基于液体填充的高非线性高双折射光子晶体保偏光纤的制作方法

1.本发明涉及超连续光谱的调谐和控制技术领域，具体涉及一种基于液体填充的高非线性高双折射光子晶体保偏光纤。


背景技术：

2.紫外到近红外区域线偏振超连续谱源可用于生物医学成像和荧光寿命成像领域，高光谱成像系统要求超连续谱源为线偏振光，超短脉冲放大器和2μm光谱区频率梳源需要线偏振超连续谱光源，然而线偏振超连续谱产生离不开高双折射的保偏光纤。另外，通过保偏光纤能获得明确定义的种子脉冲的偏振态和相位等。传统的晶体保偏光纤，利用单纯的固体材料光纤实现光谱的调谐或控制的范围较窄、精度较低。为了获得高非线性、高折射和色散可控光子晶体光纤，常用的方法是在纤芯或纤芯周围使用椭圆或菱形孔，这些方法能使双折射系数达到10-3
～10-2
范围，但是在纤芯或纤芯周围引入椭圆孔或矩形孔会使光纤的制造变得较为困难。高非线性液体(cs2)填充光子晶体光纤保留了软玻璃光纤的高非线性特性，具备与气体填充相当的可调谐能力。通过优化结构能实现光纤慢轴工作于全正常色散区、快轴工作于反常色散区，可实现超连续光谱的调谐和控制。


