高雙折射光子晶體光纖的特性研究

程集　姚成寶　孫文軍

摘 要：為了提高光纖的雙折射特性，利用石英作基質(zhì)設計了基于六邊形結構的光子晶體光纖，計算并分析了光子晶體光纖的雙折射、色散、限制損耗、非線性折射系數(shù)等特性。結果表明：波長越大，雙折射越大，限制損耗越大，非線性折射系數(shù)越小。當光纖結構為0.9μm，d為0.86μm，為0.58μm，為0.54μm時，該光纖在光波長為1.1μm處色散接近于零，雙折射可達，限制損耗為56.72dB/m，非線性折射系數(shù)為64.4W-1km-1，可應用于近紅外波段的光纖傳感及超連續(xù)光譜產(chǎn)生。

關鍵詞：光子晶體光纖 高雙折射 色散 非線性折射系數(shù)

中圖分類號：TN253 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0086-03

Abstract：In order to improve the birefringence，the author designs a photonic crystal fiber based on hexagonal structure by using quartz as material，then calculates and analyses the birefringence，dispersion，loss and nonlinear coefficient of photonic crystal fiber.The result shows that：The birefringence and the loss are greater，then the nonlinear coefficient is smaller with increasing of wavelength.When its cladding air hole pitch is 0.9μm and large air hole diameter，air hole diameter of third ring，air hole diameter of first ring are 0.86μm，0.58μm and 0.5μm，the dispersion is close to zero at a wavelength of 1.1μm，and the loss is 56.72dB/m and the nonlinear coefficient is 64.4W-1km-1.The optical fiber sensor and supercontinuum spectrum which can be applied to the near infrared band will generate.

Key words：Photonic crystal fiber；High birefringence；Dispersion；Nonlinear refraction coefficient

1992年J.Russell等人最早提出了光子晶體光纖（PCF：Photonic Crystal Fiber）的概念，隨后不同結構、不同特性PCF被相繼報道[1-3]。高雙折射光纖在高速光通信系統(tǒng)、光纖傳感和精密光學儀器等領域都有著重要的應用，引起科研人員的高度關注[4]。其單模特性[5]，高非線性[6]，大有效模場面積，高雙折射[7]，低色散等特性是傳統(tǒng)光纖不具備。有效地改變光子晶體光纖包層中空氣孔的形狀[8]，大小和位置可實現(xiàn)高雙折射特性，該方法實現(xiàn)的雙折射B比普通的保偏光纖至少高一個數(shù)量級。

1 理論

根據(jù)有限元法[9-10]，計算了六邊形光子晶體光纖有效折射率的實部Re[]與虛部根據(jù)Im[]的實部，進而可獲得光子晶體光纖的下列參量。

色散系數(shù)：其中為波長，C為光速。

2 數(shù)值模擬與結果分析

在石英基質(zhì)上設計了由圓形空氣孔規(guī)則排列的六邊形光子晶體光纖，其橫截面圖見圖1，光子晶體光纖中心去掉一個空氣孔形成纖芯，相鄰兩層空氣孔間距為μm，大空氣孔徑，第一層空氣孔徑，第三層空氣孔徑為。圖2給出了該結構在波長為1.1處基模的模場分布圖，該光纖具有單模特性，模場能量基本完全被束縛在纖芯中。在纖芯內(nèi)，快軸模沿x方向，慢軸模沿y方向。模場表現(xiàn)出向y方向延伸。

圖3給出了雙折射隨入射光波長的變化。可見雙折射隨著波長增大而增大，且越大，雙折射越小。圖4給出了當，保持不變時，雙折射隨的變化。圖5給出了，保持不變時，雙折射隨的變化規(guī)律。可見雙折射隨著孔徑增大而減小，隨著孔徑增大而減小。另外入射光波長為1.4處，該結構光子晶體光纖雙折射達，比傳統(tǒng)偏振光纖高兩個數(shù)量級，遠高于文獻[13]所報道的。

