全固態(tài)鹵化銀光子晶體光纖傳輸特性研究

孫 虎,李 穩(wěn),陸云清,陸 懿，陳 陶

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)

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·光纖及光通訊技術(shù)·

全固態(tài)鹵化銀光子晶體光纖傳輸特性研究

孫 虎,李 穩(wěn),陸云清,陸 懿，陳 陶

(南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)

設(shè)計了一種全固態(tài)六角晶格鹵化銀光子晶體光纖,光纖由AgBr基底和AgCl低折射率介質(zhì)柱構(gòu)成。運(yùn)用全矢量有限元法研究了光子晶體光纖包層層數(shù)、占空比和晶格常數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對光纖有效折射率、損耗以及色散等傳輸特性的影響。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化,當(dāng)包層層數(shù)為6,占空比為0.455,晶格常數(shù)為110 μm時,鹵化銀光子晶體光纖在10.6 μm處的泄露損耗僅為0.0195 dB/km,同時在4～14.5 μm中紅外波段,色散值在0.3～0.7 ps/(nm·km) 之間波動,展示出了極為優(yōu)良的近零超平坦色散特性和低損耗特性。

光子晶體光纖；鹵化銀材料；損耗；色散

1 引 言

隨著中紅外光纖激光器、量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器等中遠(yuǎn)紅外激光光源的不斷發(fā)展[1-3],紅外光纖在生物成像、化學(xué)和生物傳感等領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用,其中紅外光子晶體光纖因其靈活多變的結(jié)構(gòu),以及所具有的無截止單模、模場面積可控、色散可控等傳統(tǒng)光纖難以實(shí)現(xiàn)的特性,正得到越來越多的關(guān)注[4-7]。目前對紅外光子晶體光纖的研究主要集中在氟化物光子晶體光纖、硫化物光子晶體光纖和鹵化物光子晶體光纖等幾類[8],其中,采用鹵化銀材料制備的鹵化銀光子晶體光纖具有柔韌性好、無毒無害、化學(xué)物理性能穩(wěn)定以及不易溶于水等優(yōu)點(diǎn)[9],因而被廣泛用于紅外光譜學(xué)、大功率激光傳輸以及輻射測量等領(lǐng)域[10-12]。鹵化銀材料(AgClxBr(1-x),0≤x≤1,x表示AgCl所占的摩爾分?jǐn)?shù)) 是一種特殊的晶體材料,在3～20 μm中紅外波段具有一個很寬的透明窗口,其折射率會隨著x值的增大逐漸從2.16(AgBr材料折射率,x=0)線性減小到1.98(AgCl材料折射率,x=1),其機(jī)械性能和光學(xué)特性會隨著晶體組成成分的不同而發(fā)生變化[13]。

本文設(shè)計了一種全固態(tài)六角晶格鹵化銀光子晶體光纖,利用全矢量有限元法(FEM)[14]數(shù)值分析了光子晶體光纖的包層層數(shù),占空比和晶格常數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對光纖有效折射率,損耗以及色散等傳輸特性的影響。結(jié)果表明,光子晶體光纖的泄露損耗隨著光纖包層層數(shù)的增加而逐漸減小并趨于不變,隨著晶格常數(shù)和占空比的減小而逐漸增大。同時,光子晶體光纖也展現(xiàn)出優(yōu)良的色散可控特性,可以通過優(yōu)化晶格常數(shù)和占空比獲取特定的色散曲線。當(dāng)光子晶體光纖包層層數(shù)為6,占空比為0.455,晶格常數(shù)為110 μm時,在10.6 μm處的泄露損耗僅為0.0195 dB/km,同時在4～14.5 μm中紅外波段,色散值在0.3～0.7 ps/(nm·km)之間波動,展示出了極為優(yōu)良的近零超平坦色散特性和低損耗特性。

2 理論基礎(chǔ)及光纖結(jié)構(gòu)

2.1 理論基礎(chǔ)

光纖損耗的大小直接影響光傳輸距離的遠(yuǎn)近[15],光子晶體光纖中存在的損耗主要有吸收損耗、散射損耗和泄露損耗,吸收損耗和散射損耗可以通過控制光纖生產(chǎn)工藝進(jìn)行有效控制,而泄露損耗主要是因為光子晶體光纖包層的有限性導(dǎo)致光纖中的一部分光泄露到光纖包層之外而產(chǎn)生的,泄露損耗是目前導(dǎo)致光子晶體光纖損耗產(chǎn)生的主要原因,光子晶體光纖的泄露損耗可由式(1)計算得到：

(1)

其中,c和λ為光在真空中的速度和波長;neff為光纖基模有效折射率。

色散作為光纖的傳輸特性之一,對光纖中孤子的產(chǎn)生和傳輸,超短脈沖和高效均衡的超連續(xù)譜的產(chǎn)生具有重要的作用[16-18]。光子晶體光纖總色散由材料色散和波導(dǎo)色散組成,本文所討論的全固態(tài)鹵化銀光子晶體光纖由同一種鹵化銀材料制成,其材料色散保持不變,因此只考慮波導(dǎo)色散,光子晶體光纖的波導(dǎo)色散可由式(2)計算得到:

(2)

