一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法

摘要

本发明属于光纤器件设计制作领域，涉及一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法。本发明以实现更高双折射，更宽间距双零色散波长特性为目标，步骤为：以硅酸盐软玻璃构造基底，建立椭圆螺旋椭圆孔光子晶体光纤计算模型；使用仿真软件对光纤进行模拟计算，得到双折射取得最大值时对应的理想几何参数组合；绘制理想条件下的色散特性曲线、非线性特性曲线，在中红外区获得双零色散点和高非线性值；根据光纤在几何参数波动下的特性曲线，证实本专利所设计的结构对制作过程中的几何参数偏差具有较强的鲁棒性。本发明的特点是，所设计的光子晶体光纤同时具有高双折射、高非线性、双零色散的特性，能够满足超连续光源产生的应用要求。

权利要求

1.一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法，其具体步骤如下：步骤1：以SF57型硅酸盐软玻璃构造基底，建立椭圆螺旋椭圆孔光子晶体光纤(Elliptical‑Spiral Elliptical‑Hole Photonic Crystal Fiber，ES‑EH PCF)计算模型，该模型的特征为ES‑EH PCF由5层椭圆包络构成，每层有12个椭圆空气孔，a，b分别为椭圆空气孔的短轴和长轴，五层椭圆包络的椭圆率比值相等，即其中B为椭圆包络的长轴，A为椭圆包络的短轴，A1，A2，A3，A4，A5分别为各层椭圆包络的短轴，B1，B2，B3，B4，B5分别为各层椭圆包络的长轴，各层之间的间距相等，即ΔA＝A2‑A1＝A3‑A2＝A4‑A3＝A5‑A4，ΔA为层间距，最内层椭圆包络中相邻空气孔之间的弧长相同，外层椭圆包络中的空气孔相对于相邻内层椭圆包络空气孔位置依次增量θ角度，且满足15°≤θ≤45°；

步骤2：使用基于有限单元法的COMSOL软件对光纤进行模拟计算，分析ES‑EH PCF在不同几何参数(包括螺旋角度、螺旋椭圆率、空气孔椭圆率以及空气孔大小)条件下的双折射值变化情况，进而得到双折射取得最大值时对应的理想参数值：a＝0.17μm，b＝0.425μm，A1＝1μm，B/A＝2.7，ΔA＝0.4，获得具有最优参数配置的ES‑EH PCF计算模型；

步骤3：依据步骤2中所得具有最优参数配置的ES‑EH PCF计算模型，绘制色散特性曲线，获得两个零色散点的位置，证实该光纤结构可用于超连续光源的产生，同时，通过分析空气孔椭圆率和螺旋椭圆率的变化对光纤色散的影响，证实零色散点的位置可以通过调节空气孔或椭圆螺旋的椭圆率来改变，扩宽应用场景；

步骤4：分析步骤2中所得ES‑EH PCF计算模型的非线性特性，鉴于X偏振光和Y偏振光的非线性差异很小，只计算X偏振光的非线性值，绘制非线性特性曲线，证实非线性随空气孔‑1 ‑1

或椭圆螺旋的椭圆率变化不明显，且在波长为1.2μm时，非线性值达到700W km ，满足超连续光源产生的应用要求；

步骤5：依据步骤2中所得ES‑EH PCF计算模型，分析当几何参数偏离理想状态时光纤双折射的变化，考虑到在光纤拉制过程中，偏离理想参数值±1％的误差可能会发生，所以设定几何参数在理想参数值±2％内波动，进行模拟计算并绘制双折射特性曲线，证实几何参数在上述波动条件下，其高双折射特性能够很好的保持；

步骤6：分析当几何参数偏离理想状态时光纤色散特性的变化，依据步骤5中的参数波动条件，进行模拟计算并绘制光纤色散特性曲线，证实几何参数在上述波动条件下，两个零色散点依然存在且位置偏移较小，满足超连续光源的产生条件；

步骤7：分析当几何参数偏离理想状态时光纤非线性特性的变化，依据步骤5中的参数波动条件，进行模拟计算并绘制光纤非线性特性曲线，证实参数波动对非线性特性的影响很小；

步骤8：依据步骤5、步骤6、步骤7中的结论，证实所提出的ES‑EHPCF结构对制作过程中的几何参数偏差具有较强的鲁棒性。

2.根据权利要求1所述的一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法，其特征在于，步骤2中，分析螺旋角度对双折射值影响的方法为：模拟波长变化范围为1‑2μm，空气孔的短轴为a＝0.17μm，空气孔的长轴为b＝0.425μm，A1＝1μm，B/A＝2.3，ΔA＝0.4，采用仿真方法，绘制螺旋角θ在15°至45°范围内的双折射随波长的变化曲线，得到最合理的空气孔螺旋排布方式。

