具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种宽带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤，结构简单，易于实现，无需改变光纤结构，能够通过改变外加电场调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图6所示，本发明实施例提供的宽带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤，包括：以石英为基底材料的光纤结构，所述光纤结构从内到外依次设置有纤芯区域、内包层及外包层，所述纤芯区域由纤芯中心孔及周围的石英基底5构成，所述纤芯中心孔内部填充有液晶材料，所述外包层包括由内到外依次设置的第二六边形阵列排列空气孔及第一六边形阵列排列空气孔，所述第一六边形阵列排列空气孔及第二六边形阵列排列空气孔与所述内包层构成水平和竖直方向完全对称的微结构端面结构；

向纤芯中心孔内部填充的液晶材料施加外加电场，通过调节外加电场的大小，调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿。

所述第一六边形阵列排列空气孔及第二六边形阵列排列空气孔均由空气孔4按照正六边形排列构成，所述第一六边形阵列排列空气孔的空气孔4数量为18个，所述第二六边形阵列排列空气孔的空气孔4数量为12个，所述空气孔4的孔间距Λ为3.5-3.52μm，所述空气孔4的直径d为1.39-1.41μm。

如图1所示，所述纤芯中心孔为纤芯椭圆孔1，所述纤芯椭圆孔1与周围的石英基底5组成C2v对称结构，所述纤芯椭圆孔1的长轴方向平行于x轴方向。

所述内包层由呈正六边形排列的四个第一椭圆空气孔2及两个第二椭圆空气孔3构成，所述第一椭圆空气孔2的长轴方向平行于y轴方向，所述第二椭圆空气孔3的长轴方向平行于x轴方向。由于内包层的第一椭圆空气孔2及第二椭圆空气孔3在水平和竖直方向不同的排列方式以及纤芯椭圆孔1的液晶材料的填充，可以产生高双折射，其中，第一椭圆空气孔2及第二椭圆空气孔3在水平和竖直方向不同的排列方式能够更好地调节纤芯模的折射率分布，且与纤芯椭圆孔1的一致的排列方式可以提高负色散平坦性。

所述纤芯椭圆孔1的长轴a₀为1.8-1.82μm，所述纤芯椭圆孔1的短轴b₀为0.9-0.92μm，所述第一椭圆空气孔2的长轴b₂为4μm，所述第一椭圆空气孔2的短轴a₂为2.5μm，所述第二椭圆空气孔3的长轴a₁为4.8μm，所述第二椭圆空气孔3的短轴b₁为1.6μm。

如图2a所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90°时，即φ＝90°，其液晶分子的长轴方向与光纤结构的横截面y轴一致。当φ＝90°时的E7材料的有效折射率用对角矩阵表示为：

n_e＝A_e+B_e/λ²+C_e/λ⁴

n_o＝A_o+B_o/λ²+C_o/λ⁴

其中，λ为光传输波长，柯西方程系数A_e、B_e、C_e、A_o、B_o和C_o在室温下分别为：A_e＝1.6933、B_e＝0.0078μm²、C_e＝0.0028μm⁴、A_o＝1.4994、B_o＝0.007μm²、和C_o＝0.0004μm⁴。液晶材料的折射率分ε_xx小于ε_yy，即y偏振方向纤芯模式折射率远高于x偏振方向模式折射率，而x偏振方向纤芯模式折射率和包层模式折射率相近，使x偏振方向入射光向包层泄露加强；由于y偏振方向纤芯模式折射率远远高于包层折射率，根据光纤传输的全内反射原理，y偏振方向模场能量能够更好的限制在纤芯内，从而实现了仅有y偏振方向光传输的单偏振传输，有效的避免了偏振模式色散，偏振模式损耗和偏振模串扰。

如图2b所示，通过调节外加电场大小改变液晶分子的长轴方向，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0°时，即φ＝0°时，其液晶分子的长轴方向与光纤结构的横截面x轴一致，当φ＝0°时的E7材料有效折射率用对角矩阵表示为：

