本發明屬于光纖技術領域，特別涉及一種光子晶體光纖。

背景技術：

光子晶體光纖的出現為光學領域的研究注入了新的活力，它是基于光子晶體技術發展起來的一種新型光纖，光子晶體光纖呈現出許多傳統光纖難以實現的特性。相比傳統保偏光纖，保偏光子晶體光纖由于其更靈活的設計結構、更強的偏振穩定性、更高的雙折射值、更寬的單偏振單模傳輸帶寬、更好的溫度穩定性以及更強的抗輻射能力等優異特性，廣泛應用于未來全光網絡、光纖傳感器、光纖陀螺、可調諧光纖激光器、偏振分束器和偏振態控制器件等領域。

2000年，英國Bath大學的A.Ortigosa-Blanch等人首次拉制出折射率引導型的雙折射光子晶體光纖，測量獲得了10^-3量級的高雙折射，而傳統的保偏光纖的雙折射系數通常為10^-4量級，比傳統的保偏光纖雙折射高一個數據級，因此雙折射光子晶體光纖在偏振保持領域具有更高的優勢。2001年，Suzuki等人設計了在纖芯附近增大兩空氣的準熊貓型光子晶體光纖，實現了波長1.55μm處1.2×10^-3的模式雙折射。2009年Dora J.J.Hu等人在光子晶體光纖纖芯區域引入小橢圓空氣孔，且保證了全內反射導光，獲得了波長1.55μm處2.7×10^-3的高雙折射。2012年，J.Liao等人設計了方形陣列橢圓孔高雙折射光子晶體光纖，通過改變包層橢圓孔大小獲得了波長1.55μm處5.64×10^-2的高雙折射。2015年，T.Yang等人設計了纖芯和包層同時引入非對稱結構的高雙折射光子晶體光纖， 通過在準熊貓型光子晶體光纖的纖芯區域引入三個非對稱的小空氣孔，實現了波長1μm到2μm范圍內10^-2量級高雙折射。但是，這些光纖的纖芯直徑較小，在與傳統大芯徑光纖的連接后，形成的耦合損耗很大，難以廣泛應用。并且文獻中設計的高雙折射光子晶體光纖大部分是橢圓形、菱形狀空氣孔或是矩形排列，這些結構的光子晶體光纖在制作工藝上很難實現。

2016年，李緒友等人提出了保偏空芯帶隙光子晶體光纖，雙折射高達6.19×10^-3，拍長不超過0.25mm，并對其溫度特性進行了研究。李彥等人對空芯帶隙型光子晶體光纖殘余雙折射進行了研究，芯殘余形變是導致殘余雙折射的重要因素，殘余雙折射隨纖芯橢圓率的增大而增大，同時殘余雙折射的波長依賴性顯著，溫度依賴系數為0.3×10^-9/℃。但是這種光纖為光子帶隙導光，傳輸波長受光子帶隙效應的限制，傳輸帶寬很窄；并且纖芯空氣孔較大，導致傳輸能量較低。

2012年，趙興濤等人提出了微小空氣孔傳光的光子晶體光纖，利用有限元方法對纖芯中心帶有1個微小空氣孔的光子晶體光纖進行了分析，得到了其模場分布、損耗及色散特性隨光纖結構參數及波長的變化規律。2016年，提出了納米空氣孔傳光的多孔芯光子晶體光纖，纖芯多個納米量級的空氣孔可以同時傳相干光，并且相互耦合。但是纖芯空氣孔大小均勻，沒有給出雙折射效應；并且纖芯面積較小，沒有考慮與普通光纖的連接損耗。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種纖芯空氣孔不僅可以傳光，還可以調節纖芯等 效折射率、能有效降低連接損耗的高雙折射大芯徑多孔芯光子晶體光纖。

本發明包括基質材料、纖芯空氣孔和包層空氣孔，其中基質材料為柱狀，其材質為石英材料、玻璃或聚合物材料；

在基質材料的中心設有若干空氣孔A和空氣孔B，形成纖芯部分，纖芯部分的直徑為4000-6000nm，空氣孔A的孔徑為100-600nm，空氣孔B的孔徑為200-800nm，纖芯空氣孔A和空氣孔B為3-9層緊密排列的六角形結構，沿X或Y方向的中間1-3列為空氣孔A，在空氣孔A的兩側分別設有1-3列空氣孔B，空氣孔A和空氣孔B的孔距為200-1000nm，通過空氣孔A和空氣孔B孔徑大小的不同分布，實現高雙折射；

在基質材料其它部分圍繞纖芯部分設有若干空氣孔C形成包層部分，空氣孔C按照正六角形多層緊密排列結構進行設置，空氣孔C的層數為4～10層，孔徑為4000～6000nm，孔距相等，與纖芯直徑相同；