3.根据权利要求1所述的一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法，其特征在于，步骤2中，分析螺旋椭圆率、空气孔椭圆率以及空气孔大小对双折射影响的方法为：空气孔的短轴为a＝0.17μm，空气孔的长轴为b＝0.425μm，在1.55μm波长处，采用仿真方法，绘制螺旋椭圆率在1.8至2.7范围内的双折射随波长的变化曲线，绘制空气孔椭圆率在1.8至2.5范围内的双折射随波长的变化曲线，绘制a在0.1μm至0.18μm范围内的双折射随波长的变化曲线，获得双折射取得最大值时对应的螺旋椭圆率、空气孔椭圆率以及空气孔大小的参数配置情况。

说明书

一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于光纤器件设计制作领域，涉及一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法。

背景技术

[0002] 光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是一类基于光子晶体特性的光纤。传统的光纤具有折射率较低的固态包层，使光波被限制在高折射率纤芯中传导。在PCF中，
纤芯的微观结构和周围空气孔的存在提供了导光所需的折射率差。PCF的基本工作原理是
基于全内反射或通过光子带隙效应。与传统光纤相比，PCF的截面构成为在双折射、色散、有
效模场面积和非线性等各种特性的设计上提供了更大的自由度。目前已有诸多关于性能优
良的PCF结构设计方面的研究成果，其中一项是螺旋型光子晶体光纤(Spiral Photonic 
Crystal Fiber，SPCF)。相比于传统的六角对称型PCF，螺旋拓扑结构具有超低的弯曲损耗
和优良的模场束缚能力，因此本设计采用螺旋形光子晶体光纤为基础设计对象。

[0003] 高双折射的光子晶体光纤在制作保偏光纤、光纤传感、光放大器、长距离通信以及‑2
高性能激光器等方面具有重要的作用。目前，已有很多种SPCF实现了高达10 量级的双折射
值，比如椭圆螺旋圆空气孔的软玻璃PCF、圆螺旋椭圆空气孔PCF、椭圆纤芯SPCF等等。另外，
‑1
通过在SPCF纤芯区域引入一个低折射率带，双折射值可以达到高达10 量级。然而，这种超
高双折射的实现依赖于在两个高折射率材料之间夹杂低折射率材料带这类纤芯结构。因
此，PCF的纤芯必须包含至少两种具有不同折射率的材料。在实际拉制光纤过程中，为了避
免在两种材料交界面出现断裂，必须考虑它们的热膨胀系数等材料相容性。同时，由于折射
率区域轮廓的不同，需要制作出两到三种不同形状的预制棒结构，这也大大增加了生产的
难度和复杂性。因此，对以同一材料为基底并且由单一形状空气孔或折射率区域构成的
PCF，通过结构设计提高其双折射值具有重要的研究价值。

[0004] 色散是光纤重要的特性之一。它是决定光通信质量、传输距离和传输容量的重要因素，因此，对光纤色散的控制十分必要。PCF结构的可灵活设计特点为实现光纤色散控制
提供了良好的条件，利用多种PCF结构已实现了优异的色散特性，并且在不同的领域中得到
应用。例如，零色散可用于超连续光源产生(Super Continuum Generation SCG)，大负色散
可用于色散补偿等等。在SCG中，对色散进行适当的调整，使零色散波长(Zero Dispersion 
Wavelength，ZDW)出现在泵浦波长附近是非常重要的。理论上，具有两个ZDWs光纤的色散波
是只有一个ZDW光纤的两倍，这更有利于光谱展宽。如果光纤两个ZDW之间的跨度较小，色散
曲线的平坦度一定不理想，不利于相位匹配的发生。并且，在反常色散区的孤子能量会被快
速而完整地转移到正常色散区中的色散波上。这些都不利于超连续光谱的产生。由于第二
个ZDW的存在，孤子在拉曼效应下的频移受到限制，最终达到平衡，使频谱不能无限展宽，能
量集中在一定的频带内。所以，第二个ZDW对超连续光谱起着重要的修饰作用。因此，设计具
有间距较大的双零色散波长的PCF具有重要意义。

[0005] 基于以上背景，本发明以实现更高双折射，更宽间距双零色散波长特性为目标，采用SF57型硅酸盐软玻璃为单一基底，设计出一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤。

