专利摘要

本发明涉及光纤技术领域，本发明的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其背景材料为石英，包层包括三层成六角形排列的空气孔。在靠近纤芯的第三层次微米尺寸空气孔中填充了高折射率的向列相液晶E7，形成了具有次微米液晶柱的微结构光纤。本发明中的微结构光纤具有大的传输带宽和高的双折射，其传输特性受光纤结构参数及温度调制。在0.9到2.0微米波长范围内，该微结构光纤的基模为准高斯电场分布，并且基模的大部分能量仍然被限制在石英纤芯中传输。

权利要求

1.一种具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其特征在于：所述光纤的背景材料为石英；所述光纤包层由外向内包括三层空气孔，分别为第一层空气孔、第二层空气孔和第三层空气孔，所述第一层空气孔、所述第二层空气孔和所述第三层空气孔均呈正六边形排列，且各正六边形的中心重合，所述每层空气孔的数量均为6个，纤芯位于光纤的中心部分；所述第一层空气孔所在的正六边形和所述第三层空气孔所在的正六边形的边相互平行；所述第二层空气孔相对于所述第一层空气孔逆时针轴向旋转30°；所述第三层空气孔为靠近纤芯的次微米空气孔，所述第三层空气孔的直径小于入射光波长，所述次微米空气孔中填充折射率高于背景材料的折射率的填充物，在所述次微米空气孔内形成次微米柱。

2.如权利要求1所述的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其特征在于：所述第三层空气孔的直径为d₃，第二层空气孔的直径为d₂；第一层空气孔的直径为d₁，第一层空气孔的直径d₁大于第二层空气孔的直径d₂，且第二层空气孔的直径d₂大于第三层空气孔的直径d₃。

3.如权利要求2所述的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其特征在于：所述第一层空气孔的孔间距、第二层空气孔的孔间距和第三层空气孔的孔间距分别为Λ₁、Λ₂、Λ₃；所述第一层空气孔的孔间距Λ₁大于所述第二层空气孔的孔间距Λ₂，且所述第二层空气孔的孔间距Λ₂大于第三层空气孔的孔间距Λ₃。

4.如权利要求3所述的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其特征在于：所述第一层空气孔的直径d₁为4.0μm；所述第二层空气孔的直径d₂为2.0μm；第三层的六个次微米空气孔的直径d₃范围为0.2μm-0.4μm。

5.如权利要求4所述的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其特征在于：第一层空气孔的孔间距Λ₁为7.0μm；第二层空气孔的孔间距Λ₂为4.0μm，第三层空气孔的孔间距Λ₃范围为1.0μm-3.0μm。

6.如权利要求5所述的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其特征在于：所述次微米空气孔中填充向列相液晶E7，其折射率高于背景材料的折射率，在次微米空气孔内形成次微米液晶柱。

7.如权利要求6所述的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其特征在于：光在所述具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤中传输，在0.9到2.0微米波长范围内，该微结构光纤的基模为准高斯电场分布，并且基模98％以上的能量仍然被限制在石英纤芯中传输。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤领域，具体涉及一种具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤。

背景技术

微结构光纤的多孔结构为功能材料的填充提供了天然通道，通过改变外界物理场调节功能材料的折射率，从而可以调节光纤传输特性，为高性能可调谐光学器件的研究提供了新的平台。基于灵活的色散调控、对外界物理场敏感以及多孔结构，微结构光纤已经被广泛的应用于超连续光源、调制器以及高灵敏传感器中。

随着研究的深入，功能材料在微结构光纤中的填充方法不断发展和创新。毛细现象和压力差法用于微结构光纤空气孔的完全填充；轴向分步填充截断法用于实现最大和最小空气孔的填充；熔接机电弧放电坍塌法和飞秒激光打孔法用于部分空气孔的选择性填充；直接飞秒激光写入、聚焦离子束和精确机械控制技术等可实现任意空气孔的选择填充。

