一種新型側(cè)漏型光子晶體光纖的研制及其傳輸特性研究*

婁淑琴 王鑫 鹿文亮

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100044)

1 引言

自從1996年Knight等[1]首次研制出光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)以來(lái),PCF以其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及獨(dú)特的傳輸特性引起了特種光纖開(kāi)發(fā)人員的廣泛關(guān)注,各種新穎特性的PCF和PCF基器件的開(kāi)發(fā)及其在光通信、光傳感及光器件研究領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了很大的進(jìn)展[2-13],推動(dòng)了PCF結(jié)構(gòu)創(chuàng)新進(jìn)一步向更寬的領(lǐng)域發(fā)展.

高雙折射PCF在高性能光纖激光器、光通信和光傳感系統(tǒng)中展示出重要的應(yīng)用價(jià)值[9,14-22],成為當(dāng)今特種光纖領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn).一般三角格子PCF具有六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,在理論上其基模是簡(jiǎn)并的[23],因此要獲得高雙折射,須打破其六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性[23].通過(guò)在纖芯中引入非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、在包層中采用不同尺寸和形狀的空氣孔、向部分空氣孔中填充液體以及采用空氣孔新的排布模式等諸多新結(jié)構(gòu),出現(xiàn)了多種新型高雙折射PCF研究報(bào)道[11-25].這些近年來(lái)出現(xiàn)的高雙折射PCF,通常采用小空氣孔距(約為2μm)結(jié)構(gòu)來(lái)獲得高的雙折射,模場(chǎng)面積小,與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖器件直接連接適配性差,直接限制了其在光通信和光傳感系統(tǒng)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用.另一方面,針對(duì)各種新器件如偏振穩(wěn)定的光纖激光器、放大器、新型光傳感器件的研制需求,出現(xiàn)了具有摻雜芯雙折射PCF,纖芯折射率的提高,增大了芯包間折射率差,單模傳輸特性受到影響.因此,如何獲得與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖適配性好的摻雜芯單模高雙折射PCF,是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題.

本文針對(duì)高雙折射PCF在光通信和光傳感系統(tǒng)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求,提出并研制出一種具有側(cè)向泄露通道和橢圓摻鍺芯的側(cè)漏型PCF.該結(jié)構(gòu)有效地增大了高階模式的泄漏損耗,不僅可以實(shí)現(xiàn)單模傳輸,還大大改善了光纖的雙折射特性.同時(shí),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用較大尺寸的結(jié)構(gòu)參數(shù),有效地提高了模場(chǎng)面積,與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖具有良好的適配性.基于所研制側(cè)漏型PCF光纖構(gòu)建了Sagnac干涉儀,對(duì)光纖的群雙折射進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量評(píng)估,其群雙折射實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析結(jié)果符合很好.由于側(cè)向泄露通道的引入,增大了該種側(cè)漏型PCF對(duì)外界參量的敏感性,使其在扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓力等參量的光纖傳感和高性能光纖器件構(gòu)建等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.

2 光纖結(jié)構(gòu)與理論基礎(chǔ)

面向應(yīng)用的需求,本文在光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),纖芯采用橢圓形的摻鍺芯,如圖1(a)所示.橢圓形摻鍺芯的引入,除對(duì)傳輸光形成有效的約束外,同時(shí)利用橢圓結(jié)構(gòu)的幾何雙折射可有助于改善光纖的雙折射特性.纖芯摻鍺使纖芯的折射率升高,影響光纖的單模運(yùn)轉(zhuǎn).為保證光纖單模運(yùn)轉(zhuǎn),在橢圓纖芯長(zhǎng)軸方向的兩側(cè)空氣孔用石英棒代替,形成如圖1(b)所示側(cè)向泄露通道.側(cè)向泄露通道的引入,一方面可增大高階模式的泄漏損耗,有助于光纖單模傳輸特性的實(shí)現(xiàn);另一方面可改善光纖的雙折射特性,同時(shí)增大光纖對(duì)外界參量的敏感性,開(kāi)拓側(cè)漏型PCF(side-leakage PCF,SLPCF)在光纖器件及光纖傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用.新型側(cè)漏型PCF的光纖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示.PCF傳統(tǒng)的三角格子結(jié)構(gòu),具有六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,基模簡(jiǎn)并.實(shí)現(xiàn)高的模式雙折射就需要打破這種結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,降低結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性.

