新型抗彎曲大模場面積光子晶體光纖*

婁淑琴 鹿文亮 王鑫

(北京交通大學電子信息工程學院,北京 100044)

(2012年7月16日收到;2012年8月14日收到修改稿)

1 引言

單纖輸出已達千瓦的光纖激光器具有增益介質長、結構緊湊、散熱好和輸出光束質量高等優點,在國防、工業和醫療等領域獲得了廣泛的應用.隨著輸出功率的進一步提升,非線性效應已成為近十年來高功率光纖激光器發展的一大障礙[1].大模場面積可以有效減弱光纖中的非線性效應,增加光纖激光器的功率容限.

傳統階躍型光纖結構主要通過增加光纖的纖芯直徑來增大模場面積;但隨著纖芯直徑的增加,光纖中傳輸模式增多.多傳輸模式不僅影響激光輸出光束質量,模式競爭也會影響激光輸出的穩定性.為提高輸出光束的質量,在增大纖芯芯徑的同時,需降低纖芯的數值孔徑,即降低纖芯折射率,使光纖盡可能地保持單模傳輸.但當數值孔徑低于0.06時,現有制作工藝很難實現[2],尤其是當纖芯直徑達到30μm時,光纖對彎曲極為敏感,應用價值不高[3].

光子晶體光纖(photonic crystal fi ber,PCF)靈活的結構設計自由度打破了傳統光纖的結構局限,為大模場面積單模光纖研制開辟了一條新途徑.自1998年Knight等[4]首次研制出大模場面積PCF以來,相繼出現了多種新結構大模場面積PCF,但多數對彎曲敏感[5?9].為減小彎曲損耗,陸續出現了一些通過優化PCF結構降低彎曲損耗的大模場面積PCF新結構報道,但多因結構復雜,如含有多種尺寸空氣孔、八角形結構等,工藝上難以實現[10?13].2010年,Napierala等[14]提出一種含有兩種尺寸空氣孔的非對稱結構大模場面積PCF,模場面積為2500μm2.從降低制作難度出發,2011年他們又提出并研制出采用同一種尺寸空氣孔的雙空氣孔間距結構的低彎曲損耗大模場面積PCF[15],這是至今惟一的非對稱結構低彎曲損耗大模場面積PCF的研制報道.但其彎曲損耗對光纖的彎曲方向角敏感,實際應用時須將彎曲方向角控制在±7°范圍內.在此基礎上,Wang等[16]以兩種摻氟石英棒構成芯區提出一種類似結構,基模模場面積可達2000μm2,彎曲損耗對彎曲方向角敏感問題得到明顯改善,彎曲半徑為30 cm時,彎曲方向角范圍達?45°—45°,但因摻氟石英棒尺寸及摻氟濃度難以精確控制,目前尚未見研制成功的報道.

為減小制作難度,降低彎曲損耗及對彎曲方向角的敏感度,本文通過規劃缺陷位置及空氣孔尺寸,提出并研制出一種只含有兩種尺寸空氣孔的非對稱結構低彎曲損耗大模場面積PCF.在波長1064 nm處,基模模場面積高達2812μm2,可承受彎曲方向角范圍擴展至?60°—60°.新型抗彎曲大模場面積PCF的研制成功,解決了目前大模場面積光纖的彎曲損耗對光纖彎曲方向角敏感的問題,為其在高功率光纖激光器、放大器及高功率激光傳輸等方面的應用展現了廣闊的前景.

2 光纖結構與分析模型

抗彎曲大模場面積PCF設計結構的橫截面示意圖見圖1(a).在傳統三角格子排布PCF的基礎上,為實現大模場面積特性,以七個石英棒代替中心的七個空氣孔形成光纖芯區;為降低基模彎曲損耗,增加高階模泄漏損耗,在光纖包層區域的左側由石英棒代替部分(虛線孔處)空氣孔,減小此側空氣孔的占空比,形成高階模泄漏通道;同時,在纖芯區左側上下兩個對稱位置設置兩個小尺寸空氣孔,以增大對基模的約束.抗彎曲大模場面積PCF設計結構直徑為400μm,大空氣孔直徑d約為27μm,兩個小空氣孔直徑ds約為19.2μm,空氣孔間距Λ為36μm.圖1(b)為本文采用管束堆積法制作出的抗彎曲損耗大模場面積PCF的橫截面顯微圖.

