第32卷第4期 杭州电子科技大学学报Vol．32，No．42012年08月Journal of Hangzhou Dianzi University Aug．2012doi ：10．3969/j．issn．1001－9146．2012．04－019 高双折射光子晶体光纤的特性研究 马骏，郭淑琴，李芳，李旦 （浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310023） 收稿日期：2012－06－10 作者简介：马骏（1986－），男，浙江衢州人，在读研究生，光子晶体光纤． 摘要：该文设计了一种新型结构的高双折射光子晶体光纤。通过在纤芯内部引入8边形空气孔， 应用全矢量有限元法，针对各种结构参量对模式双折射特性的影响进行了详细的分析和讨论。结 果表明，该结构光子晶体光纤可以产生10 －2量级的模式双折射，比传统保偏光纤高约2个数量级。关键词：光子晶体光纤；高双折射；有限元法；八边形中图分类号：TN253文献标识码：A 文章编号：1001－9146（2012）04－0073－030引言 光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber ， PCF ）又被称为多孔光纤或者微结构光纤。根据PCF 的导光原理，光子晶体光纤可以分为两种：一种是全内反射光子晶体光纤，主要依赖于全内反射效应导光；一种 是光子带隙光子晶体光纤，主要是按照光子带隙效应导光［1］。光子晶体光纤由于其拥有许多独特的性 质，自1996年问世以来对这种新型光纤的研究一直受到人们极大的关注。光子晶体光纤较传统光纤最大的优势在于其结构设计的灵活性。折射率导模光子晶体光纤的包层中周期排列着空气孔，通过改变部分周期性空气孔的形状、大小或位置，可以制作出双折射很高的光子晶体光纤。 1光纤结构 该文设计了一种高双折射PCF ，其截面结构如图1所示。 图1高双折射PCF 的横截面图 该光纤仍然采用目前PCF 常见的三角 格子结构排列空气柱。空气孔层数n =6， 三角格子结构空气孔的孔径为d 1/Λ=0．85， 空气孔间距为Λ=1μm ，基底材料折射率为1． 45。在纤芯位置，将最内层的6边形空气孔 柱全部移除， 并用8边形空气孔柱填充。8边形空气孔的小孔直径为d 2=0．4μm ，大孔 直径为d 3=1．1μm ，孔间距为L =0．99μm 。 由图1可知，该新型结构光纤的包层主要由 两部分组成：一部分是用8边形空气孔柱填 充而成；另一部分则是由传统的6边形空气 孔柱构成。这里通过调节8边形空气孔柱 的大孔、小孔直径以及孔间距，来破坏模式 的简并，从而获得高双折射。
一种高双折射低损耗光子晶体光纤，包括纤芯和包层，纤芯由光纤中心部位的背景材料、四个圆孔a和两个圆孔b共同构成的纤芯高折射率区域，其在纤芯处呈两个圆孔a夹一个圆孔b的两列并行排列的微结构纤芯；包层为包围纤芯且直径相同且呈正八边形周期性排列的圆形空气孔构成的区域共四层，最内层圆形空气孔与四个圆孔a外切。本技术的优点是：该光纤引入微结构纤芯，具有二维旋转对称性，模式双折性能高，比普通的光子晶体光纤高出一个数量级达到10-1；该光纤的限制损耗超低为10-6dB/km量级，适用作制作色散补偿光纤；选用As2Se3作为背景材料，具有大的负色散特性，性能更加优秀且易于操作。 技术要求 1.一种高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于：包括纤芯和包层，包层折射率低于纤芯；纤芯由光纤中心部位的 背景材料As2Se3、四个圆孔a和两个圆孔b共同构成的纤芯高折射率区域，其中圆孔a的直径大于圆孔b的直径，四个圆孔a和两个圆孔b在纤芯处呈两个圆孔a夹一个圆孔b的两列并行排列的微结构纤芯；包层为包围纤芯且直径相同且呈正八边形周期性排列的圆形空气孔构成的区域，周期性排列的圆形空气孔共四层，最内层圆形空气孔与四个圆孔a外切。 2.根据权利要求1所述高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于：所述圆孔a的直径为0.56μm、圆孔b的直径为 0.44μm；圆形空气孔的直径为1μm、空气孔的间距为1.5μm；两列并行排列圆孔的中心距为0.87μm。 3.一种如权利要求1所述高双折射低损耗光子晶体光纤的制备方法，其特征在于步骤如下： 1）将一根直径为3mm的As2Se3材料棒研磨成正八棱柱并沿轴线方向钻一个直径为1.6mm的孔，然后将其放在光纤拉丝塔上拉制成直径为0.08mm的正八棱柱丝，拉丝温度为1800-2000℃； 2）把上述正八棱柱丝切成长度为25mm的柱丝，然后堆积需要的晶体结构，将其再一次放到光纤拉丝塔中熔合、拉伸制成空气孔间距为1.5μm，得到更细的纤丝； 3）将上述纤丝堆积成八边形结构，中心用直径相同的实心柱替换，对实心柱采用超声波打孔法来完成微结构纤芯的制作。 4.一种如权利要求1所述高双折射低损耗光子晶体光纤的应用，其特征在于：用作制作色散补偿光纤。 说明书 一种高双折射低损耗光子晶体光纤 技术领域 本技术属于光纤通信技术领域，特别是一种高双折射低损耗光子晶体光纤。
