一种宽带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤的制作方法

1.本发明涉及光纤通信技术领域，特别是涉及一种宽带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤。


背景技术：

2.在长距离光纤传输系统中，传统光纤被用来作为传输媒质，其中线路中产生的色散累积常常会产生大的正色散，导致脉冲展宽引起信号失真，从而导致误码率的提高，且影响传输信号传输速率和传输带宽，因此，有必要对线路中的色散进行补偿。为了弥补光纤传输过程中产生的大色散，可以通过大负色散光纤正色散进行补偿，但是，进行色散补偿之后，总会存在一部分残余正色散，将其称之为残余色散，此时残余色散补偿光纤成为必不可少的色散补偿。而这种残余色散补偿光纤应该提供大负平坦色散，这样才能补偿标准的单模光纤在宽波段内积累的正色散。对于高速率传输系统，单模光纤中存在另一种色散为偏振模色散，偏振模色散是基于光纤的双折射特性，在光纤的拉制过程中，内部应力的不均匀，外部因素如弯曲、扭曲、被挤压都会产生不可避免的双折射，双折射使纤芯中两个正交电场沿着轴向传输时，会产生不同的传输常数，从而导致了不同的群速度，使光信号在光纤的输出端产生了不同的时延，引起了光脉冲展宽。偏振模式色散和偏振串扰是影响光纤长距离传输的主要因素，而具有单偏振传输的残余色散补偿光纤在高速长距离的光纤通信传输系统中具有广阔应用前景。
3.光子晶体光纤由于灵活可调的结构，被广泛的应用于色散补偿光纤，常用的色散补偿光子晶体光纤大都是仅在通信波长1.55μm处设计出大负色散，用于窄带波长范围的色散补偿。常用的实现色散补偿光纤的技术方案是通过在外包层第3层左右减小空气孔直径形成外纤芯，内纤芯为中心空气孔缺陷形成的实芯，利用外芯模场和内芯基模在通信波长1.55μm产生折射率匹配，从而实现通信波长1.55μm处的大负色散特性。两个包层位置很近又能各自支持独立模式进行传输，当传输波长在某个相位匹配波长附近时，两个模式能发生耦合，并借此使各自传播的模式的有效折射率有一个明显的改变，产生一负一正两个大色散，利用它产生的负色散正是进行色散补偿的主要原因。
4.陈旭利用该技术方案设计了一种宽带色散补偿光子晶体光纤，利用内纤芯柚子型形成等效双芯结构，利用内纤芯间的挤压减弱其对传输光的限制，使本该在内芯中进行传输的光扩散到外纤芯中，促使内纤芯在一段波长范围内实现内外纤芯的模式耦合，设计了在波长1.52到1.58μm范围内，色散值从
‑
380ps/(nn.km)增大到
‑
420ps/(nn.km)，色散变化范围为40ps/(nn.km)的宽带色散补偿pcf，用于残余色散补偿。
5.但是，上述实现的宽带残余色散补偿的缺点在于，纤芯区域引入柚子型结构，会使光纤本身产生两偏振方向模式传输，而所设计结构光纤只能实现一个偏振方向的色散补偿，没有考虑其残余色散补偿光纤在进行色散补偿的同时自身带来的偏振色散，这无疑为高速率、大容量光纤通信传输线路的色散补偿带来了阻碍，另外，其色散在1.52到1.58μm范围内色散差值绝对值过大，不能更好的实现宽带范围内的残余色散补偿。因此，设计一种宽
带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤是十分有必要的。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种宽带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤，结构简单，易于实现，无需改变光纤结构，能够通过改变外加电场调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种宽带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤，包括：以石英为基底材料的光纤结构，所述光纤结构从内到外依次设置有纤芯区域、内包层及外包层，所述纤芯区域由纤芯中心孔及周围的石英基底构成，所述纤芯中心孔内部填充有液晶材料，所述外包层包括由内到外依次设置的第二六边形阵列排列空气孔及第一六边形阵列排列空气孔，所述第一六边形阵列排列空气孔及第二六边形阵列排列空气孔与所述内包层构成水平和竖直方向完全对称的微结构端面结构；
9.向纤芯中心孔内部填充的液晶材料施加外加电场，通过调节外加电场的大小，调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿。
10.可选的，所述第一六边形阵列排列空气孔及第二六边形阵列排列空气孔均由空气孔按照正六边形排列构成，所述第一六边形阵列排列空气孔的空气孔数量为18个，所述第二六边形阵列排列空气孔的空气孔数量为12个，所述空气孔的孔间距为3.5
‑
3.52μm，所述空气孔的直径为1.39
‑
1.41μm。
11.可选的，所述纤芯中心孔为纤芯椭圆孔，所述纤芯椭圆孔与周围的石英基底组成c2v对称结构，所述纤芯椭圆孔的长轴方向平行于x轴方向。