PCF靈活的結構設計自由度不僅帶來了傳統結構光纖難以實現的各種新穎特性,也增加了光纖的制作難度.研制PCF需將外徑約為20 mm的PCF預制棒拉制成外徑只有400μm的PCF光纖,毛細管棒直徑縮比達50倍.在實際拉制過程中,拉絲爐中不同位置爐溫存在差異,而導致不同位置的空氣孔呈現出差異形變.對比圖1(a)和(b)可以明顯看出,盡管采取了優化后的拉制工藝參數,研制出的光纖的橫截面中不同位置的空氣孔都存在不同程度的偏離圓孔形狀.對于大模場面積PCF,空氣孔的形變將導致光纖的實際傳輸特性,如傳輸模式、模場面積、彎曲損耗、偏離設計特性.

研制光纖的實際傳輸特性的測量目前主要有兩種:一是直接測量法,即采用專用的實驗設備對光纖進行直接測量;二是間接測量法,例如可實際測量光纖的結構參數,然后通過數值分析來獲得光纖的傳輸特性.對于光子晶體光纖,除了制作難度比傳統光纖高外,對其性能的準確測量也是該領域面臨的一大難題.現有的光纖特性測試設備多是針對普通光纖特性測試的,不僅價格昂貴,而且直接應用于光子晶體光纖特性測量存在著一些難以解決的問題,尤其是大模場面積光子晶體光纖的模場、模式及彎曲特性測量,存在著與傳統跳線接續或開放空間入射光耦合等方式方法所引入的不確定性影響問題,直接測量不僅難度大,尚需一系列昂貴設備的支持.本文主要采用間接測量法研究研制實際光纖的傳輸特性[17],其主要思想是通過采集研制的實際光纖的橫截面的數字顯微圖,借助于數字圖像處理技術對實際光纖的橫截面進行幾何重構,得到實際光纖的橫向折射率的分布后,應用全矢量有限元方法獲得實際光纖的傳輸特性.重構后的光纖截面結構如圖1(c)所示,與實際結構圖1(b)對比可以看出,重構的光纖截面結構與實際光纖的截面結構一致.由重構出的研制光纖的橫截面幾何結構,即可獲得其橫截面折射率分布n0(x,y).

圖1 抗彎曲大模場面積PCF橫截面圖 (a)設計結構;(b)研制光纖橫截面顯微圖;(c)研制光纖橫截面重構圖

光纖彎曲形變,也會引起傳輸模式、模場泄漏等傳輸特性的變化.對于彎曲光纖的特性分析,可以按對其橫截面的折射率分布進行彎曲修正后的直光纖情形進行特性分析.當光纖向x軸負方向彎曲時,其橫截面的折射率分布可以用(1)式表示[18,19]:

其中,R為光纖彎曲半徑,θ為光纖彎曲方向與+x軸的夾角,即光纖彎曲方向角.

根據獲得的光纖橫截面折射率分布,應用全矢量有限元法,結合完美匹配邊界條件[20?22],即可對所研制光纖的傳輸模式、模場面積及其彎曲損耗進行分析.在獲得對應情形光纖中的有效模式傳輸常數β和模場分布的基礎上,根據下式可獲得光纖中各有效模式對應的等效模場面積Aeff:

式中,E是電場矢量,S代表整個光纖橫截面.光纖中各有效模式的限制損耗L則可通過其傳輸常數的虛部進行計算

其中,k0為真空中自由波數,k0=2π/λ,λ為波長,neff=β/k0為模式的有效折射率.

摻Yb光纖激光器是高功率光纖激光器中應用最廣的一類激光器,因此,本文重點研究所研制抗彎曲大模場面積PCF在1064 nm波長附近的模式特性和彎曲特性.

3 模式特性

圖2為所研制PCF光纖在波長1064 nm處的基模和二階模的模場矢量分布圖.正如設計預期,研制的實際光纖可以有效地將基模束縛在纖芯中傳輸,而空氣孔占空比較小的左側,對高階模形成了高泄露通道,二階模即可通過該泄露通道向包層泄露.

