一种高双折射平坦色散双芯光子晶体光纤及其制备方法 [0002] 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，它是一种带有缺陷的二维光波导，其横截面 具有周期性排列的微结构空气孔，背景材料为石英玻璃，通过微小空气孔对光进行约束，实 现光的传导。 [0003] 相比传统光纤，光子晶体光纤有很多特性：如无截止的单模特性、低损耗特性、灵 活的色散特性等。按照纤芯材料的不同，光子晶体光纤可以分为折射率导光型和带隙引导 型。并且通过改变光子晶体光纤空气孔的半径、孔间距等几何参数可以灵活地改变光子晶 体光纤的传输特性。 [0004] 模式的双折射是衡量保偏光纤性能的重要参数，它是由光纤基模的两个偏振方向 上的有效折射率差的不同而产生的，因而增大二者的折射率差可以有效地迅速增大双折 射，提1?光纤的保偏性能。 [0005] 高双折射光子晶体光纤被广泛地应用于激光器以及其他光学精密仪器的制造。目 前已报道的高双折射光子晶体光纤主要分为以下几类：1)在纤芯附近引入局部非对称性； 2)具有各向异性的包层；3)在包层掺杂聚合物等；4)具有微结构纤芯。 [0006] 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"，参见：0rtig〇sa B A，Knight J C, Wadsworth ff J et. al. Highly birefringence photonic crystal fiber [J]. Optics Letter, 2000,25 (18) :1325-1327。文中报道了双折射达3. 7X 1(T3的石英双折射光子 晶体光纤。2009年，付博设计的一种高双折射双芯光子晶体光纤，通过调整孔径以及孔间距 的参数，能够有效地优化光纤性能。2012年，李丹提出在内层包层是椭圆孔结构的纤芯引 入四个小椭圆孔，通过优化光纤的结构参数，双折射度达〇. 92 X ΚΓ3,色散值变化范围是14 ps/(km · nm),但其稱合长度较长。 [0007] 当前，基于新结构的光子晶体光纤引起了极大研究兴趣，设计出同时具有高双折 射、耦合长度短以及平坦色散特性的光子晶体光纤成为热点，其具有应用于制作偏振分束 器和产生宽带超连续谱的重要价值。



[0008] 本发明的目的是解决目前已有的光子晶体光纤双折射较低同时耦合长度较大、色 散平坦度较低等问题，提供一种结构相对简单并且易于制作的高双折射平坦色散双芯光子 晶体光纤，该光子晶体光纤采用了六边形包层并且引入了纤芯微结构，具有比现有的光子 晶体光纤更高的双折射；采用的背景材料是石英玻璃，光纤拥有更小的耦合长度及宽带的 平坦色散，因而可以用作制作偏振分束器和超连续谱微结构光纤。
[0009] 本发明的技术方案： 一种高双折射平坦色散双芯光子晶体光纤，包括纤芯和包层，包层折射率低于纤芯；光 纤的包层材料是石英玻璃，该光子晶体光纤包层为正六边形排列的空气孔点阵结构，纤芯 是由中心去掉两个空气孔形成，中间由一个直径为屯的中心圆形空气孔隔离开，在最内层 设有椭圆形空气孔以破坏原有结构的对称性，原来的十二个空气孔换成四个椭圆空气孔a 和2个椭圆空气孔b,椭圆孔的椭圆度计算公式为n=m/n,式中：m为椭圆孔的短轴长度， η为椭圆孔的长轴长度；包层材料为石英玻璃，包层圆形空气孔的直径长度为d 2, Λ为孔间 距。
[0010] 所述椭圆孔a的长轴直径为4 μ m、短轴直径为1. 68 μ m ;椭圆孔b的长轴直径为 2. 56 μ m、短轴直径为1. 075 μ m ;中心圆形空气孔的直径为1. 0 μ m ;石英玻璃包层的折射率 为1.444,包层圆形空气孔的直径为1. 1 μ m，间距为2.0 μ m。 toon] 一种所述高双折射平坦色散双芯光子晶体光纤的制备方法，步骤如下： 1) 将7根空心毛细石英管排成六边形，捆绑在一起，按六角形一圈一圈向外捆绑，直到 捆绑到第五层，再套上外套管，然后在空心毛细石英管的间隙处用实心石英毛细棒填充，将 中心的13根空心毛细石英管取出，换成一根同尺寸的实心石英棒代替，在抽取中心空心石 英管时，将中心孔支撑，防止周围毛细管向周围坍塌，制得光纤预制棒； 2) 把上述光纤预制棒固定在拉丝塔中，调节好拉丝温度T=2070°C和拉丝速度20m/ min，将预制棒在加热炉里进行加热熔融并在熔融后进行牵引，在光纤尺寸保持不变以后， 制得裸光子晶体光纤； 3) 用超声波打孔法对上述裸光子晶体光纤进行打孔； 4) 将上述打孔后的裸光子晶体光纤进行涂胶，然后用紫外线进行照射，使涂胶均匀凝 固在光纤表面，即可制得高双折射平坦色散双芯光子晶体光纤。
[0012] 一种所述高双折射双芯光子晶体光纤的应用，用于制作偏振分束器和超连续谱微 结构光纤。
[0013] 本发明的优点和有益效果： 本发明提出了一种结构相对简单并且易于制作的高双折射平坦色散双芯光子晶体光 纤，通过引入纤芯微结构，在两个纤芯周围处各设置了三个椭圆空气孔的结构，该结构表现 出很高的模式双折射；该光子晶体光纤的模式双折射比普通的双芯光子晶体光纤（1〇_ 3量 级）高出一个数量级，达到1〇_2量级，同时该光纤在传输波长为1800nm时，X偏振方向耦合 长度为101. 59，y偏振方向为112. 342;具有宽带的平坦色散特性。