12.可选的，所述内包层由呈正六边形排列的四个第一椭圆空气孔及两个第二椭圆空气孔构成，所述第一椭圆空气孔的长轴方向平行于y轴方向，所述第二椭圆空气孔的长轴方向平行于x轴方向。
13.可选的，所述纤芯椭圆孔的长轴为1.8
‑
1.82μm，所述纤芯椭圆孔的短轴为0.9
‑
0.92μm，所述第一椭圆空气孔的长轴为4μm，所述第一椭圆空气孔的短轴为2.5μm，所述第二椭圆空气孔的长轴为4.8μm，所述第二椭圆空气孔的短轴为1.6μm。
14.可选的，所述纤芯中心孔为纤芯圆孔，所述纤芯圆孔的两侧设置有两个第一空气孔，所述内包层由呈正六边形排列的四个增大空气孔及两个第二空气孔构成，所述增大空气孔两两一组，分别设置在所述纤芯圆孔的上下两侧，所述第二空气孔分别设置在所述第一空气孔的左右两侧。
15.可选的，所述第一空气孔及第二空气孔与所述第一六边形阵列排列空气孔及第二六边形阵列排列空气孔的空气孔的直径相同，均为1.39
‑
1.41μm，所述增大空气孔的直径为空气孔的孔间距的0.94倍
‑
0.95倍，所述纤芯圆孔的直径为0.79
‑
0.82μm，所述第一空气孔与所述纤芯圆孔的孔间距为1.2μm。
16.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的宽带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤，不需要改变光纤结构，只要通过外加电场改变光子晶体光纤内液晶分子指向矢方向的旋转角度，即可实现两正交偏振方向纤芯的残余色散补偿；设置有两种光纤结构，两种结构均由纤芯区域，内包层和外包层组成、石英基底材料组
成，其中一种纤芯区域为纤芯椭圆孔，内包层由呈正六边形排列的四个第一椭圆空气孔及两个第二椭圆空气孔构成，第一椭圆空气孔的长轴方向平行于y轴方向，第二椭圆空气孔的长轴方向平行于x轴方向，该排列方式能够更高的调节纤芯模式折射率，且与纤芯椭圆孔一致的排列方式可以提高负色散平坦性，通过向纤芯椭圆孔内部填充的液晶材料施加外加电场，通过调节外加电场的大小，调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿；另一种纤芯区域为纤芯圆孔，纤芯圆孔两侧设置有第一空气孔，内包层呈六边形排列的四个增大空气孔及两个第二空气孔构成，其中，增大空气孔和第一空气孔降低了单一偏振方向纤芯模式折射率，使其能够实现宽带单偏振传输，且该光纤结构也可通过向纤芯圆孔内部填充的液晶材料施加外加电场，通过调节外加电场的大小，调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为纤芯中心孔为纤芯椭圆孔的光纤结构示意图；
19.图2a为纤芯椭圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为90
°
模式折射率图；
20.图2b为纤芯椭圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为0
°
模式折射率图；
21.图3a为纤芯椭圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为90
°
时两偏振方向纤芯模损耗随波长变化图；
22.图3b为纤芯椭圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为0
°
时两偏振方向纤芯模损耗随波长变化图；
23.图4为纤芯椭圆孔光纤结构的内包层第二椭圆空气孔的不同排列方式对该光纤结构的色散影响图；
24.图5为纤芯椭圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为0
°
和90
°
时分别仅有x偏振及仅有y偏振方向传输的模式色散随波长变化图；
25.图6为纤芯中心孔为纤芯圆孔的光纤结构示意图；
26.图7a为纤芯圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为90
°
模式折射率图；
27.图7b为纤芯圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为0
°
模式折射率图；
28.图8为纤芯圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为0
°
和90
°
时分别仅有x偏振及仅有y偏振方向传输的模式色散随波长变化图。
29.附图标记：1、纤芯椭圆孔；2、第一椭圆空气孔；3、第二椭圆空气孔；4、空气孔；5、石英基底；6、纤芯圆孔；7、第一空气孔；8、增大空气孔；9、第二空气孔。
43.其中，λ为光传输波长，柯西方程系数a
e
、b
e
、c
e
、a
o
、b
o
和c
o
在室温下分别为：a
e
＝1.6933、b
e
＝0.0078μm2、c
e
＝0.0028μm4、a
o
＝1.4994、b
o
＝0.007μm2、和c
o
＝0.0004μm4。液晶材料的折射率分ε
xx