发明内容

[0006] 本发明的目的是，提出一种椭圆螺旋椭圆孔结构的光子晶体光纤的设计方法。本发明首先构建椭圆螺旋排布椭圆孔PCF的计算模型，然后通过分析不同结构参数对其特性
的影响，确定最优设计参数，进而对优化后的PCF进行特性分析，最后通过误差计算证实其
制作可行性。

[0007] 其具体步骤如下：

[0008] 步骤1：以SF57型硅酸盐软玻璃构造基底，建立椭圆螺旋椭圆孔光子晶体光纤(Elliptical‑Spiral Elliptical‑Hole Photonic Crystal Fiber，ES‑EH PCF)计算模型，
该模型的特征为ES‑EH PCF由5层椭圆包络构成，每层有12个椭圆空气孔，a，b分别为椭圆空
气孔的短轴和长轴。五层椭圆包络的椭圆率比值相等，即
其中B为椭圆包络的长轴，A为椭圆包络的短轴，A1，A2，A3，A4，A5分别为各层椭圆包络的短轴，
B1，B2，B3，B4，B5分别为各层椭圆包络的长轴，各层之间的间距相等，即ΔA＝A2‑A1＝A3‑A2＝
A4‑A3＝A5‑A4，ΔA为层间距，最内层椭圆包络中相邻空气孔之间的弧长相同，外层椭圆包络
中的空气孔相对于相邻内层椭圆包络空气孔位置依次增量θ角度，且满足15°≤θ≤45°；

[0009] 步骤2：使用基于有限单元法的COMSOL软件对光纤进行模拟计算，分析ES‑EH PCF在不同几何参数(包括螺旋角度、螺旋椭圆率、空气孔椭圆率以及空气孔大小)条件下的双
折射值变化情况，进而得到双折射取得最大值时对应的理想参数值：a＝0.17μm，b＝0.425μ
m，A1＝1μm，B/A＝2.7，ΔA＝0.4，获得具有最优参数配置的ES‑EH PCF计算模型。

[0010] 步骤3：依据步骤2中所得具有最优参数配置的ES‑EH PCF计算模型，绘制色散特性曲线，获得两个零色散点的位置，证实该光纤结构可用于超连续光源的产生，同时，通过分
析空气孔椭圆率和螺旋椭圆率的变化对光纤色散的影响，证实零色散点的位置可以通过调
节空气孔或椭圆螺旋的椭圆率来改变，扩宽应用场景。

[0011] 步骤4：分析步骤2中所得ES‑EH PCF计算模型的非线性特性，鉴于X偏振光和Y偏振光的非线性差异很小，只计算X偏振光的非线性值，绘制非线性特性曲线，证实非线性随空
‑1 ‑1
气孔或椭圆螺旋的椭圆率变化不明显，且在波长为1.2μm时，非线性值达到700W km ，满足
超连续光源产生的应用要求。

[0012] 步骤5：依据步骤2中所得ES‑EH PCF计算模型，分析当几何参数偏离理想状态时光纤双折射的变化，考虑到在光纤拉制过程中，偏离理想参数值±1％的误差可能会发生，所
以设定几何参数在理想参数值±2％内波动，进行模拟计算并绘制双折射特性曲线，证实几
何参数在上述波动条件下，其高双折射特性能够很好的保持。

[0013] 步骤6：分析当几何参数偏离理想状态时光纤色散特性的变化，依据步骤5中的参数波动条件，进行模拟计算并绘制光纤色散特性曲线，证实几何参数在上述波动条件下，两
个零色散点依然存在且位置偏移较小，满足超连续光源的产生条件。

[0014] 步骤7：分析当几何参数偏离理想状态时光纤非线性特性的变化，依据步骤5中的参数波动条件，进行模拟计算并绘制光纤非线性特性曲线，证实参数波动对非线性特性的
影响很小。

[0015] 步骤8：依据步骤5、步骤6、步骤7中的结论，证实所提出的ES‑EH PCF结构对制作过程中的几何参数偏差具有较强的鲁棒性。

[0016] 在步骤2中，分析螺旋角度对双折射值影响的方法为：模拟波长变化范围为1‑2μm，空气孔的短轴为a＝0.17μm，空气孔的长轴为b＝0.425μm，A1＝1μm，B/A＝2.3，ΔA＝0.4，采
用仿真方法，绘制螺旋角θ在15°至45°范围内的双折射随波长的变化曲线，得到最合理的空
气孔螺旋排布方式。

