基于非對(duì)稱微結(jié)構(gòu)纖芯的高雙折射光子晶體光纖

祝傳鈺 孔祥偉 彭繼成 馬玉玲 孫傳新

摘 要：該文提出了一種基于四方晶格非對(duì)稱微結(jié)構(gòu)纖芯的太赫茲高雙折射光子晶體光纖。該設(shè)計(jì)在保證了光纖高雙折射特性的同時(shí)，有效的降低了其限制損耗。數(shù)值模擬采用全矢量有限元法。該文對(duì)太赫茲波導(dǎo)、器件以及偏振相關(guān)傳感等領(lǐng)域具有重要意義。

關(guān)鍵詞：光子晶體光纖 高雙折射 太赫茲 微結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（b）-0194-02

1 概述

高雙折射光纖[1-3]是一類非常重要且基礎(chǔ)的光纖，在光通信、傳感及新型光纖器件等領(lǐng)域都有著大量重要的應(yīng)用，對(duì)它的研究已經(jīng)經(jīng)歷了近20年的歷史，幾乎伴隨著整個(gè)光纖領(lǐng)域的發(fā)展史。目前的研究熱點(diǎn)已經(jīng)從傳統(tǒng)光纖向光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，簡(jiǎn)稱PCF）過(guò)渡，雙折射參數(shù)不斷提高，各種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新層出不窮。

太赫茲波通常是指頻率范圍在0.1 THz到10 THz的電磁輻射[4]。該波段介于無(wú)線電波和光波，即毫米波和紅外線之間，處于電子學(xué)和光子學(xué)的交叉領(lǐng)域。由于大多數(shù)極性分子材料都對(duì)太赫茲波有極大的吸收，因此在對(duì)太赫茲波導(dǎo)和器件的設(shè)計(jì)中，一個(gè)基本要求就是要盡量降低其損耗。否則會(huì)導(dǎo)致該器件在實(shí)際中不可用。

該文設(shè)計(jì)的高雙折射光纖采用在纖芯摻雜四方晶格微空氣孔的方式，在保證了其高雙折射特性的同時(shí)，有效的降低了其限制損耗。數(shù)值計(jì)算采用全矢量有限元法，模擬結(jié)果表明，隨著入射光頻率的增大，模場(chǎng)會(huì)被更好的束縛，基模能量向纖芯區(qū)域集中；X，Y兩個(gè)偏振模式的有效折射率隨著入射光頻率的增大而增大；模式雙折射先增大后減小，而相應(yīng)的限制損耗迅速縮小。在入射光頻率為0.7 THz時(shí)模式雙折射達(dá)到最大值0.020734，達(dá)到10-2，比傳統(tǒng)高雙折射光纖高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)入射頻率大于0.3 THz時(shí)，限制損耗接近于0。因此我們?cè)O(shè)計(jì)的光纖在具有高雙折射特性的同時(shí)，也保證了低限制損耗。對(duì)于太赫茲波導(dǎo)和器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有重要意義。

2 方法原理

為了對(duì)已知結(jié)構(gòu)光纖的雙折射進(jìn)行研究，人們先后提出了多種數(shù)值模擬方法。最初人們主要運(yùn)用平面波展開(kāi)法[5]、時(shí)域有限差分法[6]等方法進(jìn)行分析。但這兩種方法只能分析光纖的雙折射，而不能分析光子晶體光纖的限制損耗。而實(shí)際上，限制損耗的大小往往決定了光纖的制作難度和實(shí)際應(yīng)用的可能性，因此，人們也開(kāi)始采用頻域有限差分法[7]、多極法、有限元法[8]等這些可以同時(shí)分析光纖的雙折射和傳輸損耗的方法。有限差分法的特點(diǎn)是程序較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但精度稍低。多極法的優(yōu)點(diǎn)是精度很高，在分析對(duì)稱性強(qiáng)、孔數(shù)量較少的光子晶體光纖時(shí)，計(jì)算量小，因此被廣泛采用。其主要缺點(diǎn)是只能分析空氣孔橫截面為圓形的光子晶體光纖。該文數(shù)值模擬采用全矢量有限元法（Finite Element Method， FEM）。

3 器件設(shè)計(jì)和特性分析

本文設(shè)計(jì)的高雙折射地限制損耗光纖如圖1所示?；撞牧喜捎迷谔掌澆ǘ蔚牡蛽p耗聚合物材料TOPAS。這種材料在THz波段具有幾乎為常數(shù)的折射率，且不吸收水分。包層空氣孔為三角晶格排列，晶格常數(shù)L=500 μm，空氣孔的半徑D=480 μm；纖芯的空氣孔為亞波長(zhǎng)級(jí)別的四方晶格排列，沿X和Y方向具有不同的晶格常數(shù)，Lx=60 μm，Ly=90 μm；空氣孔的直徑d=50 μm。包層空氣孔的三角晶格排列保證了低的限制損耗，也就是說(shuō)模場(chǎng)被很好地限制在纖芯中；而纖芯的非對(duì)稱空氣孔排列保證了光纖的雙折射。

我們利用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠得到X，Y兩個(gè)偏振模穩(wěn)態(tài)的模場(chǎng)分布。圖2分別給出了當(dāng)入射頻率為0.5和1.0 THz時(shí)穩(wěn)態(tài)的模場(chǎng)分布?？梢钥闯霎?dāng)頻率增大時(shí)，模場(chǎng)會(huì)被更好的束縛，能量向纖芯區(qū)域集中。

圖3給出了X，Y兩個(gè)偏振模式的有效折射率。它們隨著入射光頻率的增大而增大，而曲線的斜率變小，這意味著兩個(gè)模式的有效雙折射越來(lái)越趨于穩(wěn)定。我們提出的光纖為高雙折射結(jié)構(gòu)，所以還需要計(jì)算x，y兩個(gè)偏振模式有效折射率的差值，即光纖的模式雙折射。

圖4給出了光纖的模式雙折射隨頻率的變化曲線?？梢钥闯?，隨著入射光頻率的增大，雙折射參數(shù)先增大后減小。在入射光頻率為0.7THz時(shí)達(dá)到最大值0.020734，達(dá)到10-2，比傳統(tǒng)高雙折射光纖高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖5給出了X，Y兩個(gè)偏振模式的限制損耗。可以看到，隨著入射頻率的增大，限制損耗迅速縮小。當(dāng)入射頻率大于0.3THz時(shí)，限制損耗接近于0。因此我們?cè)O(shè)計(jì)的光纖具有極低的限制損耗。而低損耗對(duì)于太赫茲波段的相關(guān)應(yīng)用具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

該文采用全矢量有限元法對(duì)基于四方晶格非對(duì)稱微結(jié)構(gòu)纖芯的高雙折射光子晶體光纖進(jìn)行了數(shù)值模擬。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證了其高雙折射特性的同時(shí)，也有效的降低了其限制損耗。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在入射光頻率為0.7 THz時(shí)模式雙折射達(dá)到最大值0.020734，達(dá)到10-2，比傳統(tǒng)高雙折射光纖高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)入射頻率大于0.3 THz時(shí)，限制損耗接近于0。因此我們?cè)O(shè)計(jì)的光纖在具有高雙折射特性的同時(shí)，也保證了低限制損耗。對(duì)于太赫茲波導(dǎo)、器件以及偏振相關(guān)傳感等領(lǐng)域具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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