一種新型側漏型光子晶體光纖的研制及其傳輸特性研究*

婁淑琴 王鑫 鹿文亮

(北京交通大學電子信息工程學院,北京 100044)

1 引言

自從1996年Knight等[1]首次研制出光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)以來,PCF以其靈活的結構設計及獨特的傳輸特性引起了特種光纖開發人員的廣泛關注,各種新穎特性的PCF和PCF基器件的開發及其在光通信、光傳感及光器件研究領域的應用獲得了很大的進展[2-13],推動了PCF結構創新進一步向更寬的領域發展.

高雙折射PCF在高性能光纖激光器、光通信和光傳感系統中展示出重要的應用價值[9,14-22],成為當今特種光纖領域的一個研究熱點.一般三角格子PCF具有六重旋轉對稱性,在理論上其基模是簡并的[23],因此要獲得高雙折射,須打破其六重旋轉對稱性[23].通過在纖芯中引入非對稱結構、在包層中采用不同尺寸和形狀的空氣孔、向部分空氣孔中填充液體以及采用空氣孔新的排布模式等諸多新結構,出現了多種新型高雙折射PCF研究報道[11-25].這些近年來出現的高雙折射PCF,通常采用小空氣孔距(約為2μm)結構來獲得高的雙折射,模場面積小,與標準單模光纖器件直接連接適配性差,直接限制了其在光通信和光傳感系統等領域的實際應用.另一方面,針對各種新器件如偏振穩定的光纖激光器、放大器、新型光傳感器件的研制需求,出現了具有摻雜芯雙折射PCF,纖芯折射率的提高,增大了芯包間折射率差,單模傳輸特性受到影響.因此,如何獲得與標準單模光纖適配性好的摻雜芯單模高雙折射PCF,是一個亟待解決的問題.

本文針對高雙折射PCF在光通信和光傳感系統等領域的實際應用需求,提出并研制出一種具有側向泄露通道和橢圓摻鍺芯的側漏型PCF.該結構有效地增大了高階模式的泄漏損耗,不僅可以實現單模傳輸,還大大改善了光纖的雙折射特性.同時,結構設計采用較大尺寸的結構參數,有效地提高了模場面積,與標準單模光纖具有良好的適配性.基于所研制側漏型PCF光纖構建了Sagnac干涉儀,對光纖的群雙折射進行了實驗測量評估,其群雙折射實驗測量平均值與設計結構的數值分析結果符合很好.由于側向泄露通道的引入,增大了該種側漏型PCF對外界參量的敏感性,使其在扭轉、彎曲、壓力等參量的光纖傳感和高性能光纖器件構建等方面展現出廣闊的應用前景.

2 光纖結構與理論基礎

面向應用的需求,本文在光纖結構設計時,纖芯采用橢圓形的摻鍺芯,如圖1(a)所示.橢圓形摻鍺芯的引入,除對傳輸光形成有效的約束外,同時利用橢圓結構的幾何雙折射可有助于改善光纖的雙折射特性.纖芯摻鍺使纖芯的折射率升高,影響光纖的單模運轉.為保證光纖單模運轉,在橢圓纖芯長軸方向的兩側空氣孔用石英棒代替,形成如圖1(b)所示側向泄露通道.側向泄露通道的引入,一方面可增大高階模式的泄漏損耗,有助于光纖單模傳輸特性的實現;另一方面可改善光纖的雙折射特性,同時增大光纖對外界參量的敏感性,開拓側漏型PCF(side-leakage PCF,SLPCF)在光纖器件及光纖傳感器領域的應用.新型側漏型PCF的光纖設計結構如圖1(c)所示.PCF傳統的三角格子結構,具有六重旋轉對稱性,基模簡并.實現高的模式雙折射就需要打破這種結構對稱性,降低結構的對稱性.