[0017] 在步骤2中，分析螺旋椭圆率、空气孔椭圆率以及空气孔大小对双折射影响的方法为：空气孔的短轴为a＝0.17μm，空气孔的长轴为b＝0.425μm，在1.55μm波长处，采用仿真方
法，绘制螺旋椭圆率在1.8至2.7范围内的双折射随波长的变化曲线，绘制空气孔椭圆率在
1.8至2.5范围内的双折射随波长的变化曲线，绘制a在0.1μm至0.18μm范围内的双折射随波
长的变化曲线，获得双折射取得最大值时对应的螺旋椭圆率、空气孔椭圆率以及空气孔大
小的参数配置情况。
附图说明：

[0018] 图1是所设计的ES‑EH PCF横截面结构示意图；

[0019] 图2是不同螺旋角度、不同螺旋椭圆率、不同空气孔椭圆率、不同空气孔尺寸下，双折射随波长的变化曲线图，其中，图2(a)反映螺旋角度对双折射的影响，图2(b)反映螺旋椭
圆率对双折射的影响，图2(c)反映空气孔椭圆率对双折射的影响，图2(d)反映空气孔尺寸
对双折射的影响；

[0020] 图3是同参数椭圆螺旋方式下，椭圆孔PCF与圆形孔PCF的双折射对比图；

[0021] 图4是同参数椭圆空气孔下，椭圆螺旋PCF与圆形螺旋PCF的双折射对比图；

[0022] 图5是不同空气孔椭圆率下，光纤色散的变化曲线图，其中，图5(a)反映空气孔椭圆率对X偏振光色散的影响，图5(b)反映空气孔椭圆率对Y偏振光色散的影响；

[0023] 图6是不同椭圆螺旋椭圆率下，光纤色散的变化曲线图，其中，图6(a)反映椭圆螺旋椭圆率对X偏振光色散的影响，图6(b)反映椭圆螺旋椭圆率对Y偏振光色散的影响；

[0024] 图7是不同空气孔椭圆率、不同椭圆螺旋椭圆率下，光纤非线性的变化曲线图，其中，图7(a)反映空气孔椭圆率对非线性的影响，图7(b)反映椭圆螺旋椭圆率对非线性的影
响；

[0025] 图8是光纤几何参数偏离理想数值±2％时，双折射、色散和非线性的变化曲线图，其中图8(a)反映参数波动对双折射的影响，图8(b)反映参数波动对色散的影响，图8(c)反
映参数波动对非线性的影响。
具体实施方式：

[0026] 首先，利用硅酸盐软玻璃(SF57)为基底，构建ES‑EH PCF计算模型。如图1所示，ES‑EH PCF有12个螺旋臂，每个螺旋臂包含5个椭圆空气孔。不同螺旋臂的弯曲弧度不同，其中
的椭圆空气孔间距也不同。为了提供一个定量的设计，该结构可以从另一个角度来描述：
ES‑EH PCF由5层椭圆包络(红色虚线)构成，每层有12个椭圆空气孔。注意五层椭圆包络的
椭圆率比值相等，即 其中B为椭圆包络的长轴，A为椭圆包
络的短轴，A1，A2，A3，A4，A5分别为各层椭圆包络的短轴，B1，B2，B3，B4，B5分别为各层椭圆包络
的长轴，各层之间的间距相等，即ΔA＝A2‑A1＝A3‑A2＝A4‑A3＝A5‑A4，ΔA为层间距，最内层椭
圆包络中相邻空气孔之间的弧长相同，外层椭圆包络中的空气孔相对于相邻内层椭圆包络
空气孔位置依次增量θ角度。本设计的背景材料为SF57型软玻璃，其材料色散方程为：

[0027]

[0028] 其中，nSF57是SF57的材料折射率，A＝3.24748，A1＝‑0.00954782μm‑2，A2＝2 4 ‑4 6 ‑5 8
0.0493626μm，A3＝0.00294294μm，A4＝‑1.48144×10 μm，A5＝2.78427×10 μm。

[0029] 然后使用基于有限单元法的COMSOL v.5.0软件对光纤进行模拟计算。分析ES‑EH PCF在不同几何参数下，双折射值的变化情况，获得具有最优参数配置的ES‑EH PCF计算模
型。