纖芯部分的空氣填充率是1-90％，包層部分的空氣填充率是10-98％。纖芯部分的空氣填充率小于包層部分的空氣填充率，纖芯部分的等效折射率大于包層等效折射率。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1、可以高雙折射單模傳輸，模式有效折射率差B可以達到4.827×10^-3。

2、可以單偏振單模傳輸，只有一個方向的偏振模傳輸，另一個方向偏振模截止。

3、纖芯直徑為5μm左右，與傳統光纖接近，可以降低與傳統光纖的連接 損耗。

4、纖芯低折射率空氣孔傳光，損耗小，光強密度大，寬帶傳輸，不受光子帶隙限制。

5、在工作性能、工作穩定性、制作工藝以及性價比等方面比傳統保偏光纖具有明顯的優勢，在未來相干光纖通信、新型的超寬激光偏振光源、光纖陀螺、相干檢測器、光纖傳感、光纖偏振分束器、光纖濾波器、波分復用器等方面有著廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明的端面結構圖。

圖2是本發明纖芯部分的放大結構圖。

圖3是本發明的纖芯部分的y偏振方向模場分布圖。

圖4是本發明的單偏振單模光子晶體光纖的纖芯部分的y偏振方向模場分布圖。

圖中：1-基質材料；2-空氣孔C；3-空氣孔B；4-空氣孔A；Λ-空氣孔C的孔距；D-空氣孔C的孔徑；Λ_c-空氣孔B及空氣孔A的孔距；d₁-空氣孔B的孔徑；d₂-空氣孔A的孔徑。

具體實施方式

在圖1和2所示的高雙折射大芯徑多孔芯光子晶體光纖示意圖中，以柱狀的石英基質作為基質材料1，在基質材料的中心設有Y方向的中間3列25個空氣孔A 4，在空氣孔A的兩側分別設有3列18個空氣孔B 3，形成纖芯部分， 纖芯部分的直徑為5000nm，空氣孔A的孔徑d₂＝460nm，空氣孔B的孔徑d₁＝560nm，纖芯空氣孔A和空氣孔B為緊密排列的六角形結構，空氣孔A及空氣孔B的孔距Λ_c＝646nm，通過空氣孔A和空氣孔B孔徑大小的不同分布，實現高雙折射；

在基質材料其它部分圍繞纖芯部分設有6層37個空氣孔C 2形成包層部分，空氣孔C按照正六角形多層緊密排列結構進行設置，孔徑D＝4950nm，孔距相等，均是孔距Λ＝5000nm，與纖芯直徑相同；

纖芯部分的空氣填充率是59.07％，包層部分的空氣填充率是88.89％，纖芯部分的空氣填充率小于包層部分的空氣填充率，纖芯部分的等效折射率大于包層等效折射率，形成基于全內反射傳輸的光子晶體光纖，通過合理設計纖芯與包層的空氣孔大小及間距，可以保證光纖單模傳輸。采用有限元方法進行理論計算，可以得到本發明的多孔芯光纖模場、偏振、損耗等傳輸特性。

在通信波段1550nm波長，高雙折射大芯徑多孔芯光子晶體光纖的纖芯區域模場分布如圖3所示，圖中包括圓形空氣孔與石英的邊界線、模場強度的等位層分布。從圖中可以看出，不僅纖芯石英材料傳光，纖芯納米級空氣孔同樣傳光，纖芯空氣孔A區域內的光強分布較大，纖芯空氣孔B區域內的光強分布較小。這是由于空氣孔A的直徑較小，相應區域的等效折射率大，光強向高折射率區域集中。光強分布成橢圓形，形成較強的雙折射效應。通過計算得到，此光纖的模式有效折射率差B＝4.827×10^-3。限制損耗小于0.01dB/km。

如圖4所示，圖中Λ_c＝648nm，d₁＝540nm，d₂＝470nm。空氣孔C層數為6 層，空氣孔C的孔徑D＝4950nm，孔距Λ＝5000nm。圖中包括圓形空氣孔與石英的邊界線、模場強度的等位層分布。從圖中可以看出，不僅纖芯石英材料傳光，纖芯納米級空氣孔同樣傳光，空氣孔A區域內的光強分布較大，空氣孔B區域內的光強分布較小。這是由于A區域的空氣孔直徑較小，相應的等效折射率大，光強向高折射率區域集中。通過計算得到，橫向x方向偏振基膜的等效折射率較小，小于包層等效折射率，導致x方向的偏振模式截止。縱向y方向偏振基模的等效折射率較大，大于包層等效折射率，y方向的偏振模場限制在纖芯中，獲得單偏振單模傳輸，并且限制損耗小于0.01dB/km。