微结构光纤的空气孔中填充功能材料使得光纤调制作用得到进一步的发展，基于此很多高性能光学器件被研制出来。现有技术中使用熔接和压力辅助的金属熔融技术，将直接细达120nm的金丝填充到微结构光纤的空气孔中，并研究了该光纤的定向耦合特征。现有技术中将磁流体填充到微结构光纤的一个包层空气孔中，设计了一种磁场传感器，基于模式耦合效应，所测量的磁场敏感度达到542.9pm/Oe。近些年来，液晶折射率对温度和电场的敏感性被广泛应用于制造光子功能器件。Lei等研究了液晶填充的微结构光纤的带隙波长传输的热电调谐。

但是，在石英基微结构光纤中填充高折射率物质通常会使传输机制由折射率引导型改变为带隙引导型。带隙引导型的微结构光纤，其传输波长往往被分割成几部分，并且限制损耗变大。如何在石英基微结构光纤中填充高折射率材料，并保持大的传输带宽和低的限制损耗，是当前光纤技术研究领域的一个重要方面。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提出一种具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其提供了一种高折射率材料填充石英基微结构光纤的设计方案，解决了微结构光纤中填充比背景材料折射率高的材料时使得所设计的微结构光纤的基模能量在0.9到2.0微米波长范围内仍被限制在纤芯中传输。

本发明的技术方案如下：

一种具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其中所述光纤的背景材料为石英；所述光纤包层由外向内包括三层空气孔，分别为第一层空气孔、第二层空气孔和第三层空气孔，所述第一层空气孔、所述第二层空气孔和第三层空气孔均呈正六边形排列，且各正六边形的中心重合，所述每层空气孔的数量均为6个，纤芯位于光纤的中心部分；所述第一层空气孔所在的正六边形和所述第三层空气孔所在的正六边形的边相互平行；所述第二层空气孔相对于所述第一层空气孔逆时针轴向旋转30o；所述第三层空气孔为靠近纤芯的次微米空气孔，所述第三层空气孔的直径小于入射光波长，所述次微米空气孔中填充折射率高于背景材料的折射率的填充物，在所述次微米空气孔内形成次微米柱。

优选地，所述第三层空气孔的直径为d₃，第二层空气孔的直径为d₂；第一层空气孔的直径为d₁，第一层空气孔的直径d₁大于第二层空气孔的直径d₂，且第二层空气孔的直径d₂大于第三层空气孔的直径d₃。

优选地，所述第一层空气孔的孔间距、第二层空气孔的孔间距和第三层空气孔的孔间距分别为Λ₁、Λ₂、Λ₃；所述第一层空气孔的孔间距Λ₁大于所述第二层空气孔的孔间距Λ₂，且所述第二层空气孔的孔间距Λ₂大于第三层空气孔的孔间距Λ₃。

优选地，所述第一层空气孔的直径d₁为4.0μm；所述第二层空气孔的直径d₂为2.0μm；第三层的六个次微米空气孔的直径d₃范围为0.2μm-0.4μm。

优选地，第一层空气孔的孔间距Λ₁为7.0μm；第二层空气孔的孔间距Λ₂为4.0μm，第三层空气孔的孔间距Λ₃范围为1.0μm-3.0μm。

优选地，所述次微米空气孔中填充向列相液晶E7，其折射率高于背景材料的折射率，在次微米空气孔内形成次微米液晶柱。

优选地，光在所述具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤中传输，在0.9到2.0微米波长范围内，该微结构光纤的基模为准高斯电场分布，并且基模98％以上的能量仍然被限制在石英纤芯中传输。

本发明的有益效果如下：

本发明的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，使其填充材料液晶E7的折射率高于光纤的背景材料，该液晶E7柱的直径尺寸远小于光的波长，使基模的能量在连续宽范围波长范围，能被有效的限制在纤芯中。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例1的微结构光纤横截面图。