圖1 基于三角格子結構的側漏型PCF設計結構示意圖 (a)纖芯引入橢圓形摻鍺芯;(b)纖芯兩側石英棒代替空氣孔形成側向泄露通道;(c)側漏型PCF設計結構示意圖

為提高與標準單模光纖的適配性,光纖中空氣孔間距值取8.06μm,橢圓摻鍺芯子直徑4μm×2.88μm,基底石英的折射率約為1.444,摻鍺芯與基底材料的折射率差為0.3.%,空氣孔直徑為5.48μm,光纖直徑為125μm.應用結構重構全矢量有限元數值分析法,結合完美匹配層邊界條件,通過求解對應模式的傳輸常數β和模場分布,對光纖的傳輸特性進行研究.

模式雙折射和群雙折射是描述光纖偏振特性的兩個重要參數.模式的雙折射程度B定義為

其中,βx和βy為 x偏振基模和 y偏振基模的傳輸常數,k0為真空中的波數,nxeff=βx/k0和nyeff=βy/k0分別為x偏振基模和y偏振基模的有效折射率.

群雙折射G定義為

各有效模式對應的等效模場面積Aeff由下式可得:

式中E是電場矢量,S代表整個光纖橫截面.

模場半徑ωeff本身也是光纖分析中一個非常重要的參量,對研究光纖間的耦合、接續、彎曲損耗及非線性效應等有非常重要的意義.在光纖中基模的模場分布為類高斯型的情況下,模場半徑可以由關系式Aeff=πω2eff求得.當光纖直接與標準單模光纖接續時,由兩個接續光纖中的模場面積的失配引入的接續損耗αsplice可由下式進行估算:

式中,ω1和ωeff分別為標準單模光纖和側漏型PCF中基模的模場半徑.

3 研制光纖與數值模擬

利用管棒堆積法,依照側漏型PCF的設計結構,成功研制出了滿足設計要求的側漏型PCF,研制出的側漏型PCF樣品的截面數字顯微圖如圖2(a)所示.側漏型PCF的纖芯采用橢圓摻鍺芯,其折射率高于背景材料純石英的折射率,對傳輸光具有較強的限制作用,因此在采集的顯微圖中,纖芯中的傳輸光強明顯高于背景材料中的光強.圖2(a)中纖芯的白色橢圓區對應橢圓摻鍺芯,黑色的圓形區對應光纖包層中的空氣孔.對于實際研制出的側漏型PCF的特性分析,使用我們先前提出的結構重構全矢量有限元數值分析法進行[26].具體的做法是根據其橫截面顯微圖,采用數字圖像處理技術,進行識別、提取和結構重建,進而結合完美匹配層邊界條件應用全矢量有限元法可求解對應模式的傳輸常數β和模場分布,最后獲得實際光纖的特性.

實際研制出的側漏型PCF樣品的橫截面結構重建圖如圖2(b)所示.對比圖2(a)和(b),可以看出重建結構真實地反映了側漏型PCF樣品的實際結構.根據側漏型PCF的實際折射率分布,分別設置橢圓摻鍺芯子、空氣孔區域及包層背景區域的折射率,利用結構重構全矢量有限元數值分析法即可數值分析設計結構的及研制樣品結構的側漏型PCF光纖特性[27,28].