技术实现要素：

3.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于液体填充的高非线性高双折射光子晶体保偏光纤，实现高非线性、高双折射单模传输，且结构简单容易实现。
4.技术方案：本发明提供了一种基于液体填充的高非线性高双折射光子晶体保偏光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯位于光纤的中心，在所述纤芯周围的包层中设置两种尺寸的空气孔，所述空气孔的径向截面均为圆形且其呈六边形点阵排列；小空气孔位于所述纤芯上下端对称设置，且其上端与下端的小空气孔均呈v字形分布，大空气孔位于所述纤芯左右端对称设置，且其左侧与右侧的大空气孔均呈菱形分布；各所述空气孔之间的间距相等。
5.进一步地，所述纤芯直径d与各所述空气孔之间的间距λ相等。
6.进一步地，所述纤芯直径d和各所述空气孔之间的间距λ取值为1.3μm～2.0μm，所述纤芯相对折射率差δn为0.02％～1.29％；所述包层直径d为125μm
±
5μm，且所述包层为纯石英玻璃层。
7.进一步地，所述光纤的数值孔径na为0.35～0.51，模场有效面积为1.31μm2～5.21μm2。
8.进一步地，所述大空气孔的直径为d1＝0.8λ～0.9λ，所述小空气孔的直径d2＝0.4λ～0.5λ。
9.进一步地，所述光纤工作波长为1550nm时，其截止波长为1000nm～3000nm。
10.进一步地，所述光纤双折射系数b值大于等于1.9
×
10-4
。
11.进一步地，所述光纤双折射系数b值大于等于1.2
×
10-2
。
12.有益效果：
13.1、本发明设计的液体填充复合光子晶体保偏光纤是一种三层气孔非旋转对称结构，纤芯和包层孔均为圆形孔，纤芯填充中红外波长区高透射率的cs2液体，不存在简并的正交偏振模，使该复合光纤表现出很高的非线性和双折射特性。同时该光纤也具备在中红外波长区域良好单模传输特性，实现高非线性、高双折射(b＝10-3
～10-2
)单模传输，兼具结构简单容易实现等优点，可适用于高相干光纤激光和光纤传感等系统，并使应用领域得到进一步拓宽。
14.2、本发明所设计的高非线性、高热光特性cs2液体填充复合单模保偏光子晶体光纤除了能实现光谱的可调谐、可控特性之外，对外界多个参量如(温度、应力/应变等)的变化具有较高的灵敏度。
附图说明
15.图1为本发明晶体保偏光纤剖面结构示意图；
16.图2为本发明实施例3晶体保偏光纤非线性仿真图；
17.图3为本发明实施例3晶体保偏光纤模式双折射仿真图；
18.图4为本发明实施例3晶体保偏光纤色散仿真图。
19.其中，1-纤芯，2-包层，3-大空气孔，4-小空气孔。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
21.本发明提出了一种基于液体填充的高非线性高双折射光子晶体保偏光纤，参见附图1，主要包括纤芯1和包层2，纤芯1位于光纤中心，纤芯1和包层2截面均为圆形孔，纤芯1为cs2液体填充芯，在纤芯1周围包层2中设置两种尺寸的空气孔，所有空气孔呈六边形点阵排列，包层2中的空气孔与空气孔之间的距离为λ(大空气孔3与小空气孔4之间的间距为λ，大空气孔3与大空气孔3之间的间距为λ，小空气孔4与小空气孔4之间的间距为λ)，以附图1中的方位显示，小空气孔4位于纤芯1上下端对称设置，且其上端与下端的小空气孔4均呈v字形分布。大空气孔3位于纤芯1左右端对称设置，且其左侧与右侧的大空气孔3均呈菱形分布，本发明设计的晶体保偏光纤打破光晶体光纤原有的结构的对称性，是一种三层气孔非旋转对称结构，实现高双折射特性。
22.下面针对上述的光纤结构，做如下实施例：
23.实施例1：
24.光纤的剖面结构如图1所示：包括纤芯1，纤芯1位于光纤的中心，其中填充有cs2液体，纤芯1直径d＝λ取2.0μm，包层2直径d为125μm
±
5μm，包层2为纯石英玻璃层。在纤芯1周围的包层2中设置两种尺寸的空气孔，所有气孔呈六边形点阵排列，包层气孔与气孔之间的距离为λ，大空气孔3的直径d1＝0.8λ，小空气孔4直径d2＝0.4λ时，光纤的数值孔径na值为0.34～0.52；光纤双折射系数b值为1.9
×
10-4
～5.5
×
10-3
，非线性系数γ值为1.2w-1
·
m-1
～7.1w-1
·
m-1
。
25.实施例2：
26.光纤的剖面结构图不变，纤芯直径d＝λ取1.5μm，包层2直径d为125μm
±
5μm，包层
2为纯石英玻璃层。大空气孔3的直径d1＝0.8λ，小气孔4直径d2＝0.4λ时，光纤的数值孔径na值为0.41～0.52；光纤双折射系数b值为6.7
×
10-4
～1.0
×
10-2
，非线性系数γ值为1.2w-1
·
m-1
～10.7w-1
·
m-1
。
27.实施例3：
28.光纤的剖面结构图不变，纤芯直径d＝λ取1.4μm，包层2直径d为125μm
±
5μm，包层2为纯石英玻璃层。大空气孔3的直径d1＝0.9λ，小气孔4直径d2＝0.42λ时，光纤的数值孔径na值为0.42～0.54；光纤双折射系数b值为1.6
×
10-3
～1.7
×
10-2
，非线性系数γ值为1.4w-1
·
m-1
～11.9w-1
·
m-1
。
29.对于上述的实施例3，做如下仿真数据：
30.对于图2至图4中的非线性系数、双折射以及色散通过如下方式进行计算：
31.图2中非线性系数是由式(1)计算得出：
[0032][0033]
其中，λ为波长，n2为非线性折射率，对于二硫化碳的非线性折射率n2＝1.06
×
10-18
m2w-1
，a
eff
为模场有效面积。
[0034]
图3中模式双折系数b由式(2)计算得出：
[0035][0036]
其中，为x轴(慢轴)有效折射率，为y轴(快轴)有效折射率。
[0037]
图4中色散曲线由式(3)计算得出：
[0038][0039]
其中，c为光在真空中的速度，n
eff
为光纤的模式的有效折射率，re表示取实部。
[0040]
从附图2至附图4可以发现，本发明实施例3设计的光纤具有较高的非线性(参见图2)、较高的模式双折射(参见图3)，通过对光纤结构参数优化后能够实现该复合保偏光纤的x轴(慢轴)工作于全正常色散区，y轴(快轴)工作于反常色散区，如图4所示，进而能够实现对超连续光谱的调谐和控制。
[0041]
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。