[0014] 图1为该光子晶体光纤的横截面不意图。
[0015] 图中：1.椭圆孔a 2.椭圆孔b 3.中心圆形空气孔 4.包层圆形空气孔 5.包层 6.纤芯 图2为计算得到的该光子晶体光纤两个偏振方向上的模式折射率之差，即双折射随波 长的变化关系图。
[0016] 图3为计算得到的该光子晶体光纤耦合长度随传输波长的变化关系图。
[0017]图4为计算得到的该光子晶体光纤Y偏振方向上色散随传输波长的变化关系图。


[0018] 实施例： 一种高双折射平坦色散双芯光子晶体光纤，如图1所示，包括纤芯6和包层5,包层5 折射率低于纤芯6 ;光纤的包层材料是石英玻璃，该光子晶体光纤包层为正六边形排列的 空气孔点阵结构，纤芯6由中心去掉两个空气孔形成，中间由一个直径为屯的中心圆形空 气孔3隔离开，在最内层设有椭圆形空气孔以破坏原有结构的对称性，原来的十二个空气 孔换成四个椭圆空气孔al和2个椭圆空气孔b2,椭圆孔的椭圆度计算公式为ii=m/n，式 中：m为椭圆孔的短轴长度，η为椭圆孔的长轴长度；包层材料为石英玻璃，包层圆形空气孔 的直径长度为d 2, Λ为孔间距。
[0019] 该实施例中，椭圆孔a的长轴直径为4 μ m、短轴直径为1. 68 μ m ;椭圆孔b的长轴 直径为2. 56 μ m、短轴直径为1. 075 μ m ;中心圆形空气孔的直径为1. 0 μ m ;石英玻璃包层的 折射率为1. 444,圆形空气孔的直径为1. 1 μ m，间距为2. 0 μ m。
[0020] 该高双折射平坦色散双芯光子晶体光纤的制备方法，步骤如下： 1) 将7根空心毛细石英管排成六边形，捆绑在一起，按六角形一圈一圈向外捆绑，直到 捆绑到第五层，再套上外套管，然后在空心毛细石英管的间隙处用实心石英毛细棒填充，将 中心的13根空心毛细石英管取出，换成一根同尺寸的实心石英棒代替，在抽取中心空心石 英管时，将中心孔支撑，防止周围毛细管向周围坍塌，这样就形成了光纤预制棒； 2) 把上述预制棒固定在拉丝塔中，调节好拉丝温度T=2070°C和拉丝速度20m/min，然 后预制棒在加热炉里进行加热熔融，在熔融后经牵引，在光纤尺寸保持不变以后，形成了裸 光子晶体光纤； 3) 用超声波打孔法对纤芯进行打孔，来完成纤芯的设计； 4) 对裸光纤进去涂胶，用紫外线进行照射，使涂胶均匀凝固在光纤表面。
[0021] 所制得的高双折射双芯光子晶体光纤的应用，用作制作偏振分束器和超连续谱微 结构光纤。
[0022] 图2为该光子晶体光纤计算得到的两个偏振方向上的模式折射率之差，即双折射 随波长的变化关系图，图中表明：模式双折射随着传输波长的增大而增加，在传输波长为 1800nm时，其双折射度达到1. 16ΧΚΓ2,比普通的光子晶体光纤高出一个数量级。
[0023] 图3为该光子晶体光纤计算得到的耦合长度随波长的变化关系图，图中表明：该 光子晶体光纤的稱合长度很低，在1550nm处，X偏振方向稱合长度为151. 23 μ m，y偏振方 向为 187. 812 μ m。
[0024] 图4为该光子晶体光纤色散随波长的变化关系图，图中表明：该光子晶体光纤具 有宽带平坦色散特性，其色散值在传输波长为l〇〇〇nm?1600nm间的变化范围是12ps/ (km · nm) 〇