[发明专利]一种以石英玻璃为基质光子带隙中具有狄拉克点的光子晶体光纤

说明书

本发明提供了一种以石英玻璃为基质光子带隙中具有狄拉克点的光子晶体光纤。该光子晶体光纤包括纤芯和围绕着纤芯的包层；所述纤芯为包层结构中心引入的空气孔缺陷；所述包层为具有改进蜂巢结构孔的石英玻璃。本发明的光子晶体光纤中，包层采用改进蜂巢结构，使包层的能带结构中具有狄拉克点，形成光子晶体光纤传导狄拉克模式，降低了狄拉克点光子晶体光纤对基质玻璃折射率的要求，因而可使用纯石英玻璃作为光纤的基质材料，大大降低了光纤拉制过程的原料成本和工艺控制难度，提高了狄拉克模式光纤在光学器件中的应用前景。

技术领域

本发明属于光学与光纤技术领域，具体涉及一种以石英玻璃为基质光子带隙中具有狄拉克点的光子晶体光纤。

背景技术

空心带隙型光子晶体光纤因其低传输损耗、低非线性以及高传输功率等优异的光学性能而得到迅速发展，已广泛应用于光纤传感、光通信、气体非线性光学和激光传输等相关领域。传统空心带隙型光子晶体光纤依靠光子带隙抑制光的发散，使对应频率的光局域在纤芯中进行传输，对应模式的电磁场强度随距离指数衰减，模式之间的作用是短程的。

依靠狄拉克点传输光的光子晶体光纤具有许多优点，包括：光的长程相互作用、极窄滤波、量子力学效应等，因而具有广阔应用前景。

狄拉克点是一个圆锥奇点，最早被发现于石墨烯的电子能带结构中，其附近电子的动力学行为服从无质量二维狄拉克方程，具有线性E-k关系。在与石墨烯结构的类比中，人们发现在三角晶格包层的空心光子晶体光纤能带结构中存在着与石墨烯类似的能带结构，在布里渊区的六个顶点存在六个狄拉克点。在光子晶体光纤的狄拉克点处，光子服从无质量二维狄拉克方程，并支持一种特殊的狄拉克局域模式，该模式局域强度在空间随距离按幂函数r^-3/2衰减。该发现不仅提出了一种新的光传输机理，而且提供了传统空心带隙型光子晶体光纤所不具备的宽松的侧向约束条件，使得光纤多孔间的长程相互作用成为可能，这种新功能的引入可以为光纤传感器、光纤激光器及相应的光学器件带来新的功能和应用，大大扩展了集成光学元件功能。此外，狄拉克模式具有极窄的频率相应的特点，具有极强的频率选择作用，可满足一些特殊光器件对频率选择的要求。狄拉克方程是相对论量子力学的典型代表，在石墨烯和光子晶体能带结构中的狄拉克点处已经观察到了震颤、隧穿等量子效应，狄拉克点光子晶体光纤的出现，使得在光纤中观察并实现量子效应成为可能，为相对论量子效应的发展提供新视野。

现有的三角晶格包层空心光子晶体光纤传导狄拉克模式需要使用高折射率的玻璃介质，如锗酸盐玻璃、重火石玻璃等软玻璃，而光纤生产中最常用的石英玻璃不能满足传导狄拉克模式的要求。相比于石英玻璃，软玻璃由于其较窄的工作温度范围和较快的粘度变化率，在光子晶体光纤的拉制过程中操作工艺复杂、困难，拉丝条件较为苛刻。

发明内容

本发明的目的在于针对现有狄拉克点光子晶体光纤需要使用高折射率玻璃的问题，提供了一种以石英玻璃为基质光子带隙中具有狄拉克点的光子晶体光纤。本发明通过对光纤结构创新设计，降低了狄拉克点光子晶体光纤对基质玻璃折射率的要求，因而可利用低折射率的石英玻璃作为光纤的基质材料；使用石英玻璃作为光纤的基质材料，大大降低了光纤拉制过程的原料成本和工艺控制难度，使得狄拉克模式光纤的低成本、高效率、规模化制备成为可能。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种以石英玻璃为基质光子带隙中具有狄拉克点的光子晶体光纤，包括纤芯和围绕着纤芯的包层；

所述纤芯为包层结构中心引入的空气孔缺陷；所述包层为具有改进蜂巢结构孔的石英玻璃。

进一步地，所述纤芯的直径为9.05μm。

进一步地，所述具有改进蜂巢结构孔的石英玻璃中，具有小径空气孔和大径空气孔。