圖2 側漏型PCF橫截面圖 (a)研制樣品的橫截面顯微圖;(b)截面結構重構圖

圖3為設計結構及實際結構的側漏型PCF的雙折射及模場面積隨波長的變化情況.從圖3中可以看出,側漏型PCF的雙折射和模場面積隨波長逐漸增加.這是因為當波長增大時,模場向包層擴展,由于側漏通道的存在,使模式雙折射進一步增加,同時模場面積也隨之增大.而設計結構和實際研制出的側漏型PCF,在雙折射及模場面積數值方面具有一定的偏差,側漏型PCF樣品的雙折射比設計結構的高,模場面積比設計結構的小.造成這一現象主要由兩方面原因造成:一是在光纖拉制的高溫條件下,摻鍺芯中鍺元素的非均勻擴散,導致橢圓摻鍺芯子偏離完美橢圓;二是在光纖制作過程中由于抽充氣裝置控制精度的限制,使得側漏型PCF樣品包層區中的空氣孔產生了一定的形變.如圖3(c)所示,橢圓摻鍺芯子兩側空氣孔尺寸的增大導致對光纖短軸方向模場的壓縮作用增強,從而使側漏型PCF樣品雙折射提高,同時在一定程度上也減小光纖的模場面積.側漏型PCF樣品在1550 nm波長處的模式雙折射Bn為0.837×10-4,群雙折射Gn為1.5077×10-4,基模模場面積約為69.5μm2,當與標準單模光纖直接接續時,由模場失配帶來的接續損耗約為0.03 dB.從上述分析結果可以看出,側漏型PCF樣品在拉制過程中,由于空氣孔的形變導致實際光纖在雙折射及模場面積特性與設計結構存在一定的偏差,但實際光纖的雙折射比設計結構的雙折射要高,保持了良好的雙折射特性,實現了設計需求.雖然實際研制光纖的基模模場面積比設計結構的要小,但減小的幅度不大,在1550 nm波長處基模模場面積仍然可達69.5μm2,當與標準單模光纖直接接續時,由模場失配帶來的接續損耗低,實現了與標準單模光纖的良好適配.

圖3 設計結構及實際結構側漏型PCF的雙折射及模場面積(a)雙折射對比圖;(b)基模場面積對比圖;(c)結構對比圖

4 實驗裝置與測量結果

光纖的群雙折射是側漏型PCF的一個重要參量.本文構建了基于側漏型PCF的Sagnac干涉儀的實驗裝置,通過實驗對Sagnac干涉儀傳輸譜的波谷波長間隔的測量來實驗檢測光纖樣品的群雙折射.

實驗裝置如圖4所示,Sagnac干涉儀是通過將一段側漏型PCF與3 dB光耦合器一側的兩個端口進行熔接構成的.Sagnac干涉儀的輸入光由超連續譜光源(superk compact,Koheras A/S)提供,從耦合器的一端輸入.Sagnac干涉儀的輸出信號從耦合器的另一端輸出,由光譜分析儀(optical spectrum analyzer,OSA,Yokogawa AQ6375)記錄顯示干涉儀的輸出傳輸譜.

圖4 側漏型PCF Sagnac干涉儀結構示意圖

由于側漏型PCF的雙折射特性,Sagnac環中順時針傳輸和逆時針傳輸的兩束光相對相位差ψ=lΔβ,其中l為側漏型PCF的長度,Δβ為側漏型PCF的基模的兩個偏振態的傳輸常數差.Sagnac環的輸出傳輸譜T可以近視表示為一個周期函數[29]:

Sagnac干涉儀輸出傳輸譜兩波谷(或波峰)間相位差為2π,設兩個相鄰波谷(或波峰)對應波長分別為λ1和λ2,且λ1＜λ2,則有

其中Δλ為兩個波谷(或波峰)對應的波長差,即Sagnac干涉儀的光譜寬度S.

將Δβ(λ1+Δλ)用泰勒級數展開,忽略高階項,并利用(2)式可推得Sagnac干涉環中側漏型PCF的群雙折射為

其中λ為干涉儀的中心波長.

因此通過監測Sagnac干涉儀輸出傳輸譜兩波谷間的波長間隔Δλ,即可得到干涉環中光纖的群雙折射.圖5所示為使用長度分別為10.5,14.85,34和70.4 cm的研制側漏型PCF所搭建Sagnac干涉儀的輸出傳輸譜.從圖5可以看出,隨著所用側漏型PCF光纖長度的增加,Sagnac干涉儀傳輸譜兩波峰或波谷間的波長間隔Δλ減小.

由于側漏通道的泄露作用及光纖涂覆層的高吸收作用,側漏型PCF的二階模具有比較高的泄漏損耗,Sagnac干涉儀輸出傳輸譜主要是由基模偏振態光干涉形成的,但二階模要損耗掉仍需要一定的光纖長度,在Sagnac環長較短時輸出傳輸譜含有二階模干涉的成分.如圖5所示,當側漏型PCF長度較短如為10.5 cm時,二階模沒有被完全損耗掉,所以在Sagnac干涉儀傳輸譜中出現了由基模和二階模耦合形成的局部干涉條紋,但是強度較弱.當側漏型PCF長度達到14.85 cm以上,二階模損耗增大使其不能作為側漏型PCF中的有效傳輸模式,由基模和二階模耦合形成的局部干涉條紋消失,只存在由基模偏振態干涉形成的Sagnac干涉條紋.這在一定程度上驗證了所研制的側漏型PCF單模傳輸特性.

通過測量光纖Sagnac干涉儀輸出傳輸譜相鄰波谷之間的波長間隔,并利用(7)式得到所研制側漏型PCF群雙折射的實驗測量值Gm,如表1所示.

表1 側漏型PCF在1550 nm處的群雙折射

圖5 不同側漏型PCF長度的Sagnac干涉儀輸出傳輸譜 (a)10.5 cm;(b)14.85 cm;(c)32 cm;(d)70.4 cm

由于在光纖長度測量和干涉條紋波長間隔測量時會存在一定的測量誤差,Sagnac干涉儀中偏振控制器偏振狀態控制精度等的影響,基于Sagnac干涉儀的群雙折射實驗測量平均值Gav與基于其橫截面結構重構全矢量有限元數值分析法得到的計算值Gn之間應存在有一定的差異.對于本文研制的側漏型PCF,這一差值僅為6×10-8,顯現出實驗測量平均值與結構重構全矢量有限元數值分析法計算值有較好的一致性.

通過上述實驗可以看出,基于側漏型PCF的Sagnac干涉儀的輸出譜為梳狀譜,易于調諧,通過調整外界參量,如對側漏型PCF施加軸向應力、彎曲及扭轉等,將會導致其梳狀譜發生偏移,通過檢測其波長的偏移量,可以測量外界參量的改變,將在新型光纖傳感器的研制方面具有廣泛的應用前景.同時,側漏型PCF的雙折射特性有助于增強偏振燒孔效應,抑制摻鉺光纖激光器的模式競爭,基于側漏型PCF的Sagnac干涉儀作為可調諧的濾波器引入到不同腔結構的激光器中,將有利于實現摻鉺光纖激光器的可調諧多波長輸出.

5 結論

通過引入橢圓摻鍺芯及側向泄露通道,本文研制出一種新型側漏型PCF,不僅實現了單模傳輸特性,還展現出優良的雙折射特性.應用結構重構全矢量有限元數值分析法對設計光纖和實際研制光纖的傳輸特性進行了分析,在波長1550 nm處,光纖的基模模場面積約為69.5μm2,與普通單模光纖直接接續時,由模場失配引入的接續損耗約為0.03 dB.與已有報道的雙折射PCF相比,模場面積得到了大幅度的提高,與標準普通單模光纖的適配性也得到了明顯的提升.并且建立基于所研制側漏型PCF的Sagnac干涉儀實驗裝置,對研制光纖特性進行了研究.實驗研究結果表明,當側漏型PCF達到一定長度時,在1450-1750 nm波長范圍內可以實現單模傳輸,在波長1550 nm處的光纖群雙折射約為1.508×10-4.測量結果的平均值與應用全矢量有限元法計算值有較好的一致性.基于側漏PCF的Sagnac干涉儀,除了在新型光纖傳感器方面的應用前景之外,在可調諧多波長摻鉺光纖激光器中也具有很好的應用潛力.

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