其中，液晶材料的折射率分布ε_xx大于ε_yy，使x偏振方向纤芯模式折射率远高于y偏振方向折射率，而y偏振方向纤芯模式折射率与包层模式折射率相近，使y偏振方向入射光向包层泄露增强，由于x偏振方向纤芯模式折射率远远高于包层折射率，根据光纤传输的全内反射原理，x偏振方向模场能量能够更好的限制在纤芯内，保证了当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0°时仅有y偏振方向传输的单偏振传输。

另外，由于纤芯椭圆孔及内包层均为椭圆孔结构，所以在调节液晶分子指向矢方向n的旋转角度时，其对应的高折射率偏振方向与纤芯模并不是完全重合。

图3为液晶分子指向矢方向n的旋转角度分别为0°和90°时两偏振方向纤芯模损耗随波长的变化，如图3所示，为了更清楚的显示两偏振方向的损耗差，将损耗数值进行了对数化处理，如图3a所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90°时，在波长1.35到1.7μm(E+S+C+L+U通信波段)内，x偏振方向纤芯模损耗大于80dB/km，而y偏振方向纤芯模损耗小于0.0002dB/km，两偏振方向纤芯模损耗远远大于100，满足在E+S+C+L+U通信波段内仅有y偏振方向纤芯模的单偏振传输条件，与上述的液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90°时两偏振方向折射率分布一致，y偏振方向纤芯模式折射率远大于包层模式折射率，使其偏振光更好的限制在纤芯内传输，而x偏振方向纤芯模式折射率与包层模式折射率相近，使其偏振光泄露到包层中，产生了更高的损耗。

如图3b所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0°时，在E+S+C+L+U通信波段内，y偏振方向纤芯模损耗大于100dB/km，而x偏振方向纤芯模损耗小于1.8×10^-5dB/km，两偏振方向纤芯模损耗远远大于100，实现了仅有x偏振传输的单偏振传输，与上述的液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0°时两偏振方向折射率分布结果一致。

图4为纤芯椭圆孔光纤结构的内包层第二椭圆空气孔的不同排列方式对该光纤结构的色散影响图，如图4所示，当内包层的第一椭圆空气孔及第二椭圆空气孔的椭圆长轴方向相互垂直时，可以获得更加平坦的负色散，更适于宽带残余色散补偿；当内包层的第一椭圆空气孔的排列方式与第二椭圆空气孔的排列方式方向相反时，第二椭圆空气孔的长轴与x轴方向平行，第一椭圆空气孔长轴的方向与y轴方向平行，由于椭圆孔长轴所在位置处的空气孔面积更大，有效降低了空气孔所在面积范围的平均折射率分布，而相互正交位置处椭圆孔长轴方向的正交排列，有效的减小了折射率随波长的变化，根据色散方程可知，能够实现更加平坦的色散，使纤芯模式折射率随波长的变化更加平坦，其中色散方程如下：

图5为纤芯椭圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为0°时仅有x偏振及在液晶分子指向矢方向的旋转角度为90°时仅有y偏振方向传输的模式色散随波长变化图，如图5所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90°时，在满足了只有y偏振方向纤芯模的单偏振传输的条件下，在波长1.3到1.65μm通信波段内y偏振方向纤芯模色散值为-217.2到-214.5ps/(nn.km)，其通信波段范围内的y偏振方向纤芯模色散变化值仅为2.7ps/(nn.km)；

通过调节外加电场，改变液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0°时，同样能够实现在1.3到1.65μm通信波段只有x偏振方向纤芯模传输的单偏振方向传输，其对应的x偏振纤芯模色散值为-123.2到-119.5ps/(nn.km)，实现了只需通过外加电场改变液晶分子指向矢旋转角度，即可实现两偏振方向都保证单偏振传输的条件下对光纤通信传输过程中的残余色散进行补偿，且不会给传输系统本身带来偏振模色散。

如图6所示，所述纤芯中心孔为纤芯圆孔6，所述纤芯圆孔6的两侧设置有两个第一空气孔7，所述内包层由呈正六边形排列的四个增大空气孔8及两个第二空气孔9构成，所述增大空气孔8两两一组，分别设置在所述纤芯圆孔6的上下两侧，所述第二空气孔9分别设置在所述第一空气孔7的左右两侧。