第３７卷第２期 红外与激光工程２００８年４月Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．２ ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｒ．２００８ “一”字型保偏光纤热应力致双折射分析 李美成１，熊敏１，刘礼华２，王洪磊１，萧天鹏２，梁乐天 ２ （１．哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１； ２．江苏法尔胜光子公司，江苏江阴２１４４３３） 摘 要：采用实验观测与理论模拟相结合的方法对“一”字型保偏光纤进行了研究。对保偏光纤的 应力区与芯区的形状进行了观测，获得了它们的实际几何形状。在此基础上运用有限元方法分析了“一”字型保偏光纤内的热应力分布，解释了光纤芯区形变的原因，得到了由于热应力引起的光纤横截面的双折射的分布，并与相同应力区厚度的熊猫型保偏光纤进行了对比。实验结果表明，“一”字型保偏光纤采用熊猫型保偏光纤１／５的应力区面积便能获得较高的应力双折射。同时，通过研究径向压应力与温度变化对“一”字型保偏光纤应力双折射的影响，得到了光纤能稳定工作的压应力与温度环境。 关键词：保偏光纤； 有限元法； 热应力； 双折射 中图分类号：ＴＮ２５３；ＴＮ９１９．１１；ＴＮ８１８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－２２７６（２００８）０２－０３５９－０４ Ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓ!ｉｎｄｕｃｉｎｇｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆ“ＣＡＰＳＵＬＥ”ｓｈａｐｅｔｙｐｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ!ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ ＬＩＭｅｉ!ｃｈｅｎｇ１，ＸＩＯＮＧＭｉｎ１，ＬＩＵＬｉ!ｈｕａ２，ＷＡＮＧＨｏｎｇ!ｌｅｉ１，ＸＩＡＯＴｉａｎ!ｐｅｎｇ２，ＬＩＡＮＧＬｅ!ｔｉａｎ２ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ； ２．ＦａｓｔｅｎＰｈｏｔｏｎｉｃｓＣｏｍｐａｎｙ，ＦａｓｔｅｎＧｒｏｕｐ，Ｊｉａｎｇｙｉｎ２１４４３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ“ｃａｐｓｕｌｅ”ｓｈａｐｅｔｙｐｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ!ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ（ＰＭＯＦ）ｂｕｉｌｔｂｙｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｏｒｅｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｌｏｎｇｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ．ＴｈｅｒｅａｌｓｈａｐｅｓｏｆｓｔｒｅｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｒｅｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｓｔｒｅｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｒｅｏｆｃａｍｐｕｌｅＰＭＯＦ．Ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｏｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｓｔｒａｉｎｉｎｃｏｒｅｗａｓｅｘｐｌａｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅａｌｏｎｇｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｄｕｅｔｏｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ＴｈｅｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅｏｆＰＡＮＤＡｔｙｐｅＰＭＯＦｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｌｓｏｆｏｒｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃａｐｓｕｌｅＰＭＯＦｗｉｔｈ１／５ａｒｅａｏｆｓｔｒｅｓｓｓｅｃｔｉｏｎｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈＰＡＮＤＡｔｙｐｅＰＭＯＦｃａｎｏｂｔａｉｎｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｅｓｓｅｓａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓｗａｓａｃｑｕｉｒｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ!ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ（ＰＭＯＦ）； Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ； Ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓ； Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ 收稿日期：２００７－０６－０５；修订日期：２００７－０８－１７ 基金项目：国家高技术研究发展计划８６３资助项目（２００３ＡＡ３１２１２０）；中国博士后科学基金资助项目（２００３０３４３３５） 作者简介：李美成（１９７３－），男，山东郓城人，教授，博士生导师，主要从事信息功能材料与器件的研究。Ｅｍａｉｌ：ｍｅｉｃｈｅｎｇ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ ０引言 ２０世纪８０年代中期，人们开发了用于相干光通信和干涉型光纤传感器的偏振保持光纤（保偏光纤），以提高信号检测灵敏度和精度，抵抗外界环境变化引 起的光偏振变化。保偏光纤进行的相干通信能反映出信息、时间、空间三者间的关系，比普通光纤通信信息容量更大。保偏光纤已广泛应用于制作大容量相干通讯、高灵敏光纤传感系统及光信息处理器等领域。目前，应用较广的是应力致偏型保偏光纤，其致偏原理
实验目的 1． 认识保偏光纤双折射效应特性 2． 用测偏振度方法测量保偏光纤拍长 实验原理 1． 光的偏振状态及单模光纤中的双折射效应 光本质上是一种光频段的电磁场，一般以其电场分量描述场矢的振动特性，很多光源的光场聚集状态（或振动的叠加）并不像左图所示的具有确定的振动面（现为纸平面），而是表现为沿各方向的随机振动过程（混沌光），振动是无序的。另外激光输出一般具有线偏振的特性，振动方向是确定的，在振动面内任意直角坐标系xoy 中可分解为x E , y E 两个分量，当具有任意振动方向的线偏振光通过单模光纤时，光纤介质与光场的相互作用可以使光的振动状态引起变化，也可以保持光的线偏振不变，也能使其失去偏振而成为混沌光，这取决于所使用的光纤。光的振动状态引起变化的含义是指x E , y E 两个分量在经过光纤后相位上的变化有所不同，即产生附加位相差，光纤对光产生双折射的原因是多方面的，一般由内部应力或形变引起，一种比较理想的情况是光的偏振状态发生从线偏振→椭圆偏振→圆偏振→椭圆偏振→线偏振等周而复始的变化，这种交换偏振状态的次序可以沿着光纤的全部长度进行。偏振变换经过2π位相差的距离为p L ，称为光纤的拍长，拍长与双折射n δ的关系是 fas t s low n n n -=δ 02λδπδβn ?= n L p δλδβ π 2= = 其中fast n 和slow n 是光纤内与双折射对应的两个感应方向（称快轴和慢轴）的折射率，δβ是单位长度的位相增量（横向传播系数变化） 2． 偏振保持光纤 在完美圆对称单模光纤中，11HE 模的两个偏振分量（正交偏振的01LP 模）以相同的速度传播，这时它们具有相同的传播常数,线偏振得以保持（01LP 模维持简并）。如果光纤不是很好圆对称的，即光纤是双折射的，导致两个偏振分量有不同的传播常数，这时光纤内慢轴和快轴分别沿着椭圆的长轴和短轴方向。光纤的椭圆形可能是在制造中的偶然误差所致，也可能是人为控制的，一般通过在光纤中施加应力区来形成双折射。如图所示为领结型双折射光纤。此处慢轴平行于领结的高应力轴（平行于领结）而快轴垂直于高应力轴。 当光与光纤介质相互作用时，大部分光会被传播，而有一小部分光被介质中的电子和缺陷散射。如果入射光是混沌光，光向所有方向散射，而当入射光为线偏振时，沿着光纤慢轴方向将会有很少的光散射，大多数散射光会沿着或靠近快轴的方向，如图所示。这意味着如果我们让线偏振光通过此类光纤介质，介质使光的偏振方向发生变化（严格讲应是场矢方向） 却没有使其混沌， 偏振光 保偏光纤的横截 线偏