圖1 基于三角格子結(jié)構(gòu)的側(cè)漏型PCF設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 (a)纖芯引入橢圓形摻鍺芯;(b)纖芯兩側(cè)石英棒代替空氣孔形成側(cè)向泄露通道;(c)側(cè)漏型PCF設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

為提高與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的適配性,光纖中空氣孔間距值取8.06μm,橢圓摻鍺芯子直徑4μm×2.88μm,基底石英的折射率約為1.444,摻鍺芯與基底材料的折射率差為0.3.%,空氣孔直徑為5.48μm,光纖直徑為125μm.應(yīng)用結(jié)構(gòu)重構(gòu)全矢量有限元數(shù)值分析法,結(jié)合完美匹配層邊界條件,通過(guò)求解對(duì)應(yīng)模式的傳輸常數(shù)β和模場(chǎng)分布,對(duì)光纖的傳輸特性進(jìn)行研究.

模式雙折射和群雙折射是描述光纖偏振特性的兩個(gè)重要參數(shù).模式的雙折射程度B定義為

其中,βx和βy為 x偏振基模和 y偏振基模的傳輸常數(shù),k0為真空中的波數(shù),nxeff=βx/k0和nyeff=βy/k0分別為x偏振基模和y偏振基模的有效折射率.

群雙折射G定義為

各有效模式對(duì)應(yīng)的等效模場(chǎng)面積Aeff由下式可得:

式中E是電場(chǎng)矢量,S代表整個(gè)光纖橫截面.

模場(chǎng)半徑ωeff本身也是光纖分析中一個(gè)非常重要的參量,對(duì)研究光纖間的耦合、接續(xù)、彎曲損耗及非線性效應(yīng)等有非常重要的意義.在光纖中基模的模場(chǎng)分布為類高斯型的情況下,模場(chǎng)半徑可以由關(guān)系式Aeff=πω2eff求得.當(dāng)光纖直接與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖接續(xù)時(shí),由兩個(gè)接續(xù)光纖中的模場(chǎng)面積的失配引入的接續(xù)損耗αsplice可由下式進(jìn)行估算:

式中,ω1和ωeff分別為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和側(cè)漏型PCF中基模的模場(chǎng)半徑.

3 研制光纖與數(shù)值模擬

利用管棒堆積法,依照側(cè)漏型PCF的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),成功研制出了滿足設(shè)計(jì)要求的側(cè)漏型PCF,研制出的側(cè)漏型PCF樣品的截面數(shù)字顯微圖如圖2(a)所示.側(cè)漏型PCF的纖芯采用橢圓摻鍺芯,其折射率高于背景材料純石英的折射率,對(duì)傳輸光具有較強(qiáng)的限制作用,因此在采集的顯微圖中,纖芯中的傳輸光強(qiáng)明顯高于背景材料中的光強(qiáng).圖2(a)中纖芯的白色橢圓區(qū)對(duì)應(yīng)橢圓摻鍺芯,黑色的圓形區(qū)對(duì)應(yīng)光纖包層中的空氣孔.對(duì)于實(shí)際研制出的側(cè)漏型PCF的特性分析,使用我們先前提出的結(jié)構(gòu)重構(gòu)全矢量有限元數(shù)值分析法進(jìn)行[26].具體的做法是根據(jù)其橫截面顯微圖,采用數(shù)字圖像處理技術(shù),進(jìn)行識(shí)別、提取和結(jié)構(gòu)重建,進(jìn)而結(jié)合完美匹配層邊界條件應(yīng)用全矢量有限元法可求解對(duì)應(yīng)模式的傳輸常數(shù)β和模場(chǎng)分布,最后獲得實(shí)際光纖的特性.

