新型光子晶體光纖波導設計與分析

劉彩紅, 王建強, 張 臻

(1. 漯河食品職業學院 計算機系， 河南 漯河 462300； 2. 東華理工大學 電氣工程學院, 江西 南昌 330013; 3. 鄭州航空工業管理學院 電子工程學院，河南 鄭州 450015)

新型光子晶體光纖波導設計與分析

劉彩紅1, 王建強2, 張 臻3

(1. 漯河食品職業學院 計算機系， 河南 漯河 462300； 2. 東華理工大學 電氣工程學院, 江西 南昌 330013; 3. 鄭州航空工業管理學院 電子工程學院，河南 鄭州 450015)

通過增加銀顆粒填充、圓形空氣孔缺失實現缺陷，設計了模場近似圓形的新型PCF。結構的電場模擬分析得出：設計的結構具有電場局域化特點，出現電場峰值，在太赫茲波段表現較強的分辨率和靈敏度。實驗分析得出：隨著泵浦密度的增加能觀察到很小程度的頻譜收縮，結構的Q值達到了0.3 MW/cm，比常見系統提高了一個數量級，結構的改進實現了光子壽命增強，可以提高波導傳輸能力。色散分析得出，調整不同的結構參數，可以很方便地設計出具有正平坦色散、近零平坦色散、負平坦色散等不同性質的PCF。

光子晶體光纖； 泵浦密度； 平坦色散； 波導傳輸

1 光子晶體光纖

上世紀末，英國的巴斯大學率先提出了光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)概念[1-3]，通過引入線缺陷實現纖芯的設計，實現了光波的光子帶隙效應，或稱為改進的全反射(modified total internal reflection， MTIR)效應[4-5]。研究人員依據纖芯不同，PCF被分成了實芯和空芯2類，由于實芯PCF通常缺失的單一空氣孔，利用的是改進的全反射效應局域光波傳播，故也被稱為引導型PCF[6-7]。而空芯PCF，利用的是光子帶隙效應局域光波傳播，故也被稱為帶隙型PCF。同樣是英國的巴斯大學團隊，在本世紀初實現了制作帶隙PCF，設計的是蜂窩型結構[8-9]。相比于帶隙型PCF，引導型PCF具備可設計色散、超帶寬單模傳輸、高雙折射、大非線性等優勢，且這類PCF與光子帶隙并不直接相關，故其周期性要求并不高，故其制作與設計會更加方便[10-13]。

色散是PCF無法回避的問題，在設計的光通信系統中，光信號的畸變展寬主要就是色散導致[14-16]。色散平坦的PCF是當前研究主要方向之一，色散光纖能夠用作理想的傳輸介質，還能實現光孤子、波分復用系統以及光放大等器件的應用。這樣研究的比較有代表性就是哈佛大學團隊實現的旋轉對稱度大于6的新型PCF，也被稱為準PCF，其光子帶隙方向性非常弱，這就優化了PCF存在著方向性過于靈敏的確定，可以實現不依賴與入射光方向的PCF傳播。從目前PCF的發展趨勢來看，隨著其結構的變化，以及采用氣孔、液體、顆粒等方式填充，使得PCF在電學、溫度、化學等特性發生變化，進而實現了很多新型的傳感器、濾波器、光源的應用與研究[17-18]?；谏鲜霰尘埃疚耐ㄟ^增加銀顆粒填充、圓形空氣孔缺失實現缺陷，設計了模場近似圓形的新型PCF。

2 結構設計與色散分析

2.1 結構設計

本文設計的新型PCF結構如圖1所示，其中的圓形表述的是空氣孔，中心孔缺失實現缺陷進而作為纖芯，與此同時,結構增加了銀顆粒的填充實現特性優化。由結構可以看出，設計的PCF模場都將限制在光纖的中心區域，且模場應該會近似成圓形更容易實現模式耦合。

圖1 設計的 PCF結構

采用步長為0.4 nm，空間網格為300×300，主區域設計為空芯，銀納米顆粒參數與典型結構一樣，完美匹配層(PML)設計為6層，入射波選定為TM波，波長是645 nm。設計PCF的表面的電場出現如圖2所示峰值情況。分析計算此時的增強因子達到了105水平。綜合分析上述結果的電場局域結果可以看出，設計的結構的在太赫茲波段表現了較強的分辨率和靈敏度，這對于設計結構的應用范圍和價值是非常有意義的。

