[发明专利]拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法

说明书

本申请涉及拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法。根据一实施例，提供一种拓扑光子晶体光纤，其横断面包括：第一折射率材料；以及设置在所述第一折射率材料中的第二折射率材料，所述第二折射率材料形成包括布置在所述光纤的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞的拓扑光子晶体结构，每个晶胞包括多个单元结构，其中，每个单元结构的质心被调制以从所述单元结构的中心偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。

技术领域

本申请总体上涉及波导领域，更特别地，涉及一种拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法，其中通过对光子晶体进行全局的涡旋微扰拓扑调制，可以实现单偏振单模光传输或者任意模式数的多模光传输。

背景技术

通信技术一直在朝向更高速率、更大带宽、更低时延和更高可靠性的方向发展。随着4G和5G网络的建设，各种新应用层出不穷，网络数据流量呈现爆炸式增长。为了满足对更高性能的需求，全光网络成为未来网络系统的热门候选。光纤作为光信号的载体，在未来全光网络中将会起到至关重要的作用。

按照其承载的传输模式数，光纤大体上可以分为两大类，即支持单一模式的单模光纤和支持多种传播模式的多模光纤，二者有各自的应用场景。例如，单模光纤常用于远距离传输，以便减小能量和信号的损耗，而多模光纤由于其熔接和清洁要求低、布线简单和成本低等特点，常用于局域的数据传输。

传统的单模光纤和保偏光纤实际上均支持两个偏振模，区别在于前者的两个偏振模是简并的，而后者的两个偏振模是非简并的。这些光纤本身的双折射效应会使得其传输的光学脉冲发生展宽。为了解决这一问题，过去人们提出了各种各样的单偏振单模光纤以保证仅有一个偏振模在工作波段，从而消除了偏振模色散。

现有的单偏振单模光纤设计思路主要可分为以下两大类：

第一类是从折射率引导型光纤的两个简并的基模出发，通过降低光纤结构的对称性来打破简并，并使得两个偏振模在不同的频率处截至，以获得只有一个偏振的波段；

第二类是基于光子晶体带隙设计单偏振单模光纤，与第一类的区别在于，它在实现单偏振单模的同时，可以保持光纤结构的高对称性，如具有圆对称的单偏振单模的布拉格光纤。

发明内容

拓扑光子学是光学领域的一个新发展方向，其对波导鲁棒性的探索，激发了人们设计新型光纤的想法，比如近年来基于三维磁光光子晶体而设计的单向传输光纤，又或者具有非平庸模式的布拉格光纤等。拓扑光子学的发展给光学模场特性的操控方面带来了极大的便利，而光子晶体光纤端面的二维光子晶体有着任意变化的设计自由度，为能带拓扑调制带来了便利。基于此，可以根据需要来方便地获得单偏振单模光纤或者任意模式数的多模光纤。

本申请的示例性实施例提供一种拓扑光子晶体光纤，其横断面包括：第一折射率材料；以及设置在所述第一折射率材料中的第二折射率材料，所述第二折射率材料形成包括布置在所述光纤的中心区域之外的周围区域中的多个晶胞的拓扑光子晶体结构，每个晶胞包括多个单元结构，其中，每个单元结构的质心被调制以从所述单元结构的中心偏移一幅度和一辐角，在围绕所述光纤的中心的圆周方向上，各个单元结构的质心偏移的辐角离散地或连续地增大或减小，从而形成质心调制涡旋。

在一些实施例中，当质心调制的幅度为零时，所述单元结构的能带具有狄拉克点。

在一些实施例中，围绕所述光纤的中心一周，质心偏移的辐角增大或减小2πw，其中w是不等于零的整数。