所述第一空气孔7及第二空气孔9与所述第一六边形阵列排列空气孔及第二六边形阵列排列空气孔的空气孔4的直径相同，均为1.39-1.41μm，所述增大空气孔8的直径d₁为0.94Λ-0.95Λ，即空气孔的孔间距的0.94倍-0.95倍，所述纤芯圆孔的直径为0.79-0.82μm，所述第一空气孔与所述纤芯圆孔的孔间距为1.2μm。

如图7a所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90°时，y偏振方向纤芯模式折射率高于x偏振方向纤芯模式折射率，且增大空气孔及第一空气孔很大程度的降低了x偏振方向纤芯模式折射率，使其在波长大于0.85μm范围内因小于包层模式折射率及不满足光纤传输的全内反射条件而被截止，y偏振方向纤芯模在波长大于1.8μm处由于低于包层模式折射率被截止，因此，该光纤结构满足了在波长0.85到1.8μm范围内的单偏振传输；

如图7b所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0°时，x偏振方向纤芯模式折射率高于y偏振方向纤芯模式折射率，且增大空气孔及第一空气孔很大程度的降低了x偏振方向纤芯模式折射率，因此，x偏振方向在波长大于1.67μm范围内由于低于包层模式折射率被截止，而第一空气孔对y偏振方向纤芯模式折射率影响不大，y偏振方向纤芯模式折射率在波长小于0.86μm范围内小于包层模而被截止，满足了波长0.86到1.67μm范围内的单偏振传输，相比液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90°，单偏振传输波长向短波长范围移动，因此，无论液晶分子指向矢方向n的旋转角度是0°还是90°，在O+E+S+C+L+U通信波段内均可保证单偏振传输。

图8为纤芯圆孔光纤结构在液晶分子指向矢方向的旋转角度为0°时仅有x偏振及在液晶分子指向矢方向的旋转角度为90°仅有y偏振方向传输的模式色散随波长变化图，如图8所示，当液晶分子指向矢方向n的旋转角度为90°时，在满足了只有y偏振方向纤芯模的单偏振传输的条件下，在波长1.4到1.6μm通信波段内y偏振方向纤芯模色散值为-547.2到-550.1ps/(nn.km)，其通信波段范围内的y偏振方向纤芯模色散变化值仅为3.9ps/(nn.km)；

通过调节外加电场，改变液晶分子指向矢方向n的旋转角度为0°时，同样能够实现在1.45到1.65μm通信波段只有x偏振方向纤芯模传输的单偏振方向传输，其对应的x偏振纤芯模色散值为-892.9到-900.8ps/(nn.km)的大负平坦色散。

本发明提供的宽带单偏振残余色散补偿光子晶体光纤，不需要改变光纤结构，只要通过外加电场改变光子晶体光纤内液晶分子指向矢方向n的旋转角度，即可实现两正交偏振方向纤芯的残余色散补偿；设置有两种光纤结构，两种结构均由纤芯区域，内包层和外包层组成、石英基底材料组成，其中一种纤芯区域为纤芯椭圆孔，内包层由呈正六边形排列的四个第一椭圆空气孔及两个第二椭圆空气孔构成，第一椭圆空气孔的长轴方向平行于y轴方向，第二椭圆空气孔的长轴方向平行于x轴方向，该排列方式能够更高的调节纤芯模式折射率，且与纤芯椭圆孔一致的排列方式可以提高负色散平坦性，通过向纤芯椭圆孔内部填充的液晶材料施加外加电场，通过调节外加电场的大小，调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿；另一种纤芯区域为纤芯圆孔，纤芯圆孔两侧设置有第一空气孔，内包层呈六边形排列的四个增大空气孔及两个第二空气孔构成，其中，增大空气孔和第一空气孔降低了偏振方向纤芯模式折射率，使其能够实现宽带单偏振传输，且该光纤结构也可通过向纤芯圆孔内部填充的液晶材料施加外加电场，通过调节外加电场的大小，调节液晶分子指向矢方向的旋转角度，对正交偏振方向残余色散进行补偿。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。