一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤

1.本发明属于超材料光子晶体光纤技术领域，具体涉及实现一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤。


背景技术：

2.高功率光纤激光器与传统固体激光器相比具有转换效率高、光束质量好、散热方便等优势，是国际上激光技术研发领域的最大热点之一。近几年来，随着单根光纤输出功率的不断提高，高功率光纤激光器的应用前景更为看好，并已在光通信、材料加工和处理、医学、印刷等领域得到迅速的应用，呈现出逐步替代现有传统高功率激光器的趋势。
3.光子晶体的概念最初是从控制光的自发辐射的角度提出来的。e.yablonovitch在1987年指出，如果将不同介电常数的介质材料组成周期结构，比如在较高折射率材料中的某些位置周期性的引入低折射率材料，光波受到介质周期势场的影响而具有能带，好比晶体中电子能量禁带一样。由于光子和原子之间的耦合与原子的始末状态密度有关，如果电磁波的带隙与电子能带的带边重叠，那么电子、空穴的辐射复合就会因状态密度的减少而被强烈的抑制；介质结构在理论上讲损耗是极低的，这种抑制将会比金属波导更为彻底。
4.传统的空芯光子晶体光纤结构中，横截面中周期性分布着介质气孔和衬底，通过改变气孔的尺寸、相互间的位置关系、以及气孔和衬底之间的折射率，可以对光纤的传输性能进行改善，然而，其光子晶体的带隙并不是很清晰，因此这种光纤的传输模式和有效折射率并不理想，且在空芯光纤中进行传输的过程中，若包层结构对于传导模的限制作用不够明显，则会产生横向泄漏现象，空芯结构光纤对模式的束缚作用并不明显；在高功率激光系统中展宽光纤与光栅均会对系统引入正的色散，而这种色散则会不断积累,致使放大后的脉冲质量劣化。基于以上背景，本发明提出一种宽带色散补偿有效传输的光子晶体光纤，实现了一种在特定波段内实现可调色散补偿、在另一些波段内实现平滑色散，并拥有零色散点可移、降低限制损耗的超材料光子晶体光纤。其他研究人员也提出过夹层气孔的光子晶体光纤结构，但是不具备目标波段平滑色散的特性；不同于以往的工作，我们设计了三种气孔的大小，经实验数据显示，最内层气孔在调制色散系数时显示出重要影响，数据结果较以往结构优一个数量级及以上。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明是为了解决上述问题而提出的，目的在于提供一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，实现了一种在特定波段内实现可调色散补偿、在另一些波段内实现平滑色散，并拥有零色散点可移、降低限制损耗的超材料光子晶体光纤。
6.技术方案：本发明公开了一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，该超材料光子晶体光纤包括纤芯、包层，所述包层有五层空气孔，包括最内层圆结构空气孔、第二层圆结构空气孔、第三、四层圆结构空气孔、最外层圆结构空气孔；所述纤芯为位于光纤本体中心的实心区域，所述包层中的空气孔围绕着纤芯的外圆周呈六边形放射状环绕排
列，在光子晶体光纤横截面形成二维光子晶体结构；第二层圆结构空气孔的孔径d2与最外层圆结构空气孔的孔径d4相等；最内层圆结构空气孔的孔径d1小于第二层圆结构空气孔的孔径d2；第三、四层圆结构空气孔的孔径d3相等，且小于最内层圆结构空气孔的孔径d1；使包层内的介电常数在波长量级呈周期性变化，各层圆结构空气孔的径向间距l与入射光波长在一个量级，从而包层中传播的光波具有能带结构；仅需改变包层中各层圆结构空气孔的尺寸参数，就能让包层实现单一材料的性能可调，获得在宽带上的平滑色散、色散补偿可调和降低限制损耗。
7.所述的包层中的最内层圆结构空气孔、第二层圆结构空气孔、第三、四层圆结构空气孔、最外层圆结构空气孔的轴线与所述光子晶体光纤轴线平行排列，所述最内层圆结构空气孔、第二层圆结构空气孔、第三、四层圆结构空气孔、最外层圆结构空气孔在所述光子晶体光纤的横截面分布结构为六边形夹层圆结构空气孔的结构，各层圆结构空气孔对称于纤芯的圆心设置并呈放射状排列。
8.所述包层结构的最内层圆结构空气孔采用6个圆结构空气孔，每一个圆结构空气孔的孔径为d1；最内层圆结构空气孔中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯的圆心连线所构成的圆心角均相等。
9.所述包层结构的第二层圆结构空气孔采用12个圆结构空气孔，每一个圆结构空气孔的孔径为d2，孔径d2大于孔径d1；第二层圆结构空气孔中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯的圆心连线所构成的圆心角均相等。