小于ε
yy
，即y偏振方向纤芯模式折射率远高于x偏振方向模式折射率，而x偏振方向纤芯模式折射率和包层模式折射率相近，使x偏振方向入射光向包层泄露加强；由于y偏振方向纤芯模式折射率远远高于包层折射率，根据光纤传输的全内反射原理，y偏振方向模场能量能够更好的限制在纤芯内，从而实现了仅有y偏振方向光传输的单偏振传输，有效的避免了偏振模式色散，偏振模式损耗和偏振模串扰。
44.如图2b所示，通过调节外加电场大小改变液晶分子的长轴方向，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0
°
时，即φ＝0
°
时，其液晶分子的长轴方向与光纤结构的横截面x轴一致，当φ＝0
°
时的e7材料有效折射率用对角矩阵表示为：
[0045][0046]
其中，液晶材料的折射率分布ε
xx
大于ε
yy
，使x偏振方向纤芯模式折射率远高于y偏振方向折射率，而y偏振方向纤芯模式折射率与包层模式折射率相近，使y偏振方向入射光向包层泄露增强，由于x偏振方向纤芯模式折射率远远高于包层折射率，根据光纤传输的全内反射原理，x偏振方向模场能量能够更好的限制在纤芯内，保证了当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0
°
时仅有y偏振方向传输的单偏振传输。
[0047]
另外，由于纤芯椭圆孔及内包层均为椭圆孔结构，所以在调节液晶分子指向矢方向n的旋转角度时，其对应的高折射率偏振方向与纤芯模并不是完全重合。
[0048]
图3为液晶分子指向矢方向n的旋转角度分别为0
°
和90
°
时两偏振方向纤芯模损耗随波长的变化，如图3所示，为了更清楚的显示两偏振方向的损耗差，将损耗数值进行了对数化处理，如图3a所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90
°
时，在波长1.35到1.7μm(e s c l u通信波段)内，x偏振方向纤芯模损耗大于80db/km，而y偏振方向纤芯模损耗小于0.0002db/km，两偏振方向纤芯模损耗远远大于100，满足在e s c l u通信波段内仅有y偏振方向纤芯模的单偏振传输条件，与上述的液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90
°
时两偏振方向折射率分布一致，y偏振方向纤芯模式折射率远大于包层模式折射率，使其偏振光更好的限制在纤芯内传输，而x偏振方向纤芯模式折射率与包层模式折射率相近，使其偏振光泄露到包层中，产生了更高的损耗。
[0049]
如图3b所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0
°
时，在e s c l u通信波段内，y偏振方向纤芯模损耗大于100db/km，而x偏振方向纤芯模损耗小于1.8
×
10
‑5db/km，两偏振方向纤芯模损耗远远大于100，实现了仅有x偏振传输的单偏振传输，与上述的液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0
°
时两偏振方向折射率分布结果一致。
[0050]
图4为纤芯椭圆孔光纤结构的内包层第二椭圆空气孔的不同排列方式对该光纤结构的色散影响图，如图4所示，当内包层的第一椭圆空气孔及第二椭圆空气孔的椭圆长轴方向相互垂直时，可以获得更加平坦的负色散，更适于宽带残余色散补偿；当内包层的第一椭圆空气孔的排列方式与第二椭圆空气孔的排列方式方向相反时，第二椭圆空气孔的长轴与x轴方向平行，第一椭圆空气孔长轴的方向与y轴方向平行，由于椭圆孔长轴所在位置处的空气孔面积更大，有效降低了空气孔所在面积范围的平均折射率分布，而相互正交位置处椭圆孔长轴方向的正交排列，有效的减小了折射率随波长的变化，根据色散方程可知，能够实现更加平坦的色散，使纤芯模式折射率随波长的变化更加平坦，其中色散方程如下：
[0051][0052]
图5为纤芯椭圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为0
°
时仅有x偏振及在液晶分子指向矢方向的旋转角度为90
°
时仅有y偏振方向传输的模式色散随波长变化图，如图5所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90
°
时，在满足了只有y偏振方向纤芯模的单偏振传输的条件下，在波长1.3到1.65μm通信波段内y偏振方向纤芯模色散值为
‑
217.2到
‑
214.5ps/(nn.km)，其通信波段范围内的y偏振方向纤芯模色散变化值仅为2.7ps/(nn.km)；
[0053]
通过调节外加电场，改变液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0
°
时，同样能够实现在1.3到1.65μm通信波段只有x偏振方向纤芯模传输的单偏振方向传输，其对应的x偏振纤芯模色散值为
‑
123.2到
‑
