一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖，光子晶體光纖為混合導(dǎo)光光子晶體光纖，其背景1采用硅鋁酸鹽玻璃，包層空氣孔2中填充有液晶材料。本發(fā)明在混合導(dǎo)光光子晶體光纖基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)定光子晶體光纖合適孔間距Λ和孔直徑d，可實(shí)現(xiàn)寬單偏振單模光子晶體光纖，有利于促進(jìn)光纖傳感和高速通信系統(tǒng)的發(fā)展。
【專利說(shuō)明】
一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光子晶體光纖領(lǐng)域，具體為一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖。
【背景技術(shù)】
[0002]高性能保偏光纖在光纖傳感器和高速光通信系統(tǒng)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值，但其保偏性能會(huì)受到偏振串?dāng)_和偏振模色散的影響，而單偏振單模光纖由于只傳輸基模中的一個(gè)偏振態(tài)可以有效避免這些問(wèn)題。與傳統(tǒng)光纖相比，由于光子晶體光纖靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)良的導(dǎo)光性能，其在實(shí)現(xiàn)單偏振單模光纖方面具有更好的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。目前光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)單偏振單模研究方法主要有兩種:(I)模式截止法，不同的偏振模具有不同的截止波長(zhǎng)，通過(guò)改變光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)、空氣孔形狀或者排列方式實(shí)現(xiàn)高雙折射PCF，只有有效折射率大于基空間填充模(FSM)的模式才能在纖芯中傳輸，有效折射率低于FSM的模式被截止，不能在纖芯中傳輸，從而實(shí)現(xiàn)單偏振單模傳輸；(2)折射率匹配耦合法，通過(guò)改變包層某些空氣孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)或者在包層孔中填充折射率匹配材料的方法在包層中引入缺陷，某一偏振模會(huì)通過(guò)與包層缺陷模耦合而消失，纖芯中只保留另外一個(gè)偏振模，從而實(shí)現(xiàn)單偏振單模傳輸。對(duì)于方法(I )，所米用的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，增加了其制備難度，同時(shí)，其與普通單模光纖的熔接損耗較大;而對(duì)于方法(2)，由于匹配偏振模需要傳輸一定的距離才能完全耦合到包層中，增加了光纖長(zhǎng)度，同時(shí)，由于折射率匹配僅發(fā)生在很窄的一段波長(zhǎng)范圍，所以其單偏振單模帶寬比較窄，也就是說(shuō)上述兩種方法都不易實(shí)現(xiàn)寬單偏振單模傳輸。
[0003]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是提供一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖，以解決現(xiàn)有技術(shù)光子晶體光纖采用模式截止法、折射率匹配耦合法不易實(shí)現(xiàn)寬單偏振單模傳輸?shù)膯?wèn)題。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖，所述光子晶體光纖為混合導(dǎo)光光子晶體光纖，包括背景材料和包層空氣孔，包層空氣孔排列方式為正三角形，其特征在于:包層空氣孔中填充各向異性材料，設(shè)包層空氣孔之間孔間距為Λ，包層空氣孔直徑為d。
[0005]所述的一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖，其特征在于:所述背景材料的折射率介于各向異性材料的尋常光折射率和非常光折射率之間。
[0006]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)為:
本發(fā)明提供了一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖，在混合導(dǎo)光光子晶體光纖基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)定光子晶體光纖合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)寬單偏振單模光子晶體光纖，有利于促進(jìn)光纖傳感和高速通信系統(tǒng)的發(fā)展。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2為混合導(dǎo)光光子晶體光纖單偏振單模工作原理說(shuō)明圖。