10.所述包层结构的第三、四层圆结构空气孔分别采用24、36个圆结构空气孔，每一个圆结构空气孔的孔径为d3，孔径d3小于孔径d1；第三、四层圆结构空气孔的孔径相等，第三、四层圆结构空气孔中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯的圆心连线所构成的圆心角均相等。
11.所述包层结构的最外层圆结构空气孔采用24个圆结构空气孔，每一个圆结构空气孔孔径为d4，孔径d4等于孔径d2；最外层圆结构空气孔中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯的圆心连线所构成的圆心角均相等。
12.所述的纤芯材料为硅玻璃实心材料。
13.所述的包层背景材料为硅玻璃实心材料。
14.所述的最内层圆结构空气孔的孔径d1＝600～690nm；第二层圆结构空气孔的孔径d2与最外层圆结构空气孔的孔径d4相等，即d2＝d4＝660～760nm；第三、四层圆结构空气孔的孔径d3＝360～440nm；所述各层圆结构空气孔的径向间距l＝910～1200nm。
15.所述的最外层圆结构空气孔的层数为1～3层，该三层空气孔的数量从内到外依次为24、36、48。
16.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：由于导光机理的不同，它不需要通过光子禁带的束缚来导光，因而对包层结构的精度要求不高，这对生产是非常有利的。且本发明的光纤采用单一材料结构可调整，在制造工序与成本上具有极大优势。与现有技术相比，相似夹层结构只能实现在相关波段内的大负色散补偿，仅入射波长为1.55μm时有较大负色散系数值为-440.837ps/nm/km；渐变式气孔结构只在更长波段显示出控制色散的功能，在3.8～5μm波长范围内的色散系数值为
±
1.2ps/nm/km；本发明在600～2000nm的长波段内均显示出平滑色散，通过调整气孔大小可将特定波段色散控制在
±
0.5ps/nm/km内，具
有极大优势。另一种现有技术空气孔孔径大小一样、呈三角晶格均匀排布在背景材料为二氧化硅的普通光子晶体光纤，得到入射波长为8.5～1.55μm时色散系数值为-8～+3ps/nm/km。本发明的光纤在入射波长为600～2000nm范围内都存在着非常好的单模特性，基模和其他高阶模式的纤芯电场模积分与整个光纤电场模积分差始终保持在3个数量级及以上；光纤有效模面积随入射波长呈现出先减小后增大的趋势；在入射波长为600～2000nm波段本发明的光纤色散系数较为平滑，且在入射波长为1150nm左右出现了零色散点；随着最内层圆结构空气孔直径d1的增大，零色散点在光纤色散系数分布图中变小左移，可实现调节。
附图说明
17.图1为本发明的光纤截面结构示意图；
18.图中有：纤芯1、包层2、最内层圆结构空气孔3、第二层圆结构空气孔4、第三、四层圆结构空气孔5、最外层圆结构空气孔6。
19.图2为本发明实施例1的光纤模式分析图；
20.图3为本发明实施例1的不同模式纤芯电场模积分与整个光纤电场模积分比值分布图；
21.图4为本发明实施例1的光纤色散系数分布图；
22.图5为本发明的不同结构参数下入射波长范围为850～1200nm时光子晶体光纤色散系数分布图；
23.图6为对比例1的结构示意图，其中pml为完美匹配层、ah为空气孔、si为背景材料硅、d1为外层空气孔直径、d2为内层空气孔直径、λ为空气孔之间的间距；
24.图7为对比例2的结构示意图，其中d1为最外层空气孔直径、λ1为最外层空气孔之间的间距、d2为第二层空气孔直径、λ2为第二层空气孔之间的间距、d3为最内层空气孔直径、λ3为最内层空气孔之间的间距；
25.图8为对比例3的结构示意图。
具体实施方式
26.实施例1：
27.本发明的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤包括纤芯1、包层2，所述包层2包括最内层圆结构空气孔3、第二层圆结构空气孔4、第三、四层圆结构空气孔5、最外层圆结构空气孔6；所述纤芯1为位于光纤本体中心的实心区域，所述包层2围绕着纤芯1的外圆周有规律地呈正六边形环绕排列，在横截面形成二维光子晶体，介电常数在波长量级呈周期性变化，使其中传播的光波具有能带结构，仅需改变包层2中的五层圆结构空气孔参数就能使包层实现单一材料的性能可调，从而实现在宽带上的色散补偿可调、零色散点可移和降低限制损耗的功能。
28.包层2背景材料因其优异的透光率而选择硅玻璃材料，其折射率为1.45。所述纤芯1位于背景材料的正中心，纤芯1直径为5.307μm。
29.所述光纤的直径为10.613μm。所述包层最内层圆结构空气孔3采用6个小圆结构空气孔，孔径为600nm；
