模lp21(e-f)；另外在帶隙左側(cè)存在三個(gè)較為穩(wěn)定的表面模式(g-i)。

圖3中虛線方框部分的詳細(xì)仿真結(jié)果放大圖如圖5所示，不同的高階模式被光子帶隙截止時(shí)的波長不同，也即具有不同的截止特性，其中在約1.392～1.430μm波段內(nèi)，高階模式(二階模以上)全部被帶隙截止而基?？梢苑€(wěn)定傳輸，因此理論上可以利用該波段實(shí)現(xiàn)光纖的準(zhǔn)單模傳輸。

對(duì)光纖在1550-1555nm波段和1425-1430nm波段進(jìn)行模式測量，模式的相對(duì)強(qiáng)度與群時(shí)延的關(guān)系曲線如圖6所示，相應(yīng)的模式圖案如圖7所示。在群時(shí)延較小時(shí)可以根據(jù)各高階模圖案的形狀明顯地看出各個(gè)尖峰對(duì)應(yīng)的模式：(b)lp01、(c-e)lp11以及(f-g)lp21，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模式仿真結(jié)果吻合。通過相對(duì)強(qiáng)度-群時(shí)延關(guān)系曲線的對(duì)比可知，在1430nm波段高階模式被強(qiáng)烈的抑制，測量結(jié)果僅能分解出一個(gè)二階模式，且相對(duì)強(qiáng)度與1550nm波段的高階模相比降低了約20db，所以在該波段高階模式被強(qiáng)烈抑制，模式抑制比高達(dá)60db，可以實(shí)現(xiàn)空芯光子帶隙光纖的準(zhǔn)單模傳輸。

對(duì)于本發(fā)明基于光子帶隙中模式截止特性的單模傳輸方法，關(guān)鍵參數(shù)是單模傳輸波段的帶寬，增大帶寬可以提高單模傳輸設(shè)計(jì)的適用性。單模傳輸波段由基模和二階模的截止波長決定，因此對(duì)單模傳輸波段影響最大的因素是光纖光子帶隙的性質(zhì)。光子帶隙的性質(zhì)與光纖的包層結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，主要包括包層材料折射率n、光纖占空比d/λ和包層空氣孔倒角dc。對(duì)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，增大光纖的單模傳輸波段帶寬，使光纖滿足所需波段的準(zhǔn)單模傳輸。

由于帶隙邊緣處基模的模式特性曲線具有很高的線性度，并且斜率較小，為了定量地分析光纖參數(shù)對(duì)單模傳輸波段的影響，將基模的模式特性曲線簡化為一條水平直線，則單模傳輸波段的帶寬λs可以表示為：

λs＝δneff/|k|(1)

其中k為帶隙左側(cè)邊緣的斜率，δneff為二階模在截止波長處與基模之間的有效模式折射率差。

a.包層材料折射率優(yōu)化

空芯光子帶隙光纖的纖芯模式會(huì)有少部分能量分布在包層結(jié)構(gòu)中，因此包層材料的折射率n會(huì)對(duì)模式特性有一定影響。當(dāng)n從1.2提高到2時(shí)，單模傳輸波段帶寬λs的變化如圖8所示。結(jié)果表明，單模傳輸波段的帶寬隨著折射率的增加而增大?？招竟庾訋豆饫w模型初始參數(shù)n＝1.445時(shí)，λs約為36.5nm；折射率n＝1.62時(shí)λs約為48.5nm，提高了33％，而當(dāng)n＝2時(shí)，λs可達(dá)104.3nm，約為初始結(jié)構(gòu)的2.9倍。因此，增大包層材料折射率可以顯著擴(kuò)大單模傳輸波段帶寬。

b.占空比優(yōu)化

空芯光子帶隙光纖包層空氣孔直徑與孔距的比值d/λ，或稱為占空比是光纖設(shè)計(jì)過程中一個(gè)非常重要的參數(shù)，占空比的大小直接影響了帶隙的帶寬與模式的分布。當(dāng)占空比d/λ從0.94到0.99變化時(shí)，單模傳輸波段帶寬λs的變化趨勢如圖9所示。結(jié)果表明，當(dāng)占空比增大時(shí)，單模傳輸波段的帶寬λs逐漸減小，但當(dāng)d/λ在0.962到0.979之間時(shí)，λs幾乎保持不變，僅從37.2nm減小到了35.8nm；d/λ繼續(xù)增加時(shí)λs大幅降低，d/λ＝0.99時(shí)，帶寬減小至21.2nm。

c.包層空氣孔倒角優(yōu)化

為了計(jì)算包層空氣孔倒角對(duì)單模傳輸波段的影響，仿真時(shí)使用倒角直徑與空氣孔直徑之比dc/d來表征倒角大小，當(dāng)dc/d從0.2到0.8之間變化時(shí)，單模傳輸波段帶寬λs的變化趨勢如圖10所示。結(jié)果表明當(dāng)dc/d大于0.3后單模傳輸波段帶寬逐漸增加，但計(jì)算過程中帶寬的變化范圍只有8nm，分別相當(dāng)于占空比和折射率改變時(shí)λs變化范圍的31％和9％，因此包層空氣孔倒角的改變對(duì)于單模傳輸波段帶寬的影響相對(duì)較小。

但當(dāng)包層倒角變化時(shí)，光子帶隙會(huì)在光譜上發(fā)生較大范圍的移動(dòng)。如圖11所示，隨著倒角的逐漸增大，高階模式截止波長λm向著長波長方向移動(dòng)，從dc/d＝0.2時(shí)的1.34um到dc/d＝0.8時(shí)的1.65um。因此可以把改變包層倒角作為移動(dòng)單模傳輸工作波段的調(diào)整方法。

本發(fā)明是一種基于光子帶隙中模式截止特性的單模傳輸方法，利用光子帶隙左側(cè)存在的單模傳輸波段，使基?？梢詡鬏敹唠A模被強(qiáng)烈抑制，從而實(shí)現(xiàn)了工作波段內(nèi)的單模傳輸，通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧险凵渎?、占空比和包層倒角，可以靈活地實(shí)現(xiàn)空芯光子帶隙光纖在不同帶寬、不同波段下的單模傳輸。

實(shí)施例：光纖陀螺應(yīng)用的工作波長一般為1530nm波段，帶寬30nm以上，因此需要調(diào)整光纖結(jié)構(gòu)使其至少在1530±15nm的波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)單模傳輸。根據(jù)本發(fā)明基于模式截止特性的單模傳輸方法，在現(xiàn)有光纖基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，將包層空氣孔相對(duì)倒角dc/d提高至0.63，光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。此時(shí)光纖的基模與二階模的模式特性曲線以及單模傳輸區(qū)域如圖12所示，其中在1499-1545nm波段可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單模傳輸，滿足光纖陀螺應(yīng)用需求。

表1為調(diào)節(jié)相對(duì)倒角dc/d為0.63時(shí)單模傳輸光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于空芯光子帶隙光纖的多模特性，現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法具有特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)拉制工藝的要求非常高。本發(fā)明基于光子帶隙中模式截止特性的單模傳輸方法，可以在現(xiàn)有的7芯光子帶隙光纖基礎(chǔ)上，通過對(duì)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，在單模傳輸波段使所有高階模式得到有效抑制，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單模傳輸。不需要改變拉制工藝，且光纖結(jié)構(gòu)現(xiàn)實(shí)可行，尤其適用于光纖陀螺等光源線寬較窄且對(duì)光纖傳輸質(zhì)量具有較高要求的應(yīng)用場合。