[0009]圖3為光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳輸性能的影響圖，其中:
圖3(1)為結(jié)構(gòu)參數(shù)d對(duì)傳輸性能的影響圖，圖3(11)為結(jié)構(gòu)參數(shù)Λ對(duì)傳輸性能的影響圖。
[0010]圖4為單偏振單模帶寬隨液晶填充率的變化關(guān)系圖。
[0011]圖5為d=3.2ym、Λ=4.0μπι時(shí)混合導(dǎo)光光子晶體光纖的傳輸特性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]如圖1所示，一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖，光子晶體光纖為混合導(dǎo)光光子晶體光纖，包括背景材料I和背景材料I中的包層空氣孔2，包層空氣孔2排列方式為正三角形，包層空氣孔2中填充有液晶填充材料，設(shè)包層空氣孔2之間孔間距為Λ，包層空氣孔2直徑為
do
[0013]背景材料I為硅鋁酸鹽玻璃。
[0014]液晶填充材料為液晶E7。
[0015]本發(fā)明原理如下:
混合導(dǎo)光光子晶體光纖的X和Y偏振方向分別支持不同的傳輸機(jī)制，支持TIR傳輸機(jī)制的偏振模在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸，而支持PBG傳輸機(jī)制的偏振模僅在特定的帶隙波長(zhǎng)范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)傳輸，因此可以采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖并通過(guò)選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)或者填充材料使其在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單偏振單模傳輸。
[0016]當(dāng)光子晶體光纖的包層孔中填充材料的折射率小于背景折射率時(shí)，該光子晶體光纖的傳輸機(jī)制仍為TIR，反之，它是PBG傳輸。我們都知道液晶E7是單軸晶體，有兩個(gè)不同的主介電常數(shù)，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)折射率值即尋常光折射率no和非尋常光折射率ne，其折射率張量只有對(duì)角元素，外加電場(chǎng)可以控制液晶分子的指向矢(η)，從而使指向矢表現(xiàn)出不同的折射率張量。因此，如果對(duì)光子晶體光纖進(jìn)行液晶Ε7填充，且背景材料的折射率在液晶的尋常光和非常光折射率之間，那么Χ、Υ偏振模則分別支持不同的傳輸機(jī)制，也就是說(shuō)通過(guò)對(duì)TIR傳輸機(jī)制的光子晶體光纖進(jìn)行外部修飾的方法實(shí)現(xiàn)混合導(dǎo)光機(jī)制，本混合導(dǎo)光光子晶體光纖就是通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)的。常溫下，當(dāng)θ=π/2時(shí)，在1.55μπι波長(zhǎng)處，根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]可以得出ηο=1.5024，ne=l.697。從文獻(xiàn)(Gorachand Ghosh, Michiyuki Endo and TakashiIwasalu, “Temperature-Dependent Sellmeier Coefficients and ChromaticDispers1ns for Some Optical Fiber Glasses,” J.Lightwave Technol.12(8),1338-1342(1994).)可以得出硅鋁酸鹽玻璃在1.55μπι的折射率為1.532，也就是說(shuō)采用硅鋁酸鹽玻璃作為背景材料，E7液晶作為填充材料就可以實(shí)現(xiàn)上述混合導(dǎo)光的條件。
