[发明专利]一种类熊猫型高双折射光子晶体光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别是一种光子晶体光纤。

背景技术

在理想情况下，单模光纤传输两个相互正交的模式，它们有相同的传播常数，彼此简并，因此可以看成是单一的偏振电矢量。然而，实际的光纤多少会有一些不完善，例如纤芯的椭圆度、内部残余应力等。这时输入光纤的一个线偏振光，在光纤中也会分解为两个振动方向相互正交的偏振光。它们除了场形与理想的模式不同外，传播常数也不同，这样便很容易造成两个相互正交模式之间的耦合，主要表现在两个正交偏振模式由于传播速度不同，其总的偏振态将沿光纤长度方向变化，这就是所谓的光纤双折射。因此一般的单模光纤不能传输偏振光，为此发展了能维持光波偏振态的偏振保持光纤，即保偏光纤。高性能的保偏光纤被广泛应用于偏振光学器件、高速光通信系统、超连续谱产生及光传感等领域。随着高速光通信的发展，需要性能更高、更稳定的保偏光纤。目前的熊猫型、领结型保偏光纤的模式双折射仅能达到5×10^-4，已不能满足日益发展的需求，需要发展新型的高性能保偏光纤。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，缩写为PCF)是一种将光子晶体结构引入光纤中而形成的新型微结构光纤。光子晶体光纤包层中空气孔的特殊排列结构使其呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，如无截止波长的单模特性、可调的色散特性、大的模场面积、良好的非线性及高双折射特性等，因而引起了国内外广泛的关注，成为光纤通信、传感和光电器件领域的一个新的研究热点。相对于传统光纤，光子晶体光纤有很大的设计自由度，因此可以直接通过调整光子晶体光纤包层结构，设计出具有很大双折射(10^-3量级)的光子晶体光纤。现阶段光子晶体光纤的模式双折射已经可以达到10^-3量级，比普通保偏光纤至少高一个数量级。特殊结构的光子晶体光纤可以在极宽的波长范围内支持单模运行，且其单模特性与光子晶体光纤的绝对尺寸无关。灵活设置包层空气孔大小和形状，可以获得高性能的保偏光纤。目前，通过改变光纤横向结构来产生双折射的方法主要有：将空气孔做成椭圆形，将中心孔制成不对称状，将空气孔做成不规则状，或者将空气孔的分布调整为不对称状等。

最早报道设计并制作出具有高双折射光子晶体光纤的文献是2000年光学快报第25卷18期1325-1327页发表的“高双折射光子晶体光纤”(Ortigosa B A，Knight J C，Wadsworth W Jet.al.Highly birefringence photonic crystal fiber[J].Opt.Lett，2000，25(18)：1325-1327)，文中报道了模式双折射达3.7×10-3，拍长为0.4mm的石英双折射光子晶体光纤。其后2001年光电子快报第13卷6期588-590页发表的“折射率传导型高双折射光子晶体光纤”(Hansen，T.P..Broeng，J..Libori，S.E.B.Knudsen，E.Bjarklev，A.Jensen，J.R.Simonsen，H.Highlybirefringent index-guiding photonic crystal fibers，IEEE photon.Technol.Lett.，2001，13(6)：588-590)，报道研制出了模式双折射为9.3×10-4的高双折射光子晶体光纤，该光纤采用了不对称空气孔结构。以上高双折射光子晶体光纤结构均是采用局部位置增加非对称性的方法来实现的。由这类方法获得的双折射一般在10-3量级。要获得更大的双折射，需要通过设计包层本身具有内在各向异性结构的光子晶体光纤来实现。目前已有2001年光学快报第26卷4期229-231页发表的“椭圆型光子晶体光纤”(M.J.Steel，P.M.Osgood.Jr，“Elliptic-holephotonic crystal fibers，”Opt.Lett.26，229-231(2001).)，报道了这种类型的光子晶体光纤结构，这种光纤中的空气孔采用椭圆型，而空气孔位于正三角形和正方形的网格节点上。由于这种结构本身具有二阶对称性，以此为基础制作的光子晶体光纤就能够具有极高的双折射(可达到10^-2以上)。然而椭圆空心棒难以制作，并且要获得高双折射率差，则需要更高的占空比和更大的椭圆离心率，这更加增大了制作工艺上的困难。因此，目前已制作的椭圆孔光子晶体光纤的双折射在10^-4量级，远未达到其上限。我们曾在文献【物理学报，2007，56(8)：4668-4676】中报道了一种高双折射光子晶体光纤结构，这种结构光纤可以在800nm-1600nm范围内保持单模传输，模式双折射可以达到10^-3量级，并具有可调的色散。然而，该结构是将纤芯左右对称位置的5个空气孔去掉，代之一大空气孔。该结构的不足之处主要有两点。其一是结构上有4个小空气孔分别与两个大空气孔距离太近，以至于很容易在拉制过程中发生大小空气孔相互接合的情况。其二是所能获得的双折射在10^-3数量级。