圖2 PCF表面電場峰值

2.2 色散分析

PCF的總色散D由材料本身Dm(λ)以及波導產生的色散Dw(λ)構成，表述如下：

D=Dm(λ)+Dw(λ)

(1)

不管是何種PCF，其材料色散應該都相同，可以采用Sellmeier公式系數得到表述如下：

(2)

式中,n為折射率,Ai為對應波長系數,li為離空芯中心距離上光波在真空中速度。

進而材料色散能夠表示為

(3)

式中，c為光速。

基于有限元可以得到基模的有效折射率實部Reneff，于是也會得到波導色散能夠表述為

(4)

3 實驗分析

3.1 實驗系統

實驗系統如圖3所示，用Nd:YAG激光器來泵浦PCF，沿著PCF軸向發射，并通過透鏡收集到分光計。

圖3 實驗系統

3.2 結果分析

圖4分析了不同波長的泵浦密度結果的3組實驗。從結果可以看出，隨著泵浦密度的增加能觀察到很小程度的頻譜收縮，表現了明顯的局域化的現象，在545 nm的可見光范圍結構有更好的局域優勢。為了進一步明確上述結果，定義Q值為光功率與光損耗的乘積，發現Q值達到了0.3 MW/cm，這比常見系統提高了一個數量級，這說明結構的改進實現光子壽命，可以提高波導傳輸能力。

3.3 色散分析

圖5給出了不同參數比(色散參數d1，與增益顆粒直徑Λ對比情況下)的色散與波長關系，從圖中可以看出，在光通信的頻段結構的色散曲線較為平坦，隨著色散直徑比的增加，當其大于0.3左右時，色散曲線不再平坦。由此可知，調整不同的結構參數，可以很方便地設計出具有正平坦色散、近零平坦色散、負平坦色散等不同性質的PCF。

圖4 不同波長的泵浦密度結果的3組實驗

圖5 不同參數比的色散與波長關系

4 結論

(1) 本文通過增加銀顆粒填充，圓形空氣孔缺失實現缺陷，設計了模場近似圓形的新型PCF。結構的電場模擬分析得出：設計的結構具有電場局域化特點，出現電場峰值，在太赫茲波段表現較強的分辨率和靈敏度。

(2) 實驗分析得出：隨著泵浦密度的增加能觀察到很小程度的頻譜收縮，結構的Q值達到0.3 MW/cm，比常見系統提高了一個數量級，結構的改進實現了光子壽命增強，可以提高波導傳輸能力。

(3) 最后色散分析得出調整不同的結構參數，可以很方便地實現具有正平坦色散、近零平坦色散、負平坦色散等不同性質的PCF。

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Design and analysis of novel photonic crystal fiber waveguide

Liu Caihong1, Wang Jianqiang2, Zhang Zhen3

(1.Department of Computer Science, Luohe Vocational College of Food, Luohe 462300，China; 2. School of Electrical Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China 3. School of Electronic Engineering, Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015, China)

The PCF (photonic crystal fiber) is changed in electrical, temperature and chemical properties by filling with pores, liquids, particles, etc. Defects are realized by increasing the filling of the silver particles and the absence of circular air holes, and a novel PCF with approximate circular field is designed. The structural electric-field simulation analysis shows that the designed structure is characterized by electric-field localization, the electric-field peak appears, and the strong resolution and sensitivity are demonstrated in the terahertz band. The experimental analysis indicates that with the increase of pump density, a small degree of the spectral contraction can be observed, and theQvalue of the structure reaches 0.3 MW/cm, which has raised one order of magnitude higher than that of the common system. The structural improvement realizes the enhancement of photon lifetime and can improve the waveguide transmission capability. Finally, the adjusted different structural parameters can be obtained through the dispersion analysis, which can easily achieve the design of PCF with different properties of positive flat dispersion, near zero flat dispersion, negative flat dispersion, etc.

PCF; pump density; flat dispersion; waveguide transmission

TN929.11

A

1002-4956(2017)10-0037-03

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.011

2017-03-22修改日期2017-05-18

河南省高等學校重點科研項目(16A510023);河南省科技攻關計劃項目(132102210219，152102210139,172102210080);河南省高?？萍紕撔聢F隊支持計劃項目(17IRTSTHN014)

劉彩紅(1976—)，女，河南漯河，學士，工程師，主要研究方向為計算機專業網絡技術

張臻(1978—)，男(回族)，河南鄭州，碩士，副教授，主要研究方向為信息與通信工程.

E-mail：78869626@qq.com