[發(fā)明專(zhuān)利]一種橢圓螺旋橢圓孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911373520.6
• 申請(qǐng)日: 2019-12-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111025455B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張珊珊;方傳情;劉雪迪
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02B6/02
• 分類(lèi)號(hào): G02B6/02;G02B27/00
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1.一種橢圓螺旋橢圓孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的設(shè)計(jì)方法，其具體步驟如下：

步驟1：以SF57型硅酸鹽軟玻璃構(gòu)造基底，建立橢圓螺旋橢圓孔光子晶體光纖(Elliptical-Spiral Elliptical-Hole Photonic Crystal Fiber，ES-EH PCF)計(jì)算模型，該模型的特征為ES-EH PCF由5層橢圓包絡(luò)構(gòu)成，每層有12個(gè)橢圓空氣孔，a，b分別為橢圓空氣孔的短軸和長(zhǎng)軸，五層橢圓包絡(luò)的橢圓率比值相等，即其中B為橢圓包絡(luò)的長(zhǎng)軸，A為橢圓包絡(luò)的短軸，A₁，A₂，A₃，A₄，A₅分別為各層橢圓包絡(luò)的短軸，B₁，B₂，B₃，B₄，B₅分別為各層橢圓包絡(luò)的長(zhǎng)軸，各層之間的間距相等，即ΔA＝A₂-A₁＝A₃-A₂＝A₄-A₃＝A₅-A₄，ΔA為層間距，最內(nèi)層橢圓包絡(luò)中相鄰空氣孔之間的弧長(zhǎng)相同，外層橢圓包絡(luò)中的空氣孔相對(duì)于相鄰內(nèi)層橢圓包絡(luò)空氣孔位置依次增量θ角度，且滿足15°≤θ≤45°；

步驟2：使用基于有限單元法的COMSOL軟件對(duì)光纖進(jìn)行模擬計(jì)算，分析ES-EH PCF在不同幾何參數(shù)(包括螺旋角度、螺旋橢圓率、空氣孔橢圓率以及空氣孔大小)條件下的雙折射值變化情況，進(jìn)而得到雙折射取得最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的理想?yún)?shù)值：a＝0.17μm，b＝0.425μm，A₁＝1μm，B/A＝2.7，ΔA＝0.4，獲得具有最優(yōu)參數(shù)配置的ES-EH PCF計(jì)算模型；

步驟3：依據(jù)步驟2中所得具有最優(yōu)參數(shù)配置的ES-EH PCF計(jì)算模型，繪制色散特性曲線，獲得兩個(gè)零色散點(diǎn)的位置，證實(shí)該光纖結(jié)構(gòu)可用于超連續(xù)光源的產(chǎn)生，同時(shí)，通過(guò)分析空氣孔橢圓率和螺旋橢圓率的變化對(duì)光纖色散的影響，證實(shí)零色散點(diǎn)的位置可以通過(guò)調(diào)節(jié)空氣孔或橢圓螺旋的橢圓率來(lái)改變，擴(kuò)寬應(yīng)用場(chǎng)景；

步驟4：分析步驟2中所得ES-EH PCF計(jì)算模型的非線性特性，鑒于X偏振光和Y偏振光的非線性差異很小，只計(jì)算X偏振光的非線性值，繪制非線性特性曲線，證實(shí)非線性隨空氣孔或橢圓螺旋的橢圓率變化不明顯，且在波長(zhǎng)為1.2μm時(shí)，非線性值達(dá)到700W^-1km^-1，滿足超連續(xù)光源產(chǎn)生的應(yīng)用要求；

步驟5：依據(jù)步驟2中所得ES-EH PCF計(jì)算模型，分析當(dāng)幾何參數(shù)偏離理想狀態(tài)時(shí)光纖雙折射的變化，考慮到在光纖拉制過(guò)程中，偏離理想?yún)?shù)值±1％的誤差可能會(huì)發(fā)生，所以設(shè)定幾何參數(shù)在理想?yún)?shù)值±2％內(nèi)波動(dòng)，進(jìn)行模擬計(jì)算并繪制雙折射特性曲線，證實(shí)幾何參數(shù)在上述波動(dòng)條件下，其高雙折射特性能夠很好的保持；

步驟6：分析當(dāng)幾何參數(shù)偏離理想狀態(tài)時(shí)光纖色散特性的變化，依據(jù)步驟5中的參數(shù)波動(dòng)條件，進(jìn)行模擬計(jì)算并繪制光纖色散特性曲線，證實(shí)幾何參數(shù)在上述波動(dòng)條件下，兩個(gè)零色散點(diǎn)依然存在且位置偏移較小，滿足超連續(xù)光源的產(chǎn)生條件；

步驟7：分析當(dāng)幾何參數(shù)偏離理想狀態(tài)時(shí)光纖非線性特性的變化，依據(jù)步驟5中的參數(shù)波動(dòng)條件，進(jìn)行模擬計(jì)算并繪制光纖非線性特性曲線，證實(shí)參數(shù)波動(dòng)對(duì)非線性特性的影響很小；

步驟8：依據(jù)步驟5、步驟6、步驟7中的結(jié)論，證實(shí)所提出的ES-EHPCF結(jié)構(gòu)對(duì)制作過(guò)程中的幾何參數(shù)偏差具有較強(qiáng)的魯棒性。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橢圓螺旋橢圓孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2中，分析螺旋角度對(duì)雙折射值影響的方法為：模擬波長(zhǎng)變化范圍為1-2μm，空氣孔的短軸為a＝0.17μm，空氣孔的長(zhǎng)軸為b＝0.425μm，A₁＝1μm，B/A＝2.3，ΔA＝0.4，采用仿真方法，繪制螺旋角θ在15°至45°范圍內(nèi)的雙折射隨波長(zhǎng)的變化曲線，得到最合理的空氣孔螺旋排布方式。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橢圓螺旋橢圓孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2中，分析螺旋橢圓率、空氣孔橢圓率以及空氣孔大小對(duì)雙折射影響的方法為：空氣孔的短軸為a＝0.17μm，空氣孔的長(zhǎng)軸為b＝0.425μm，在1.55μm波長(zhǎng)處，采用仿真方法，繪制螺旋橢圓率在1.8至2.7范圍內(nèi)的雙折射隨波長(zhǎng)的變化曲線，繪制空氣孔橢圓率在1.8至2.5范圍內(nèi)的雙折射隨波長(zhǎng)的變化曲線，繪制a在0.1μm至0.18μm范圍內(nèi)的雙折射隨波長(zhǎng)的變化曲線，獲得雙折射取得最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的螺旋橢圓率、空氣孔橢圓率以及空氣孔大小的參數(shù)配置情況。