圖2 所研制光纖中在波長1064 nm處基模和二階模模場矢量分布圖 (a),(b)基模;(c)—(f)二階模

圖3 (a)所示為所研制光纖在975—1100 nm波長范圍內有效傳輸模式的實際限制損耗,FM-x,FM-y分別代表基模的兩個偏振態,SM-1—SM-4為二階模的四個簡并態.從圖3(a)中可以看出,在975—1100 nm波長范圍內基模損耗小于0.00025 dB/m,從波長1020 nm開始,二階模損耗大于1 dB/m,二階模與基模的損耗相差4個量級.如此大的損耗差,有效地保證了在1020—1100 nm波長范圍內光纖中只有基模傳輸,即實現了單模傳輸.圖3(b)所示為光纖中基模兩個偏振態的模場面積隨波長的變化情況,在975—1100 nm波長范圍內,基模模場面積基本保持不變,波幅僅為0.035%,因此所研制光纖的模場面積具有良好的光譜平坦性.在波長1064 nm處,平直狀態下基模限制損耗為0.00024 dB/m,高階模限制損耗高于1.248 dB/m,二階模與基模的損耗相差4個量級,即實現了單模運轉,而且基模模場x和y偏振態的模場面積分別為2811.216,2812.325μm2,差值小于0.04%,且基模的模式雙折射小于10?6,基模的兩個偏振態簡并.因此可以認為,所研制光纖具有非偏振相關的大模場面積單模傳輸特性.

圖3 所研制光纖中基模和二階模的傳輸特性 (a)基模和二階模的限制損耗;(b)基模模場面積

4 彎曲特性

光纖彎曲引起光纖形變,彎曲半徑和彎曲方向角對光纖傳輸特性,尤其是對光纖彎曲損耗的影響,決定了光纖的彎曲特性.

4.1 彎曲半徑的影響

當研制的實際光纖向x軸負方向彎曲,橫截面折射率分布發生的變化情況由(1)式決定.在x軸負方向,光纖背景(石英)折射率因彎曲將降低,在x軸正方向,背景折射率升高.圖4給出了基模彎曲損耗及模場面積隨彎曲半徑變化的對應關系.從圖中可以看出,基模兩偏振態隨彎曲半徑的變化具有較好的一致性,因此所研制光纖在彎曲情況下仍保持非偏振相關的大模場面積基模傳輸特性.

如圖4(a)所示,隨著彎曲半徑的減小,彎曲損耗先略有降低,然后逐漸增加,彎曲半徑在20—45 cm之間時彎曲損耗較低.彎曲半徑減小至20 cm后再進一步減小,彎曲損耗急劇增加,但即便彎曲半徑小到5 cm,彎曲損耗始終維持在10?3dB/m量級以下.研究結果表明,所研制光纖具有良好的抗彎曲特性.

另外,如圖4(b)所示,隨著彎曲半徑的減小,基模模場面積逐漸減小.在平直狀態下,基模模場面積約為2812μm2,當彎曲半徑為20 cm時,模場面積約為1000μm2.實際應用時一般可保持光纖彎曲半徑大于20 cm,因此所研制光纖的模場面積總可以保持在1000μm2以上的大模場面積運轉,對應彎曲損耗小于10?6dB/m.

圖4 所研制光纖的基模傳輸特性隨彎曲半徑的變化關系 (a)彎曲損耗;(b)模場面積

4.2 彎曲角度的影響

非對稱結構大模場面積PCF彎曲損耗一般對彎曲方向角比較敏感,目前惟一研制出的非對稱結構抗彎曲大模場面積PCF在實際應用時須將彎曲方向角控制在±7°范圍內[15].為了便于與現有報道的非對稱結構低彎曲損耗大模場面積PCF比較[15,16],這里重點討論光纖彎曲半徑為30 cm時研制光纖的彎曲特性受彎曲方向角的影響.

圖5為彎曲半徑30 cm時所研制光纖基模彎曲損耗和模場面積隨彎曲方向角的變化關系.光纖結構關于x軸呈二重對稱性,因此光纖彎曲損耗及模場面積隨彎曲方向角的變化呈對稱分布.彎曲方向角在±60°范圍以內,模場面積約為1369μm2變化緩慢,彎曲損耗小于0.0069 dB/m;彎曲方向角超過±60°后,基模場面積及彎曲損耗急劇變化,模場沿上側或下側空氣孔間的泄漏通道向包層輻射形成泄漏模式,造成彎曲損耗的迅速增大和模場面積的突變.

圖6為彎曲半徑30 cm時不同彎曲方向角度下光纖中基模的模場分布圖.由于光纖是關于x軸二重對稱,因此只需給出彎曲角度為正值時幾個典型情形的模場分布.可見,彎曲方向角度為0°—60°時,基模場可束縛在纖芯中傳輸;當彎曲方向角度達到80°時,基模模場明顯向包層區域泄漏,將形成較大的彎曲損耗.當光纖彎曲半徑為30 cm時,所研制光纖可以承受的彎曲方向角為[?60°,60°].