图2是本发明实施例1的x偏振方向的中心基模电场分布图。

图3是本发明实施例1的y偏振方向的中心基模电场分布图。

图4是本发明实施例1的折射率和双折射随波长变化的分布图。

图5是本发明实施例1的六个次微米液晶柱中功率流与总功率流比随波长变化的分布图。

图6是本发明实施例1的限制损耗和有效模式面积随波长变化的分布图。

图7是本发明实施例1的群折射率和群双折射随波长变化的分布图。

图8是本发明实施例1的散射系数和群速色散随波长变化的分布图。

图9是本发明实施例2的折射率和双折射随微结构光纤第三层次微米空气孔孔间距变化的分布图。

图10是本发明实施例2的限制损耗和有效模式面积随微结构光纤第三层次微米空气孔孔间距变化的分布图。

图11是本发明实施例2的群折射率和群双折射随微结构光纤第三层次微米空气孔孔间距变化的分布图。

图12是本发明实施例2的零色散波长随微结构光纤第三层次微米空气孔孔间距变化的分布图。

图13是本发明实施例3的折射率和双折射随微结构光纤第三层次微米空气孔直径变化的分布图。

图14是本发明实施例3的限制损耗和有效模式面积随微结构光纤第三层次微米空气孔直径变化的分布图。

图15是本发明实施例3的群折射率和群双折射随微结构光纤第三层次微米空气孔直径变化的分布图。

图16是本发明实施例3的零色散波长随微结构光纤第三层次微米空气孔直径变化的分布图。

图17本发明实施例4的折射率和双折射随温度变化的分布图。

图18是本发明实施例4的限制损耗和有效模式面积随温度变化的分布图。

图19是本发明实施例4的群折射率和群双折射随温度变化的分布图。

图20是本发明实施例4的零色散波长随温度变化的分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述。

根据本发明的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其包括纤芯和包层。

纤芯的背景材料为石英。包层包括三层呈六边形排布的空气孔，纤芯位于六边形的中心部分。第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔均为六个。

第三层空气孔为次微米空气孔，第三层空气孔与纤芯之间的距离小于第二层空气孔与纤芯之间的距离，第二层空气孔与纤芯之间的距离小于第一层空气孔与纤芯之间的距离。

也就是说，靠近纤芯周围的是第三层空气孔，即六个次微米空气孔，第三层空气孔的直径为d₃，且将第三层的六个次微米空气孔填充折射率高于光纤纤芯背景材料的向列相液晶E7。

第二层空气孔设计为将六边形空气孔逆时针轴向旋转30°，第二层空气孔直径为d₂；第一层空气孔，也就是，最外层的空气孔，其直径为d₁。第一、第二、第三层空气孔的孔间距分别为Λ₁、Λ₂、Λ₃。

优选地，第一层空气孔的直径d₁大于第二层空气孔的直径d₂，且第二层空气孔的直径d₂大于第三层空气孔的直径d₃。

优选地，第一层空气孔的孔间距Λ₁大于第二层空气孔的孔间距Λ₂，且第二层空气孔的孔间距Λ₂大于第三层空气孔的孔间距Λ₃。

本发明所设计的微结构光纤的包层空气孔的尺寸如下；靠近纤芯周围的第三层六个次微米空气孔的直径d₃范围为0.2μm-0.4μm；第二层空气孔的直径d₂为2.0μm；最外层的空气孔的直径d₁为4.0μm。第一空气孔的孔间距为7.0μm；第二层空气孔的孔间距Λ₂为、4.0μm，第三层空气孔孔间距范围Λ₃为1.0μm-3.0μm。

次微米孔的直径远远小于入射光的波长，当本发明的微结构光纤传输入射光时，入射光的能量不能被限制在次微米液晶柱中，即基模的电场能量不能被限制在次微米液晶柱中。计算结果表明大部分基模能量仍然被限制在石英基纤芯中。

本发明中的一种在微结构光纤所设计的次微米孔填充了液晶E7，使得大部分基模能量仍被限制的纤芯中，达到有效的光传输。本发明所设计的微结构光纤是一种新型的设计发明，这使得当改变外界物理场来调制填充材料以影响光在纤芯中的传输研究领域有了新的突破和发展。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