實(shí)際研制出的側(cè)漏型PCF樣品的橫截面結(jié)構(gòu)重建圖如圖2(b)所示.對(duì)比圖2(a)和(b),可以看出重建結(jié)構(gòu)真實(shí)地反映了側(cè)漏型PCF樣品的實(shí)際結(jié)構(gòu).根據(jù)側(cè)漏型PCF的實(shí)際折射率分布,分別設(shè)置橢圓摻鍺芯子、空氣孔區(qū)域及包層背景區(qū)域的折射率,利用結(jié)構(gòu)重構(gòu)全矢量有限元數(shù)值分析法即可數(shù)值分析設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的及研制樣品結(jié)構(gòu)的側(cè)漏型PCF光纖特性[27,28].

圖2 側(cè)漏型PCF橫截面圖 (a)研制樣品的橫截面顯微圖;(b)截面結(jié)構(gòu)重構(gòu)圖

圖3為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及實(shí)際結(jié)構(gòu)的側(cè)漏型PCF的雙折射及模場(chǎng)面積隨波長(zhǎng)的變化情況.從圖3中可以看出,側(cè)漏型PCF的雙折射和模場(chǎng)面積隨波長(zhǎng)逐漸增加.這是因?yàn)楫?dāng)波長(zhǎng)增大時(shí),模場(chǎng)向包層擴(kuò)展,由于側(cè)漏通道的存在,使模式雙折射進(jìn)一步增加,同時(shí)模場(chǎng)面積也隨之增大.而設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和實(shí)際研制出的側(cè)漏型PCF,在雙折射及模場(chǎng)面積數(shù)值方面具有一定的偏差,側(cè)漏型PCF樣品的雙折射比設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高,模場(chǎng)面積比設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的小.造成這一現(xiàn)象主要由兩方面原因造成:一是在光纖拉制的高溫條件下,摻鍺芯中鍺元素的非均勻擴(kuò)散,導(dǎo)致橢圓摻鍺芯子偏離完美橢圓;二是在光纖制作過(guò)程中由于抽充氣裝置控制精度的限制,使得側(cè)漏型PCF樣品包層區(qū)中的空氣孔產(chǎn)生了一定的形變.如圖3(c)所示,橢圓摻鍺芯子兩側(cè)空氣孔尺寸的增大導(dǎo)致對(duì)光纖短軸方向模場(chǎng)的壓縮作用增強(qiáng),從而使側(cè)漏型PCF樣品雙折射提高,同時(shí)在一定程度上也減小光纖的模場(chǎng)面積.側(cè)漏型PCF樣品在1550 nm波長(zhǎng)處的模式雙折射Bn為0.837×10-4,群雙折射Gn為1.5077×10-4,基模模場(chǎng)面積約為69.5μm2,當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖直接接續(xù)時(shí),由模場(chǎng)失配帶來(lái)的接續(xù)損耗約為0.03 dB.從上述分析結(jié)果可以看出,側(cè)漏型PCF樣品在拉制過(guò)程中,由于空氣孔的形變導(dǎo)致實(shí)際光纖在雙折射及模場(chǎng)面積特性與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在一定的偏差,但實(shí)際光纖的雙折射比設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的雙折射要高,保持了良好的雙折射特性,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)需求.雖然實(shí)際研制光纖的基模模場(chǎng)面積比設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的要小,但減小的幅度不大,在1550 nm波長(zhǎng)處基模模場(chǎng)面積仍然可達(dá)69.5μm2,當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖直接接續(xù)時(shí),由模場(chǎng)失配帶來(lái)的接續(xù)損耗低,實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的良好適配.