圖6給出色散隨的變化。由圖可見越大，色散變化幅度越小，當μm時，色散隨著波長增加而增大；當μm時，色散隨著波長的增大而減小。零色散點隨值的增大向長波方向移動，同時色散曲線變得越來越平坦。

圖7給出了相對色散斜率隨波長的變化。由圖可見RDS在波長為0.85μm處近似為0，此時色散出現(xiàn)一個極大值。由圖9所示，在波長為1.05～1.25μm之間，RDS變化很快，此時色散變化幅度很大。

圖8給出了當，不變時，非線性折射系數(shù)隨的變化。由圖可見，隨著波長和的增加，光纖的非線性折射系數(shù)逐漸減小。對比文獻[14]，設計的光子晶體光纖具有更高非線性。該光纖呈現(xiàn)的高非線性高雙折射效應為其在超連續(xù)譜中的應用奠定了基礎。

圖9給出了當，時，限制損耗隨的變化。由圖可見限制損耗隨著波長的增加而增大，并且隨著的增大而減小。在可見光波段的600nm處，的限制損耗值為2.03dB/m，已經(jīng)接近于0。

3 結語

設計的六邊形光子晶體光纖具有高雙折射特性。通過有限遠法分析了光纖的色散、損耗、非線性折射等特性，結果表明調(diào)整光纖的結構參數(shù)，可獲得近紅外波段的高雙折射、低色散、低損耗特性，可應用于光纖傳感、高速傳輸網(wǎng)、超連續(xù)光譜獲得等領域。

參考文獻

[1] J.C.Knight，P.St.J.Russell.New Ways to Guide Light[J].Science，2002，296（5566）：276-277.

[2] B.J.Mangan，T.A.Birks，J.C.Knight，et al.Fundamental-mode Cut Off in a Photonic Crystal Fiber with a Depressed-index Core[J].Optics Letters， 2001，26（19）：1469-1471.

[3] J.C.Knight，T.A.Birks，P.St.Russell，et al.All-silica Single Mode Optical Fiber with Photonic Crystal Cladding[J].Opt.Lett，1996（21）：1547.

[4] Briks T A，Moginlevtsev D，J C Knight，P St J Russell，IEEE Photon，Technol[J].Lett，1999（11）：677.

[5] M.Samiul Habib，Redwan Ahmad，M.Selim Habib，et al.Design of single polarization single mode dispersion compensatingphotonic crystal fiber[J]. Optik，2014，3（6）.

[6] S.G.Leon-Saval，T.A.Birks，N.Y.Joy，，Splice-free interfacing of photonic crystal fibers[J].Opt.Lett.30，2005：1629-1631.

[7] K.Saitoh，M.Koshiba.Full-vectorial imaginary-distance beam propagationm

ethod based on a finite element scheme：application to photonic crystal fibers[J].IEEE J.Quantum Electron，2002，38：927-933.

[8] Guenneau.S，Lasquellec.S.Modeling of Photonic Crystal Fiber with Finite Elements[J].IEEE Transactions on Magnetics，2002，38（21）：1261-1264.

[9] Seller S，Vincetti L，Cucinotta A，Zoboli M，Opt，Quantum Elction，2001，33：359-371.

[10] Zhang H，Yang B J，Liu Y M，Wang Q G，Yu L，Zhang XG，Chin.Phys，B18， 2009：1116.

[11] Hojoon Lee，Member，IEEE，and Govind P.Agrawal，F(xiàn)ellow，IEEE，Purely phase-Sampled Fiber Bragg Gratings for Broad-Band Dispersion and Despersion Slope Compensation，IEEE Photonics Technology Letters，2003.

[12] Boyd R W Nonlinear Optics 3rd Ed（Am.A cademic Press）P212，2009：367-377.

[13] Wang M L，Zhao Y Y，Li S G，et al. Research on photonic crystal fiber characteristics with high birefringence[J].Journel of Yanshan University，2008：32-1.

[14] Wang CY，Li Y F，Hu M L，et al. Nonlinear properties of photonic crystal fibers[J].China Academic Journal Electronic Publishing House，2005，35（1）.