[00?7]根據(jù)上述理論可知，X偏振模是TIR傳輸，而Y偏振模是PBG傳輸，不同偏振模的傳輸特性進(jìn)單獨(dú)分析，其中TIR模采用有限元法，PBG模采用平面波展開(kāi)法。在某一參數(shù)下，該光子晶體光纖的傳輸特性如圖2示，并以此說(shuō)明其單偏振單模的工作原理。陰影部分表示Y偏振模的低階光子帶隙，黑色實(shí)線表示傳導(dǎo)模截止線(背景線)，若要實(shí)現(xiàn)其纖芯傳輸，則傳導(dǎo)模要同時(shí)位于帶隙內(nèi)和截止線的下方，因此可以看出在波長(zhǎng)λ位于^aa2和λ3〈λ〈λ4區(qū)域內(nèi)時(shí)，Y偏振模在纖芯傳導(dǎo)，在其他波長(zhǎng)區(qū)域Y偏振模是截止的。而對(duì)于X偏振模，由于其TIR傳輸機(jī)制，它在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)都支持纖芯傳導(dǎo)。也就是說(shuō)在KA1或者λ2〈λ〈λ3或者λ>λ4區(qū)域，X偏振模纖芯傳導(dǎo)，Y偏振模截止，實(shí)現(xiàn)單偏振單模傳輸。
[0018]基于上述理論，常用通信波長(zhǎng)段位于λ〈λ1波段，因此我們定義該光纖單偏振單模帶寬為λ?，而液晶填充率定義為d/Λ。圖3(1)是光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)d對(duì)傳輸性能的影響圖。從
(I)可以看出，對(duì)于X偏振模，其有效折射率隨波長(zhǎng)的減小而增大，并逐漸接近背景線，其主要原因是波長(zhǎng)變短時(shí)，X偏振模模場(chǎng)的分布更加集中于折射率較高的纖芯區(qū)，延伸入包層的部分很少，因而有效折射率將提高，從而擴(kuò)展單模傳輸?shù)膸?。?duì)于Y偏振方向，填充后光子晶體光纖存在兩個(gè)低階光子帶隙，且背景線分別穿過(guò)兩個(gè)光子帶隙區(qū)域。隨著孔直徑的增大，即隨液晶填充率的增加，光子帶隙開(kāi)始向長(zhǎng)波方向漂移，同時(shí)帶隙的寬度也逐漸變窄。除此外，隨著孔直徑增大單偏振單模帶寬λ?逐漸變寬。圖3(11)是光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)Λ對(duì)傳輸性能的影響圖，和孔直徑對(duì)傳輸特性的影響結(jié)果相似，隨液晶填充率的增加，光子帶隙也向長(zhǎng)波方向漂移，同時(shí)帶隙的寬度也逐漸變窄，但單偏振單模帶寬逐漸變寬，在此不在做過(guò)多詳述。
[0019]圖4為單偏振單模帶寬隨液晶填充率的變化關(guān)系，從圖中可以看出，不管d和Λ怎么變化，單偏振單模帶寬隨液晶填充率的增加而變寬，其中d對(duì)單偏振單模帶寬的影響比較大。同時(shí)，在具有相同液晶填充率時(shí)，孔間距越大，單偏振單模帶寬越寬。通過(guò)合理選擇孔間距和液晶填充率，就可以調(diào)節(jié)該光子晶體光纖的單偏振單模帶寬。
[0020]根據(jù)上述討論，其單偏振單模范圍隨液晶填充率增大而變寬，但光子晶體光纖的制備難度也隨之增大，綜合考慮這些因素，本發(fā)明采用如下光纖參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬單偏振單模特性，g卩d=3.2μm、Λ=4.0μm，在該結(jié)構(gòu)參數(shù)下，混合導(dǎo)光光子晶體光纖的的傳輸特性如圖5所示:此時(shí)其單偏振單模帶寬為2033.3nm，幾乎覆蓋所有的常用通信波段?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著光子晶體光纖制備技術(shù)和填充技術(shù)的發(fā)展，基于混合導(dǎo)光單偏振單模光子晶體光纖的工作帶寬會(huì)進(jìn)一步提高。
[0021]以上所述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，不是全部或唯一的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過(guò)閱讀本發(fā)明說(shuō)明書(shū)而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖，所述光子晶體光纖為混合導(dǎo)光光子晶體光纖，包括背景材料和包層空氣孔，包層空氣孔排列方式為正三角形，其特征在于:包層空氣孔中填充有各向異性材料，設(shè)包層空氣孔之間孔間距為Λ，包層空氣孔直徑為d。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬帶單偏振單模光子晶體光纖，其特征在于:所述背景材料的折射率介于各向異性材料的尋常光折射率和非常光折射率之間。
【文檔編號(hào)】G02B6/02GK105954830SQ201610068994
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年1月28日
【發(fā)明人】姜海明, 王二壘, 謝康, 胡志家
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)