[0030] 进而分析螺旋角度对双折射的影响。模拟波长变化范围为1‑2μm。光纤参数设置为a＝0.17μm，b＝0.425μm，A1＝1μm，B/A＝2.3，ΔA＝0.4。当螺旋角θ从15°到45°时，双折射随
波长的变化如图2(a)所示。此外，模拟一种特殊的空气孔排布方式：外层椭圆空气孔位置与
内层椭圆相邻的两个空气孔位置连线构成等腰三角形。这种排布方式更有利于空气孔的分
散，最大限度地避免空气孔之间的重叠，使分布更加均匀。从图2(a)中可以看出，当改变螺
旋角度时，双折射几乎相同，这意味着螺旋角度的改变对ES‑EH PCF的不对称性影响很小。
考虑到等腰分布方式的优势，本发明采用该种螺旋方式构建模型进行后续仿真。

[0031] 进一步，分析螺旋椭圆率、空气孔椭圆率以及空气孔大小对双折射的影响。设置椭圆空气孔的大小a＝0.17μm，b＝0.425μm，在1.55μm波长处，改变椭圆螺旋的椭圆率，获得双
折射变化情况。如图2(b)所示，双折射随椭圆螺旋椭圆率的增加而线性增加。在椭圆率为
2.7时得到最大双折射值为0.0131。设置椭圆螺旋椭圆率B/A＝2.3，改变空气孔椭圆率，获
得双折射变化情况。如图2(c)所示，双折射随空气孔椭圆率的增大而线性增大。设置椭圆螺
旋的椭圆率B/A＝2.3，空气孔的椭圆率b/a＝2.5，获得双折射随空气孔大小的变化关系。如
图2(d)所示，随着空气孔变大，双折射呈非线性的增加趋势。综上，双折射的提高依赖于结
构非对称性的增加。

[0032] 同时，为了突出该结构的优势，分别计算圆形空气孔和圆形螺旋方式下双折射随波长的关系曲线。在其他参数相同的情况下，圆形空气孔SPCF与相同面积下椭圆率比为2.5
的椭圆空气孔SPCF的双折射比较如图3所示。在1.55μm波长处，在相同的螺旋方式下，椭圆
空气孔SPCF的双折射是圆形空气孔SPCF的两倍多。同样，圆形螺旋方式的SPCF与椭圆率比
为2.1的椭圆螺旋方式的SPCF的双折射比较如图4所示。在1.55μm波长处，在相同的空气孔
形状下，椭圆螺旋SPCF的双折射大概是圆形螺旋SPCF的4倍。图3和图4中的插图是对应的
SPCF截面示意图。

[0033] 分别分析空气孔椭圆率和椭圆螺旋椭圆率的变化对光纤色散的影响。从图5和图6中可见，ES‑EH PCF在红外区波长1.2μm和1.8μm附近出现了两个零色散点，两者之间的跨度
达到约1.6μm。随着空气孔椭圆率的增大，X偏振光色散曲线整体上移，Y偏振光色散曲线整
体下移。随着椭圆螺旋椭圆率的增大，X偏振光色散曲线向左平移，Y偏振光色散曲线向右平
移。所以，零色散波长的位置可以通过调节空气孔或椭圆螺旋的椭圆率来改变。

[0034] 进一步分析ES‑EHPCF的非线性特性。由于X偏振光和Y偏振光的非线性差异很小，所以只计算了X偏振光的非线性值。在波长范围1μm至2μm内，椭圆率变化对非线性特性的影
响如图7所示。非线性值随空气孔或椭圆螺旋的椭圆率变化不明显，且在波长1.2μm处，非线
‑1 ‑1
性值达到700W km ，满足超连续光源产生的应用要求。

[0035] 最后，分析当制作几何参数偏离理想状态时，光纤双折射、色散和非线性的变化。设置理想参数a＝0.17μm，b＝0.425μm，A1＝1μm，B/A＝2.7，ΔA＝0.4。考虑到在光纤拉制过
程中，偏离理想参数值±1％的误差可能会发生，所以设定几何参数在理想参数值±2％内
波动，进行模拟计算并绘制双折射、色散和非线性的特性曲线。从图8(a)中可以看出，当所
有光纤参数波动±2％时，高双折射特性得到很好的保持。局部放大图显示，几何参数‑2％
的变化会略微降低双折射，而光纤参数+2％的变化会略微增大双折射。从图8(b)局部放大
图中可以看出，当所有光纤参数变化+2％时，色散值在整个波长范围内变大。而当所有光纤
参数变化‑2％时，则会得到相反的结果。但是，两个零色散点依然存在，由于参数偏差，ZDW
的位置改变约0.008μm。从图8(c)可以看出，参数波动对非线性特性的影响很小。因此，所提
出的ES‑EH PCF对制作过程中的参数偏差具有较强的鲁棒性。