119.5ps/(nn.km)，实现了只需通过外加电场改变液晶分子指向矢旋转角度，即可实现两偏振方向都保证单偏振传输的条件下对光纤通信传输过程中的残余色散进行补偿，且不会给传输系统本身带来偏振模色散。
[0054]
如图6所示，所述纤芯中心孔为纤芯圆孔6，所述纤芯圆孔6的两侧设置有两个第一空气孔7，所述内包层由呈正六边形排列的四个增大空气孔8及两个第二空气孔9构成，所述增大空气孔8两两一组，分别设置在所述纤芯圆孔6的上下两侧，所述第二空气孔9分别设置在所述第一空气孔7的左右两侧。
[0055]
所述第一空气孔7及第二空气孔9与所述第一六边形阵列排列空气孔及第二六边形阵列排列空气孔的空气孔4的直径相同，均为1.39
‑
1.41μm，所述增大空气孔8的直径d1为0.94λ
‑
0.95λ，即空气孔的孔间距的0.94倍
‑
0.95倍，所述纤芯圆孔的直径为0.79
‑
0.82μm，所述第一空气孔与所述纤芯圆孔的孔间距为1.2μm。
[0056]
如图7a所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90
°
时，y偏振方向纤芯模式折射率高于x偏振方向纤芯模式折射率，且增大空气孔及第一空气孔很大程度的降低了x偏振方向纤芯模式折射率，使其在波长大于0.85μm范围内因小于包层模式折射率及不满足光纤传输的全内反射条件而被截止，y偏振方向纤芯模在波长大于1.8μm处由于低于包层模式折射率被截止，因此，该光纤结构满足了在波长0.85到1.8μm范围内的单偏振传输；
[0057]
如图7b所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0
°
时，x偏振方向纤芯模式折射率高于y偏振方向纤芯模式折射率，且增大空气孔及第一空气孔很大程度的降低了x偏振方向纤芯模式折射率，因此，x偏振方向在波长大于1.67μm范围内由于低于包层模式折射率被截止，而第一空气孔对y偏振方向纤芯模式折射率影响不大，y偏振方向纤芯模式折射率在波长小于0.86μm范围内小于包层模而被截止，满足了波长0.86到1.67μm范围内的单偏振传输，相比液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90
°
，单偏振传输波长向短波长范围移动，因此，无论液晶分子指向矢方向n的旋转角度是0
°
还是90
°
，在o e s c l u通信波段内均可保证单偏振传输。
[0058]
图8为纤芯圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为0
°
时仅有x偏振及在液晶分子指向矢方向的旋转角度为90
°
仅有y偏振方向传输的模式色散随波长变化图，如图8所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90
°
时，在满足了只有y偏振方向纤芯模的单偏振传输的条件下，在波长1.4到1.6μm通信波段内y偏振方向纤芯模色散值为
‑
547.2到
‑
550.1ps/(nn.km)，其通信波段范围内的y偏振方向纤芯模色散变化值仅为3.9ps/(nn.km)；
[0059]
通过调节外加电场，改变液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0
°
时，同样能够实现在1.45到1.65μm通信波段只有x偏振方向纤芯模传输的单偏振方向传输，其对应的x偏振纤芯模色散值为
‑
892.9到
‑
900.8ps/(nn.km)的大负平坦色散。
[0060]
本发明提供的宽带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤，不需要改变光纤结构，只要通过外加电场改变光子晶体光纤内液晶分子指向矢方向n的旋转角度，即可实现两正交偏振方向纤芯的残余色散补偿；设置有两种光纤结构，两种结构均由纤芯区域，内包层和外包层组成、石英基底材料组成，其中一种纤芯区域为纤芯椭圆孔，内包层由呈正六边形排列的四个第一椭圆空气孔及两个第二椭圆空气孔构成，第一椭圆空气孔的长轴方向平行于y轴方向，第二椭圆空气孔的长轴方向平行于x轴方向，该排列方式能够更高的调节纤芯模式折射率，且与纤芯椭圆孔一致的排列方式可以提高负色散平坦性，通过向纤芯椭圆孔内部填充的液晶材料施加外加电场，通过调节外加电场的大小，调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿；另一种纤芯区域为纤芯圆孔，纤芯圆孔两侧设置有第一空气孔，内包层呈六边形排列的四个增大空气孔及两个第二空气孔构成，其中，增大空气孔和第一空气孔降低了偏振方向纤芯模式折射率，使其能够实现宽带单偏振传输，且该光纤结构也可通过向纤芯圆孔内部填充的液晶材料施加外加电场，通过调节外加电场的大小，调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿。
[0061]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。