[發明專利]一種橢圓螺旋橢圓孔結構的光子晶體光纖的設計方法

有效

• 申請號: 201911373520.6
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN111025455B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 張珊珊;方傳情;劉雪迪
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G02B6/02
• 分類號: G02B6/02;G02B27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于光纖器件設計制作領域，涉及一種橢圓螺旋橢圓孔結構的光子晶體光纖的設計方法。本發明以實現更高雙折射，更寬間距雙零色散波長特性為目標，步驟為：以硅酸鹽軟玻璃構造基底，建立橢圓螺旋橢圓孔光子晶體光纖計算模型；使用仿真軟件對光纖進行模擬計算，得到雙折射取得最大值時對應的理想幾何參數組合；繪制理想條件下的色散特性曲線、非線性特性曲線，在中紅外區獲得雙零色散點和高非線性值；根據光纖在幾何參數波動下的特性曲線，證實本專利所設計的結構對制作過程中的幾何參數偏差具有較強的魯棒性。本發明的特點是，所設計的光子晶體光纖同時具有高雙折射、高非線性、雙零色散的特性，能夠滿足超連續光源產生的應用要求。

技術領域

本發明屬于光纖器件設計制作領域，涉及一種橢圓螺旋橢圓孔結構的光子晶體光纖的設計方法。

背景技術

光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)是一類基于光子晶體特性的光纖。傳統的光纖具有折射率較低的固態包層，使光波被限制在高折射率纖芯中傳導。在PCF中，纖芯的微觀結構和周圍空氣孔的存在提供了導光所需的折射率差。PCF的基本工作原理是基于全內反射或通過光子帶隙效應。與傳統光纖相比，PCF的截面構成為在雙折射、色散、有效模場面積和非線性等各種特性的設計上提供了更大的自由度。目前已有諸多關于性能優良的PCF結構設計方面的研究成果，其中一項是螺旋型光子晶體光纖(Spiral PhotonicCrystal Fiber，SPCF)。相比于傳統的六角對稱型PCF，螺旋拓撲結構具有超低的彎曲損耗和優良的模場束縛能力，因此本設計采用螺旋形光子晶體光纖為基礎設計對象。

高雙折射的光子晶體光纖在制作保偏光纖、光纖傳感、光放大器、長距離通信以及高性能激光器等方面具有重要的作用。目前，已有很多種SPCF實現了高達10^-2量級的雙折射值，比如橢圓螺旋圓空氣孔的軟玻璃PCF、圓螺旋橢圓空氣孔PCF、橢圓纖芯SPCF等等。另外，通過在SPCF纖芯區域引入一個低折射率帶，雙折射值可以達到高達10^-1量級。然而，這種超高雙折射的實現依賴于在兩個高折射率材料之間夾雜低折射率材料帶這類纖芯結構。因此，PCF的纖芯必須包含至少兩種具有不同折射率的材料。在實際拉制光纖過程中，為了避免在兩種材料交界面出現斷裂，必須考慮它們的熱膨脹系數等材料相容性。同時，由于折射率區域輪廓的不同，需要制作出兩到三種不同形狀的預制棒結構，這也大大增加了生產的難度和復雜性。因此，對以同一材料為基底并且由單一形狀空氣孔或折射率區域構成的PCF，通過結構設計提高其雙折射值具有重要的研究價值。

色散是光纖重要的特性之一。它是決定光通信質量、傳輸距離和傳輸容量的重要因素，因此，對光纖色散的控制十分必要。PCF結構的可靈活設計特點為實現光纖色散控制提供了良好的條件，利用多種PCF結構已實現了優異的色散特性，并且在不同的領域中得到應用。例如，零色散可用于超連續光源產生(Super Continuum Generation SCG)，大負色散可用于色散補償等等。在SCG中，對色散進行適當的調整，使零色散波長(Zero DispersionWavelength，ZDW)出現在泵浦波長附近是非常重要的。理論上，具有兩個ZDWs光纖的色散波是只有一個ZDW光纖的兩倍，這更有利于光譜展寬。如果光纖兩個ZDW之間的跨度較小，色散曲線的平坦度一定不理想，不利于相位匹配的發生。并且，在反常色散區的孤子能量會被快速而完整地轉移到正常色散區中的色散波上。這些都不利于超連續光譜的產生。由于第二個ZDW的存在，孤子在拉曼效應下的頻移受到限制，最終達到平衡，使頻譜不能無限展寬，能量集中在一定的頻帶內。所以，第二個ZDW對超連續光譜起著重要的修飾作用。因此，設計具有間距較大的雙零色散波長的PCF具有重要意義。

基于以上背景，本發明以實現更高雙折射，更寬間距雙零色散波長特性為目標，采用SF57型硅酸鹽軟玻璃為單一基底，設計出一種橢圓螺旋橢圓孔結構的光子晶體光纖。

發明內容