在图1所示的本发明实施例1的微结构光纤横截面图，其相应的结构特征如下：微结构光纤的背景材料为石英，包层为三层六边形空气孔，纤芯位于六边形的中心部分。靠近纤芯周围的是第三层六个次微米空气孔，直径为d₃，且将第三层的六个次微米空气孔利用轴向多步截断法,设计填充了折射率高于光纤材质的向列相液晶E7；第二层空气孔设计为将六边形空气孔逆时针轴向旋转30o，空气孔直径为d₂；最外层的空气孔，直径为d₁。第一、第二、第三层空气孔的孔间距分别为Λ₁、Λ₂、Λ₃。本发明所设计的微结构光纤的包层空气孔的尺寸如下；靠近纤芯周围的第三层六个次微米空气孔直径范围为0.2μm，第二层空气孔直径为2.0μm，最外层的空气孔直径为4.0μm；第一、第二、第三层层空气孔的孔间距分别为7.0μm、4.0μm和2.0μm；温度T为300K。

图2所示的为本发明实施例1波长为1.55μm的x偏振方向的中心基模电场分布图。基模能量未被限制在次微米液晶柱中，而大部分能量是在纤芯中。

图3所示的为本发明实施例1波长为1.55μm的y偏振方向的中心基模电场分布图。基模能量未被限制在次微米液晶柱中，而大部分能量是在纤芯中。

在图4所示的本发明实施例1的折射率和双折射随波长变化的分布图，次微米液晶E7柱的非常折射率比其寻常折射率要高，且均随波长的增大而减小；双折射随波长的增大而减小。

在图5所示的本发明实施例1的六个次微米液晶柱中功率流与总功率流比随波长变化的分布图，当波长由0.9μm增大到2.0μm时，六个次微米液晶E7柱的功率流比始终低于1.3％。图中分别给出了波长在1.0μm、1.55μm和2.0μm处的x偏振方向、y偏振方向的电场分布。从图中可以刊出在很大的波长范围内，基模电场分布为准高斯分布。

在图6所示的本发明实施例1的限制损耗和有效模式面积随波长变化的分布图，随着波长的增大，被限制在次微米液晶E7柱中的模场逐渐减弱，限制损耗在x偏振方向、y偏振方向随波长的增大而减少，有效模式面总体来看随波长增大而现有小幅减小随后逐渐增大，但是增幅较小。

在图7所示的本发明实施例1的群折射率和群双折射随波长变化的分布图，群双折射随波长的增大而减小；x偏振方向的群折射率低于y偏振方向的群折射率，且两个方向的群折射率均在波长较小时随波长的增大而减小，然后随着波长的增大而增大。

在图8所示的本发明实施例1的散射系数和群速色散随波长变化的分布图，由于中心基模的双折射，在两个正交的偏振方向零色散波长是不同的。随着波长的增大，色散系数增大且从正常色散变为反常色散。

实施例2

本发明实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于孔间距Λ₃发生变化，变化范围为1.0μm-3.0μm。其它参数分别为Λ₁＝7.0μm，Λ₂＝4.0μm，d₁＝4.0μm、d₂＝2.0μm、d₃＝0.2μm，T＝300K。

图9是本发明实施例2的折射率和双折射随微结构光纤第三层次微米空气孔孔间距变化的分布图。y偏振方向的折射率高于x偏振方向的折射率，且两个方向的折射率随孔间距的增大而减小；双折射随孔间距的增大而迅速减小。

图10是本发明实施例2的限制损耗和有效模式面积随微结构光纤第三层次微米空气孔孔间距变化的分布图。x偏振方向的限制损耗比y方向的限制损耗大，两者的差距随波长的增大逐渐减小，两个方向的限制损耗均随着孔间距的增大而增大；有效模式面积开始随孔间距的增大而增大，然后随着空间距的增大而减少，最终趋于稳定。

图11是本发明实施例2的群折射率和群双折射随微结构光纤第三层次微米空气孔孔间距变化的分布图。y偏振方向的群折射率高于x偏振方向的群折射率，且两个方向的折射率随孔间距的增大而减小；群双折射随孔间距的增大而减小。

图12是本发明实施例2的零色散波长随微结构光纤第三层次微米空气孔孔间距变化的分布图。y偏振方向的零色散波长高于x偏振方向的零色散波长，且均随孔间距的增大而减少，y偏振方向的零色散波长随孔间距增大变化显著。