圖3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及實(shí)際結(jié)構(gòu)側(cè)漏型PCF的雙折射及模場(chǎng)面積(a)雙折射對(duì)比圖;(b)基模場(chǎng)面積對(duì)比圖;(c)結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

4 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量結(jié)果

光纖的群雙折射是側(cè)漏型PCF的一個(gè)重要參量.本文構(gòu)建了基于側(cè)漏型PCF的Sagnac干涉儀的實(shí)驗(yàn)裝置,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)Sagnac干涉儀傳輸譜的波谷波長(zhǎng)間隔的測(cè)量來(lái)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)光纖樣品的群雙折射.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示,Sagnac干涉儀是通過(guò)將一段側(cè)漏型PCF與3 dB光耦合器一側(cè)的兩個(gè)端口進(jìn)行熔接構(gòu)成的.Sagnac干涉儀的輸入光由超連續(xù)譜光源(superk compact,Koheras A/S)提供,從耦合器的一端輸入.Sagnac干涉儀的輸出信號(hào)從耦合器的另一端輸出,由光譜分析儀(optical spectrum analyzer,OSA,Yokogawa AQ6375)記錄顯示干涉儀的輸出傳輸譜.

圖4 側(cè)漏型PCF Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖

由于側(cè)漏型PCF的雙折射特性,Sagnac環(huán)中順時(shí)針傳輸和逆時(shí)針傳輸?shù)膬墒庀鄬?duì)相位差ψ=lΔβ,其中l(wèi)為側(cè)漏型PCF的長(zhǎng)度,Δβ為側(cè)漏型PCF的基模的兩個(gè)偏振態(tài)的傳輸常數(shù)差.Sagnac環(huán)的輸出傳輸譜T可以近視表示為一個(gè)周期函數(shù)[29]:

Sagnac干涉儀輸出傳輸譜兩波谷(或波峰)間相位差為2π,設(shè)兩個(gè)相鄰波谷(或波峰)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)分別為λ1和λ2,且λ1＜λ2,則有

其中Δλ為兩個(gè)波谷(或波峰)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差,即Sagnac干涉儀的光譜寬度S.

將Δβ(λ1+Δλ)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),忽略高階項(xiàng),并利用(2)式可推得Sagnac干涉環(huán)中側(cè)漏型PCF的群雙折射為

其中λ為干涉儀的中心波長(zhǎng).

因此通過(guò)監(jiān)測(cè)Sagnac干涉儀輸出傳輸譜兩波谷間的波長(zhǎng)間隔Δλ,即可得到干涉環(huán)中光纖的群雙折射.圖5所示為使用長(zhǎng)度分別為10.5,14.85,34和70.4 cm的研制側(cè)漏型PCF所搭建Sagnac干涉儀的輸出傳輸譜.從圖5可以看出,隨著所用側(cè)漏型PCF光纖長(zhǎng)度的增加,Sagnac干涉儀傳輸譜兩波峰或波谷間的波長(zhǎng)間隔Δλ減小.

由于側(cè)漏通道的泄露作用及光纖涂覆層的高吸收作用,側(cè)漏型PCF的二階模具有比較高的泄漏損耗,Sagnac干涉儀輸出傳輸譜主要是由基模偏振態(tài)光干涉形成的,但二階模要損耗掉仍需要一定的光纖長(zhǎng)度,在Sagnac環(huán)長(zhǎng)較短時(shí)輸出傳輸譜含有二階模干涉的成分.如圖5所示,當(dāng)側(cè)漏型PCF長(zhǎng)度較短如為10.5 cm時(shí),二階模沒(méi)有被完全損耗掉,所以在Sagnac干涉儀傳輸譜中出現(xiàn)了由基模和二階模耦合形成的局部干涉條紋,但是強(qiáng)度較弱.當(dāng)側(cè)漏型PCF長(zhǎng)度達(dá)到14.85 cm以上,二階模損耗增大使其不能作為側(cè)漏型PCF中的有效傳輸模式,由基模和二階模耦合形成的局部干涉條紋消失,只存在由基模偏振態(tài)干涉形成的Sagnac干涉條紋.這在一定程度上驗(yàn)證了所研制的側(cè)漏型PCF單模傳輸特性.

