基于填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的色散特性研究

1 微結(jié)構(gòu)光纖的簡介

光子晶體的含義最開始是由埃利雅布羅諾維奇于1987 年的時候所揭示的，隨著光子晶體的出現(xiàn)，英國學者提出利用周期性結(jié)構(gòu)形成光纖包層的思想。此后各種微觀結(jié)構(gòu)光纖被提出和制定。已成為光纖光學范疇的研討熱門。本文提出了一種新型填充雙芯負色散微結(jié)構(gòu)光纖，此光纖折射率是1.444。包層上分布著五層氣孔，排列成三角形網(wǎng)格。其中光纖的填充直徑是3.87um，空氣孔之間的距離Λ是5.58um。本論文是在第二、三、四層填充了功能性材料。填充材料在波長1.55um、溫度25℃條件下的折射率為1.438。這個過程中就形成了新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[1]。

光纖的色散是光纖的傳輸特性之一。我們通過在光纖截面引入多個纖芯或不同直徑的空氣孔以及改變包層空氣孔中的孔間距和直徑等，可以實現(xiàn)不同波段的零色散點，高的負色散和平坦的色散等特性，從而在超連續(xù)產(chǎn)生和傳輸、孤子產(chǎn)生以及參量放大器的光學領(lǐng)域中發(fā)揮重要的應(yīng)用。本文將通過對微結(jié)構(gòu)光纖進行材料填充，可以實現(xiàn)可控、優(yōu)良的色散特性。色散控制在非線性光學和色散的特性中發(fā)揮著不可或缺的角色，光導(dǎo)纖維的色散公式D 為[2]：

在上式中，波長用λ 表示，傳播速度c=3×108m/s。

2 填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖模式耦合特性

本文采用COMSOL MULTIPHYSICS 仿真軟件來進行求解，此分析軟件是以有限元法為依據(jù)來實現(xiàn)物理現(xiàn)象的仿真。填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)的第二層、第三層、第四層計算出不同波長下有效折射率的數(shù)值，利用OriginPro 軟件畫出波長從1 550nm 到1 580nm 區(qū)域內(nèi)所對應(yīng)的折射率的關(guān)系曲線圖。

圖1 nneff 隨λ變化曲線

圖1 顯示出填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)的第四層不同模式的模場圖，電場的方向也就是圖中的箭頭。從圖中可以看出三處發(fā)生了耦合，即a、b 和c 點。光在1 547nm（a 處）之前處于纖芯波導(dǎo)中，在1 547nm 之后處于填充波導(dǎo)中，在a 點波長為1 547nm 時光被同時限制在纖芯和高折射率填充柱中，說明此時a 點纖芯基模模式和填充波導(dǎo)模式之間發(fā)生了耦合。同理，在b，c 兩個波長處，纖芯模式也和填充波導(dǎo)模式發(fā)生了耦合。

3 雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的色散特性

圖2 和圖3 分別表示填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的第三層和第四層的填充模式和纖芯模式的色散特性曲線。圖中向下開口的拋物線表示纖芯模式曲線（實線），向上開口的拋物線表示填充模式曲線（虛線），由圖可以看出這兩個曲線由于兩個模之間的耦合而顯示出高度對稱的特性，此外模態(tài)耦合引起的模態(tài)指數(shù)曲線的斜率變化很快，在纖芯模態(tài)和填充模態(tài)的λp 附近都出現(xiàn)了很大的色散值。如圖2 所示，通過適當?shù)脑O(shè)計，在λ=1 546nm 時，色散值可以達到-4 000ps/（nm-km）。非常高的負色散值可以幫助我們減小DCF 結(jié)構(gòu)的長度并減少可能的損耗。此外，λ〈λp 的負色散斜率也可用于波分復(fù)用系統(tǒng)中的某些應(yīng)用。

隨著填充空氣孔層數(shù)的變化，由于不同的匹配包層，空氣孔直徑的變化顯著地移動了λp 的位置。較大的空氣孔在較長的λp 處具有相對較大的負色散值和更尖銳的深度，如圖3 所示在1 547nm 的耦合波長下產(chǎn)生D=-4 500 ps/（nm-km）色散。通過適當設(shè)計光子晶體光纖的幾何結(jié)構(gòu)，我們可以實現(xiàn)在光通信所需波長處具有非常大負色散的光子晶體光纖[3]。

圖2 第三層有效折射率隨波長變化的曲線

圖3 第四層有效折射率隨波長變化的曲線

本文所研究的是基于填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)的第二、三、四層，得到微結(jié)構(gòu)光纖在特定波段來實現(xiàn)色散補償，如表1 所示。發(fā)現(xiàn)在雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的第二、三、四層均得到色散補償，且雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的層數(shù)越多，所對應(yīng)負色散值就會越大從而達到通信中的色散幾乎沒有，從而保證通信質(zhì)量提高以及延伸通信距離。

表1 波長和色散關(guān)系圖

4 總結(jié)和展望

本文提出了一種基于雙芯填充微結(jié)構(gòu)光纖的色散補償結(jié)構(gòu)。應(yīng)用有限元方法可以獲得在該結(jié)構(gòu)的有效折射率和模場分布。通過填充不同層和空氣孔的大小得到雙芯光子晶體光纖的色散特性。發(fā)現(xiàn)在填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的第二、三、四層特定的耦合波長內(nèi)的色散值為-3 800ps/（nm·km）、-4 000ps/（nm·km）、-4 500ps/（nm·km）實現(xiàn)色散補償，從此得出雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的層數(shù)越多，所對應(yīng)負色散值就會越大從而達到通信中的色散幾乎沒有。同時相位匹配波長也可以調(diào)整幾何形狀的MOFs。本文還演示了所提出的器件的可調(diào)諧性能。本文的研究結(jié)果為調(diào)節(jié)色散特性提供了一種新的途徑，從而為進一步研制相應(yīng)的光纖器件提高了理論依據(jù)；同時該光纖采用了復(fù)合格點結(jié)構(gòu)，且采用的空氣孔尺寸均大于lum，這既給我們提供了較多的設(shè)計自由度，又減少了實際制作的困難。因此，我們設(shè)計的這種光子晶體光纖既有利于實際的制作，又可以用作波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中的寬帶色散補償光纖，在優(yōu)化產(chǎn)生超連續(xù)光譜和抑制孤子自頻移方面有著重要的應(yīng)用。

雖然雙芯微結(jié)構(gòu)光纖較普通光導(dǎo)纖維設(shè)計更加獨特靈活，但由于其焊接過程中的耗損嚴重，因此其在實用性、高效性等方面仍有待加強，針對此問題，建議放棄傳統(tǒng)透鏡組耦合的方式，而是考慮將微結(jié)構(gòu)光纖焊接在系統(tǒng)中，并將其拉長以提高效率。此外，還可以考慮將微結(jié)構(gòu)光纖的層數(shù)變多，實現(xiàn)“多芯”，便可用于放大器、光通信等系統(tǒng)中[2]。