30.第二层圆结构空气孔4采用12个大圆结构空气孔，孔径为660nm；
31.第三层采用24个小圆结构空气孔，孔径为388.2nm；
32.第四层采用36个大圆结构空气孔。孔径为388.2nm；
33.最外层圆结构空气孔6采用36个大圆结构空气孔，孔径为660nm；
34.最内层圆结构空气孔3中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯1圆心的连线所构成的圆心角为60
°
；第二层圆结构空气孔4中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯1圆心的连线所构成的圆心角为30
°
；第三、四层圆结构空气孔5中第三层每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯1圆心的连线所构成的圆心角为15
°
，第四层每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯1圆心的连线所构成的圆心角为10
°
；第五层即最外层圆结构空气孔6中相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯1圆心的连线所构成的圆心角为10
°
。
35.实施例2～10：采用的方法与步骤与实施例1相同，具体结构参数见表1。
36.表1实施方案对照表
[0037][0038][0039]
经计算，对于以上结构参数，在入射波长为600～2000nm范围内都存在着非常好的单模特性；基模与其他高阶模式的纤芯电场模积分与整个光纤电场模积分差始终保持在3个数量级及以上；光纤有效模面积随入射波长呈现出先减小后增大；在入射波长为600～2000nm波段该结构的色散系数较为平滑，且在入射波长为1150nm左右出现了零色散点；随着d1的增大，零色散点在光纤色散系数分布图中变小左移，可实现调节(仿真结果见附图5)。
[0040]
对比例1：两种空气孔孔径大小的夹层空气孔结构光子晶体光纤，背景材料为二氧化硅；通过调整第四、五层空气孔孔径的大小得到入射波长为1.55μm时的较大负色散系数值为-440.837ps/nm/km。如图6所示。
[0041]
对比例2：一种以硫化物为背景材料的渐变式空气孔孔径光子晶体光纤；当d1＝0.4μm、d2＝0.16μm、d3＝0.04μm、λ1＝0.88μm、λ2＝0.8μm和λ3＝0.5μm时得到3个零色散波长，分别为4μm、4.62μm和5.9μm；且在3.8～5μm波长范围内的色散系数值为
±
1.2ps/nm/km。如图7所示。
[0042]
对比例3：一种空气孔孔径大小一样、呈三角晶格均匀排布在背景材料为二氧化硅的普通光子晶体光纤；得到入射波长为8.5～1.55μm时色散系数值为-8～+3ps/nm/km。如图8所示。仿真结果分析：
[0043]
对比例1在调制色散时能得到较大的负色散系数，与标准单模光纤连接可做色散补偿光纤所用；本发明在光通信传播的较长一段波段内均能维持平滑色散这一良好特性，在光通信系统内有着取代标准单模光纤连接色散补偿光纤这一结构的潜力。
[0044]
对比例2应用波长为3.8～5μm这一范围，在更短的波段内不具备平滑色散这一特性；本发明很好的补充了更短波段内实现平滑色散的这一功能。
[0045]
对比例3为普通光子晶体光纤，入射波长为8.5～1.55μm时色散系数值不够平滑；本发明通过调整包层内不同空气孔孔径大小，可使色散系数值控制在
±
0.5ps/nm/km内，与普通光子晶体光纤相比有了很大提升。
[0046]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征在于，该超材料光子晶体光纤包括纤芯(1)、包层(2)，所述包层(2)有五层空气孔，包括最内层圆结构空气孔(3)、第二层圆结构空气孔(4)、第三、四层圆结构空气孔(5)、最外层圆结构空气孔(6)；所述纤芯(1)为位于光纤本体中心的实心区域，所述包层(2)中的空气孔围绕着纤芯(1)的外圆周呈六边形放射状环绕排列，在光子晶体光纤横截面形成二维光子晶体结构；第二层圆结构空气孔(4)的孔径d2与最外层圆结构空气孔(6)的孔径d4相等；最内层圆结构空气孔(3)的孔径d1小于第二层圆结构空气孔(4)的孔径d2；第三、四层圆结构空气孔(5)的孔径d3相等且小于最内层圆结构空气孔(3)的孔径d1；使包层(2)内的介电常数在波长量级呈周期性变化，各层圆结构空气孔的径向间距l与入射光波长在一个量级，从而包层(2)中传播的光波具有能带结构；仅需改变包层(2)中各层圆结构空气孔的尺寸参数，就能让包层实现单一材料的性能可调，获得在宽波段平滑色散、色散补偿可调和降低限制损耗。