通過(guò)測(cè)量光纖Sagnac干涉儀輸出傳輸譜相鄰波谷之間的波長(zhǎng)間隔,并利用(7)式得到所研制側(cè)漏型PCF群雙折射的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值Gm,如表1所示.

表1 側(cè)漏型PCF在1550 nm處的群雙折射

圖5 不同側(cè)漏型PCF長(zhǎng)度的Sagnac干涉儀輸出傳輸譜 (a)10.5 cm;(b)14.85 cm;(c)32 cm;(d)70.4 cm

由于在光纖長(zhǎng)度測(cè)量和干涉條紋波長(zhǎng)間隔測(cè)量時(shí)會(huì)存在一定的測(cè)量誤差,Sagnac干涉儀中偏振控制器偏振狀態(tài)控制精度等的影響,基于Sagnac干涉儀的群雙折射實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值Gav與基于其橫截面結(jié)構(gòu)重構(gòu)全矢量有限元數(shù)值分析法得到的計(jì)算值Gn之間應(yīng)存在有一定的差異.對(duì)于本文研制的側(cè)漏型PCF,這一差值僅為6×10-8,顯現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值與結(jié)構(gòu)重構(gòu)全矢量有限元數(shù)值分析法計(jì)算值有較好的一致性.

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以看出,基于側(cè)漏型PCF的Sagnac干涉儀的輸出譜為梳狀譜,易于調(diào)諧,通過(guò)調(diào)整外界參量,如對(duì)側(cè)漏型PCF施加軸向應(yīng)力、彎曲及扭轉(zhuǎn)等,將會(huì)導(dǎo)致其梳狀譜發(fā)生偏移,通過(guò)檢測(cè)其波長(zhǎng)的偏移量,可以測(cè)量外界參量的改變,將在新型光纖傳感器的研制方面具有廣泛的應(yīng)用前景.同時(shí),側(cè)漏型PCF的雙折射特性有助于增強(qiáng)偏振燒孔效應(yīng),抑制摻鉺光纖激光器的模式競(jìng)爭(zhēng),基于側(cè)漏型PCF的Sagnac干涉儀作為可調(diào)諧的濾波器引入到不同腔結(jié)構(gòu)的激光器中,將有利于實(shí)現(xiàn)摻鉺光纖激光器的可調(diào)諧多波長(zhǎng)輸出.

5 結(jié)論

通過(guò)引入橢圓摻鍺芯及側(cè)向泄露通道,本文研制出一種新型側(cè)漏型PCF,不僅實(shí)現(xiàn)了單模傳輸特性,還展現(xiàn)出優(yōu)良的雙折射特性.應(yīng)用結(jié)構(gòu)重構(gòu)全矢量有限元數(shù)值分析法對(duì)設(shè)計(jì)光纖和實(shí)際研制光纖的傳輸特性進(jìn)行了分析,在波長(zhǎng)1550 nm處,光纖的基模模場(chǎng)面積約為69.5μm2,與普通單模光纖直接接續(xù)時(shí),由模場(chǎng)失配引入的接續(xù)損耗約為0.03 dB.與已有報(bào)道的雙折射PCF相比,模場(chǎng)面積得到了大幅度的提高,與標(biāo)準(zhǔn)普通單模光纖的適配性也得到了明顯的提升.并且建立基于所研制側(cè)漏型PCF的Sagnac干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)研制光纖特性進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,當(dāng)側(cè)漏型PCF達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí),在1450-1750 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)單模傳輸,在波長(zhǎng)1550 nm處的光纖群雙折射約為1.508×10-4.測(cè)量結(jié)果的平均值與應(yīng)用全矢量有限元法計(jì)算值有較好的一致性.基于側(cè)漏PCF的Sagnac干涉儀,除了在新型光纖傳感器方面的應(yīng)用前景之外,在可調(diào)諧多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器中也具有很好的應(yīng)用潛力.

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