[发明专利]一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法

说明书

本发明属于光纤器件设计制作领域，涉及一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法。本发明以实现更高双折射，更宽间距双零色散波长特性为目标，步骤为：以硅酸盐软玻璃构造基底，建立椭圆螺旋椭圆孔光子晶体光纤计算模型；使用仿真软件对光纤进行模拟计算，得到双折射取得最大值时对应的理想几何参数组合；绘制理想条件下的色散特性曲线、非线性特性曲线，在中红外区获得双零色散点和高非线性值；根据光纤在几何参数波动下的特性曲线，证实本专利所设计的结构对制作过程中的几何参数偏差具有较强的鲁棒性。本发明的特点是，所设计的光子晶体光纤同时具有高双折射、高非线性、双零色散的特性，能够满足超连续光源产生的应用要求。

技术领域

本发明属于光纤器件设计制作领域，涉及一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法。

背景技术

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是一类基于光子晶体特性的光纤。传统的光纤具有折射率较低的固态包层，使光波被限制在高折射率纤芯中传导。在PCF中，纤芯的微观结构和周围空气孔的存在提供了导光所需的折射率差。PCF的基本工作原理是基于全内反射或通过光子带隙效应。与传统光纤相比，PCF的截面构成为在双折射、色散、有效模场面积和非线性等各种特性的设计上提供了更大的自由度。目前已有诸多关于性能优良的PCF结构设计方面的研究成果，其中一项是螺旋型光子晶体光纤(Spiral PhotonicCrystal Fiber，SPCF)。相比于传统的六角对称型PCF，螺旋拓扑结构具有超低的弯曲损耗和优良的模场束缚能力，因此本设计采用螺旋形光子晶体光纤为基础设计对象。

高双折射的光子晶体光纤在制作保偏光纤、光纤传感、光放大器、长距离通信以及高性能激光器等方面具有重要的作用。目前，已有很多种SPCF实现了高达10^-2量级的双折射值，比如椭圆螺旋圆空气孔的软玻璃PCF、圆螺旋椭圆空气孔PCF、椭圆纤芯SPCF等等。另外，通过在SPCF纤芯区域引入一个低折射率带，双折射值可以达到高达10^-1量级。然而，这种超高双折射的实现依赖于在两个高折射率材料之间夹杂低折射率材料带这类纤芯结构。因此，PCF的纤芯必须包含至少两种具有不同折射率的材料。在实际拉制光纤过程中，为了避免在两种材料交界面出现断裂，必须考虑它们的热膨胀系数等材料相容性。同时，由于折射率区域轮廓的不同，需要制作出两到三种不同形状的预制棒结构，这也大大增加了生产的难度和复杂性。因此，对以同一材料为基底并且由单一形状空气孔或折射率区域构成的PCF，通过结构设计提高其双折射值具有重要的研究价值。

色散是光纤重要的特性之一。它是决定光通信质量、传输距离和传输容量的重要因素，因此，对光纤色散的控制十分必要。PCF结构的可灵活设计特点为实现光纤色散控制提供了良好的条件，利用多种PCF结构已实现了优异的色散特性，并且在不同的领域中得到应用。例如，零色散可用于超连续光源产生(Super Continuum Generation SCG)，大负色散可用于色散补偿等等。在SCG中，对色散进行适当的调整，使零色散波长(Zero DispersionWavelength，ZDW)出现在泵浦波长附近是非常重要的。理论上，具有两个ZDWs光纤的色散波是只有一个ZDW光纤的两倍，这更有利于光谱展宽。如果光纤两个ZDW之间的跨度较小，色散曲线的平坦度一定不理想，不利于相位匹配的发生。并且，在反常色散区的孤子能量会被快速而完整地转移到正常色散区中的色散波上。这些都不利于超连续光谱的产生。由于第二个ZDW的存在，孤子在拉曼效应下的频移受到限制，最终达到平衡，使频谱不能无限展宽，能量集中在一定的频带内。所以，第二个ZDW对超连续光谱起着重要的修饰作用。因此，设计具有间距较大的双零色散波长的PCF具有重要意义。

基于以上背景，本发明以实现更高双折射，更宽间距双零色散波长特性为目标，采用SF57型硅酸盐软玻璃为单一基底，设计出一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤。

发明内容