[发明专利]一种超高双折射超低限制损耗光子晶体光纤

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种光子晶体波导结构，具体涉及一种具有超高双折射且超低限制损耗的光子晶体光纤。

背景技术

光子晶体光纤又称为多孔光纤或微结构光纤。在光纤端面上，规则排列的许多尺寸在波长量级的空气孔在基底材料中延轴向伸长，在光纤的中心位置缺失一个空气孔，代之以实心的光纤基底材料，或者插入折射率高于基底材料的其他材料形成导光的芯，而外围空气孔在基底材料中呈均匀排列形成包层，光场基本被限定在中心位置高折射率区域，这类光纤也可以认为是通过全内反射原理导光，因此又称为全内反射型光子晶体光纤。通过调节包层空气孔大小，孔间距大小、中心实体的大小、中心实体的折射率，可以使光子晶体光纤具有灵活多样的双折射、非线性、色散特性。限制损耗是光子晶体光纤的另一个重要性能参数，它用来表征光子晶体光纤局域光的能力。限制损耗越低，表明包层对于光场的束缚越强。光子晶体光纤的限制损耗与其包层结构密切相关，外围空气孔的周期性分布越密集，对称性越好，则包层对光场的束缚越强，相应的限制损耗越低。

已有大量的研究证明，光子晶体光纤能够方便的提供较高的双折射，这主要得益于以下两点：第一，受空气孔的影响，光子晶体光纤的纤芯与包层的折射率差远大于传统光纤；第二，通过灵活的结构设计，在纤芯或者包层中可以方便的引入不对称性结构。目前国际上已经提出了多种高双折射光子晶体光纤，其模式双折射一般都达到了10^-3数量级，比传统保偏光纤至少高一个数量级。一些仿真计算也已经进一步表明，在包层或者纤芯中使用椭圆空气孔，可以进一步提高双折射至10^-2数量级。这些高双折射光纤在光纤通信系统以及光纤传感系统中有着非常广阔的应用前景。

但是，包层不对称结构在提供较高双折射的同时也降低了光子晶体光纤局域光的能力，从而带来较大的限制损耗。这种光子晶体光纤，只有当一部分光场功率扩散到包层中传播时才能获得高双折射。相比之下，在保证包层规则对称性结构不变的前提下，在纤芯中使用椭圆空气孔的不对称结构提供了一种兼顾高双折射与低限制损耗的解决方案。一种这样的结构是在芯区密布椭圆小空气孔，小直径空气孔将纤芯等效成均匀的各向异性介质，从而可以提供较高的双折射。但是这种结构要求小椭圆孔的尺寸为纳米量级，而且在几个平方微米的纤芯处需要呈周期性的规则分布，其制作难度远远超出了目前的工艺水平所能达到的极限。

本发明从方便实际制作的角度出发，提出了一种新型的在芯区使用四个呈矩形分布疏松排列的空气孔的光子晶体光纤。包层中的圆形空气孔呈周期性对称分布，对光场提供了良好的束缚。纤芯区域利用四个呈矩形分布疏松排列的空气孔形成内包层，经过结构优化，内包层结构为所述光纤引入超高的模式双折射，同时抑制了高阶模的传输，允许包层使用更大比重的空气孔而单模特性不被破坏，从而进一步降低限制损耗。本发明提出的超高双折射超低限制损耗光子晶体光纤彻底解决了传统使用包层不对称结构的高双折光子晶体光纤在实现高双折射与低限制损耗之间的矛盾，在光纤通信系统以及光纤传感领域等方面有广阔的应用前景。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是通过在纤芯处少量分布椭圆或圆形空气孔，在一定范围内通过空气孔形状的非对称性和空气孔空间分布的非对称性，实现高双折射效应，从便于实际制作的角度，优化设计有关尺寸和分布，得到具有超高双折射超低限制损耗的光子晶体光纤。

本发明的目的是：解决目前的包层结构不对称的高双折射光子晶体光纤的高双折射特性与低限制损耗特性无法同时兼顾的困难，以及现有纤芯结构不对称的高双折射光子晶体光纤的结构过于复杂、难以加工实现的缺点，提供一种结构简单并容易制作的超高双折射、超低限制损耗光子晶体光纤。

技术方案

本发明的基本原理为：为实现超低损耗，光子晶体光纤利用其周期性结构的包层，将光场集中到光纤端面中心区域传输。包层结构的对称性越好，空气孔的占空比越大，对光场的束缚越强，光纤的限制损耗越低。为实现超高双折射，在纤芯区域使用少量空气孔形成新的内包层，从而可以在一定范围内通过调整空气孔的数量、形状以及空间分布达到调整模场分布的目的，最终使得两个偏振态的模场具有不同的有效折射率从而形成高双折射。