2.根据权利要求1所述的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征在于，所述的包层(2)中的最内层圆结构空气孔(3)、第二层圆结构空气孔(4)、第三、四层圆结构空气孔(5)、最外层圆结构空气孔(6)的轴线与所述光子晶体光纤轴线平行排列，所述最内层圆结构空气孔(3)、第二层圆结构空气孔(4)、第三、四层圆结构空气孔(5)、最外层圆结构空气孔(6)在所述光子晶体光纤的横截面分布结构为六边形夹层圆结构空气孔的结构，各层圆结构空气孔对称于纤芯(1)的圆心设置并呈放射状排列。3.根据权利要求1或2所述的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征在于，所述包层(2)结构的最内层圆结构空气孔(3)采用6个圆结构空气孔，每一个圆结构空气孔的孔径为d1；最内层圆结构空气孔(3)中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯(1)的圆心连线所构成的圆心角均相等。4.根据权利要求1或2所述的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征在于，所述包层(2)结构的第二层圆结构空气孔(4)采用12个圆结构空气孔，每一个圆结构空气孔的孔径为d2，孔径d2大于孔径d1；第二层圆结构空气孔(4)中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯(1)的圆心连线所构成的圆心角均相等。5.根据权利要求1或2所述的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征在于，所述包层(2)结构的第三、四层圆结构空气孔(5)分别采用24、36个圆结构空气孔，每一个圆结构空气孔的孔径为d3，孔径d3小于孔径d1；第三、四层圆结构空气孔的孔径相等，第三、四层圆结构空气孔(5)中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯(1)的圆心连线所构成的圆心角均相等。6.根据权利要求1或2所述的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征在于，所述包层(2)结构的最外层圆结构空气孔(6)采用24个圆结构空气孔，每一个圆结构空气孔孔径为d4，孔径d4等于孔径d2；最外层圆结构空气孔(6)中每相邻两个圆结构空气孔的圆心与纤芯(1)的圆心连线所构成的圆心角均相等。7.根据权利要求1或2所述的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征在于，所述的纤芯(1)材料为硅玻璃实心材料。8.根据权利要求1或2所述的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征在于，所述的包层(2)背景材料为硅玻璃实心材料。9.根据权利要求1所述的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征
在于，所述的最内层圆结构空气孔(3)的孔径d1＝600～690nm；第二层圆结构空气孔(4)的孔径d2与最外层圆结构空气孔(6)的孔径d4相等，即d2＝d4＝660～760nm；第三、四层圆结构空气孔(5)的孔径d3＝360～440nm；所述各层圆结构空气孔的径向间距l＝910～1200nm。10.根据权利要求1所述的一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，其特征在于，所述的最外层圆结构空气孔(6)的层数为1～3层，该三层空气孔的数量从内到外依次为24、36、48。

技术总结
本发明公开了一种宽带色散补偿有效传输的超材料光子晶体光纤，该超材料光子晶体光纤包括纤芯(1)、包层(2)，所述包层有五层空气孔，包括最内层圆结构空气孔(3)、第二层圆结构空气孔(4)、第三、四层圆结构空气孔(5)、最外层圆结构空气孔(6)；所述纤芯为位于光纤本体中心的实心区域，所述包层中的空气孔围绕着纤芯的外圆周呈六边形放射状环绕排列，在光子晶体光纤横截面形成二维光子晶体结构，介电常数在波长量级呈周期性变化，使其中传播的光波具有能带结构，仅需改变包层中的五层圆结构空气孔参数就能使包层实现单一材料的性能可调，从而实现在宽带上的平滑色散、色散补偿可调和降低限制损耗的功能。制损耗的功能。制损耗的功能。


技术研发人员：叶莉华 丁柯风 赵宇杰 闫大鹏
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/7/27