实施例3

本发明实施例3与实施例1基本相同，不同之处在于次微米气孔直径d₃发生变化，变化范围为0.2μm-0.4μm。其它参数分别为Λ₁＝7.0μm，Λ₂＝4.0μm，d₁＝4.0μm、d₂＝2.0μm、Λ₃＝2.0μm，T＝300K。

图13是本发明实施例3的折射率和双折射随微结构光纤第三层次微米空气孔直径变化的分布图。y偏振方向的折射率高于x偏振方向的折射率，且两个方向的折射率随孔直径的增大而增大；双折射随孔直径的增大而增大。

图14是本发明实施例3的限制损耗和有效模式面积随微结构光纤第三层次微米空气孔直径变化的分布图。x偏振方向的限制损耗比y方向的限制损耗大，两个方向的限制损耗均随着孔直径的增大而减小；y偏振方向的有效模式面积高于x方向的有效模式面积，两个方向的有效模式面积随着孔直径的增大而减小。

图15是本发明实施例3的群折射率和群双折射随微结构光纤第三层次微米空气孔直径变化的分布图。y偏振方向的群折射率高于x偏振方向的群折射率，且两个方向的折射率随孔直径的增大而增大；群双折射随孔直径的增大而增大。

图16是本发明实施例3的零色散波长随微结构光纤第三层次微米空气孔直径变化的分布图。y偏振方向的零色散波长高于x偏振方向的零色散波长，且均随孔直径的增大而增大，y偏振方向的零色散波长随孔直径增大变化显著。

实施例4

本发明实施例4与实施例1基本相同，不同之处在于温度T发生变化，变化范围为285K-330K。其它参数分别为Λ₁＝7.0μm，Λ₂＝4.0μm，d₁＝4.0μm、d₂＝2.0μm、Λ₃＝2.0μm，d₃＝0.2μm。

图17本发明实施例4的折射率和双折射随温度变化的分布图。y偏振方向的折射率高于x偏振方向的折射率，由于随温度的增大y偏振方向限制在次微米液晶柱中的模式场变弱，使得y偏振方向的折射率随温度的增大而减小，x偏振方向的折射率开始随温度的增大变化不显著，然后随温度增大接近清亮点温度时，折射率明显增大；双折射随温度的增大而减小。

图18是本发明实施例4的限制损耗和有效模式面积随温度变化的分布图。x偏振方向的限制损耗高于y方向的限制损耗，x偏振方向的限制损耗开始随温度变化的不显著，当温度接近清亮点温度时，显著减少，y方向的限制损耗随温度的增大而增大；x偏振方向的有效模式面积高于y偏振方向的有效模式面积，x偏振方向的有效模式面积开始随温度的变化不显著，当温度接近清亮点温度时，明显减小，y方向的有效模式面积随温度的增大而增大。

图19是本发明实施例4的群折射率和群双折射随温度变化的分布图。y偏振方向的群折射率高于x偏振方向的群折射率，y偏振方向的群折射率随温度的增大而减小，x偏振方向的群折射率开始随温度的增大变化不显著，当温度接近清亮点温度时，明显随温度的的增大而增大；群双折射随温度的增大而减小。

图20是本发明实施例4的零色散波长随温度变化的分布图。y偏振方向的零色散波长高于x偏振方向的零色散波长，y偏振方向的零色散波长随温度的增大而减小，x偏振方向的零色散波长开始随温度的增大变化不明显，当接近清亮点温度时，明显随温度的增大增大。

本发明涉及光纤技术领域，本发明的具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤，其包括三层空气孔，在纤芯周围设计的第三层次微米空气孔中填充了高折射率的向列相液晶E7，形成了具有次微米液晶柱的微结构光纤。本发明中的微结构光纤具有大的传输带宽和小的限制损耗。并且，在0.9到2.0微米波长范围内，该微结构光纤的基模为准高斯电场分布，基模的大部分能量仍然被限制在石英纤芯中传输。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

具有次微米液晶柱的石英基微结构光纤专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。