圖5 彎曲半徑30 cm時所研制光纖傳輸特性與彎曲方向角度的關系 (a)基模彎曲損耗;(b)基模模場面積

圖6 彎曲半徑為20 cm時不同彎曲方向角度下的基模模場分布圖 (a)0°;(b)20°;(c)30°;(d)40°;(e)60°;(f)80°

5 結論

本文采用非對稱結構,通過優化缺陷和空氣孔的位置和大小,提出并研制出一種新型抗彎曲的大模場面積PCF.該光纖可以有效地同時實現基模大模場面積和低彎曲損耗,平直狀態下在波長1064 nm處的模場面積可以達到2812μm2,在1020—1100 nm波長范圍內實現了單模傳輸.在波長1064 nm處,只要光纖保持彎曲半徑大于20 cm,模場面積可以保持在1000μm2以上,彎曲損耗小于10?6dB/m.與現有報道的非對稱結構的低彎曲損耗大模場面積PCF相比,當光纖彎曲半徑為30 cm時,可以承受的彎曲方向角的變化范圍可擴展至?60°—60°.這種低彎曲損耗大模場面積PCF不僅實現了大模場面積特性及低彎曲損耗特性,也大大擴展了光纖可以承受的彎曲方向角的變化范圍.如果進一步采用摻鐿或摻銩等增益介質做纖芯,通過元素共摻技術如共摻氟,控制摻雜纖芯的折射率,使其折射率與石英背景折射率接近,有望研制出各種大模場面積低彎曲損耗的增益光纖,可為各種新型高功率光纖激光器提供較好的研制基礎.

[1]Dawson JW,Messerly M J,Beach R J,Shverdin M Y,Stappaerts E A,Sridharan A K,Pax P H,Heebner J E,Siders C W,Barty C P J 2008 Opt.Express 16 13240

[2]T¨unnermann A,Schreiber T,R¨oser F,Liem A,H¨ofer S,Zellmer H,Nolte S,Limpert J 2005 J.Phys.B 38 S681

[3]Li M J,Chen X,Liu A,Wang G S,Walton D T,Zenteno L A 2009 J.Lightw.Technol.27 3010

[4]Knight J C,Birks T A,Cregan R F,Russell P S,de Sandre J P 1998 Electron.Lett.34 1347

[5]Limpert J,Schmidt O,Rothhardt J,R¨oser F,Schreiber T,T¨unnermann A,Ermeneux S,Yvernault P,Salin F 2006 Opt.Express 14 2715

[6]Schmidt O,Rothhardt J,Eidam T,R¨oser F,Limpert J,T¨unner-mann A,Hansen K P,Jakobsen C,Broeng J 2008 Opt.Express 16 3918

[7]Vogel M M,Abdou-Ahmed M,Voss A,Graf T 2009 Opt.Lett.34 2876

[8]Dong L,Wu T W,McKay H A,Fu L,Li J,Winful H 2009 IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.15 47

[9]Wu T W,Dong L,Winful H 2008 Opt.Express 16 4278

[10]Ward B G 2008 Opt.Express 16 8532

[11]Tsuchida Y,Saitoh K,Koshiba M 2007 Opt.Express 15 1794

[12]Guo Y Y,Hou L T 2010 Acta Phys.Sin.59 4041(in Chinese)[郭艷艷,侯藍田2010物理學報59 4041]

[13]Napiera?a M,Nasi?wski T,Bere′s-Pawlik E,Berghmans F,W′ojcik J,Thienpont H 2010 Opt.Express 18 15408.

[14]Napiera?a M,Nasi?wski T,Bere′s-Pawlik E,Mergo P,Berghmans F,Thienpont H 2011 Opt.Express 19 22628

[15]Chen M Y,Zhang Y K 2011 J.Lightwave Technol.29 2216

[16]Wang L W,Lou S Q,Chen WG,Li H L 2010 Chin.Phys.B 19 4209

[17]Olszewski J,Szpulak M,Martynkien T,Urban W,Berghmans F,Nasi?owski T,Thienpont H 2007 Opt.Commun.269 261

[18]Tsuchida Y,Saitoh K,Koshiba M 2005 Opt.Express 13 4770

[19]Guo S,Wu F,Albin S 2004 Opt.Express 12 3341

[20]Boag A,Boag A,Mittra R 1994 Microw.Opt.Technol.Lett.7 395

[21]Uranus H,Hoekstra H 2004 Opt.Express 12 2795

[22]White T P,McPhedran R C,de Sterks C M,Botten L C,Steel M J.2001 Opt.Lett.26 1660