2.2 光纖結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的全固態(tài)六角晶格鹵化銀光子晶體光纖端面幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示,介質(zhì)柱采用AgCl材料(折射率n1=1.98),d為介質(zhì)柱直徑,基底采用AgBr材料(折射率n2=2.16),a為晶格常數(shù),光子晶體光纖纖芯處被挖去了2層介質(zhì)柱。通過改變光纖包層層數(shù),晶格常數(shù)和占空比等結(jié)構(gòu)參數(shù)來研究光子晶體光纖結(jié)構(gòu)對光子晶體光纖傳輸特性的影響。

圖1 全固態(tài)六角晶格鹵化銀光子晶體光纖端面幾何結(jié)構(gòu)

如圖2所示為光子晶體光纖端面基模模場分布圖,光纖幾乎沒有表面模的產(chǎn)生,光纖結(jié)構(gòu)很好地將絕大部分光強(qiáng)限制在纖芯中,全固態(tài)六角晶格鹵化銀光子晶體光纖展現(xiàn)出良好的傳輸特性。

圖2 光子晶體光纖端面基模模場分布圖

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 損耗特性分析

為了研究光子晶體光纖包層層數(shù)對全固態(tài)六角晶格鹵化銀光子晶體光纖泄露損耗的影響,在入射波長為10.6 μm時,保持晶格常數(shù)a=110 μm和占空比d/a=0.455不變,計算了不同包層層數(shù)時的泄漏損耗。如圖3所示為光子晶體光纖泄露損耗隨包層層數(shù)的變化關(guān)系,隨著包層層數(shù)N從2層增加到4層,泄露損耗呈指數(shù)衰減,當(dāng)N從5層增加到10層時泄露損耗幾乎保持不變并趨向于零。光子晶體光纖泄露損耗的產(chǎn)生是由于少部分光能泄漏到光子晶體光纖包層中,當(dāng)包層層數(shù)較少時,增加包層層數(shù),能有效阻止光纖中光能的泄露,而當(dāng)包層層數(shù)增加到一定層數(shù)時,泄露出來的光能可忽略不計,此時增加包層層數(shù)無助于泄露損耗的減小,因此,在后面的計算中選擇包層層數(shù)為6層。

圖3 a=110 μm,d/a=0.455,光子晶體 光纖泄露損耗隨包層層數(shù)的變化關(guān)系

如圖4所示為保持光子晶體光纖晶格常數(shù)a=110 μm不變,占空比分別取0.3、0.455和0.6時,光子晶體光纖泄漏損耗隨入射波長的變化關(guān)系,隨著入射波長的增大,光能更容易泄露到光纖包層中,因而泄露損耗隨之增大。這是因為隨著入射波長的增大,光子晶體光纖包層有效折射率將變小,纖芯與包層的折射率差也將變小,光能將更容易泄露出去,進(jìn)而導(dǎo)致泄露損耗變大。對于同一入射波長,光子晶體光纖的泄露損耗隨著占空比的增大而減小,并且當(dāng)占空比d/a=0.6時,在2～18 μm中紅外波段,泄露損耗均在0.02 dB/km以下。隨著光子晶體光纖占空比的增大,AgCl材料介質(zhì)柱直徑將變大,纖芯與包層的折射率差將變大,全內(nèi)反射更容易產(chǎn)生,此時更容易阻止光能的泄漏,因而導(dǎo)致泄露損耗變小。

圖4 a=110 μm,占空比不同,光子晶體 光纖泄漏損耗隨波長的變化關(guān)系

如圖5所示為保持光子晶體光纖占空比d/a=0.455不變,晶格常數(shù)分別取72.6 μm、110 μm和145.2 μm時,光子晶體光纖泄漏損耗隨入射波長的變化關(guān)系。對于同一入射波長,泄露損耗隨著晶格常數(shù)的增大而逐漸變小,同時泄露損耗隨入射波長的變化曲線的變化也將變得更平緩。這是因為當(dāng)光子晶體光纖占空比不變時,減小晶格常數(shù),介質(zhì)柱之間的距離將變小,光能更容易被束縛在纖芯中,因而泄露損耗也將變小。

圖5 d/a=0.455,晶格常數(shù)不同,光子晶體 光纖泄漏損耗隨波長的變化關(guān)系

3.2 色散特性分析

如圖6所示為保持光子晶體光纖占空比d/a=0.455不變,晶格常數(shù)分別為72.6 μm、110 μm和145.2 μm時,光子晶體光纖有效折射率隨入射波長的變化關(guān)系。有效折射率隨著入射波長的增大而逐漸減小,這表明隨著入射波長的增大,光子晶體光纖介質(zhì)柱對有效折射率的影響將越來越大。對于同一入射波長,保持光子晶體光纖的占空比不變,有效折射率隨著晶格常數(shù)的減小而減小,這是因為當(dāng)占空比一定時,隨著晶格常數(shù)的減小,將導(dǎo)致AgCl材料介質(zhì)柱中的光強(qiáng)得到加強(qiáng),因而有效折射率也將越來越接近介質(zhì)柱的折射率。

圖6 d/a=0.455,晶格常數(shù)不同,有效折射率隨波長的變化關(guān)系

如圖7所示為保持光子晶體光纖占空比d/a=0.455不變,晶格常數(shù)分別為72.6 μm、110 μm和121 μm時,光子晶體光纖波導(dǎo)色散隨入射波長的變化關(guān)系。當(dāng)晶格常數(shù)為110 μm時,在4～14.5 μm中紅外波段,光子晶體光纖波導(dǎo)色散值在0～1.1 ps/(nm·km)之間波動,展現(xiàn)出了較好的近零超平坦色散特性。

圖7 d/a=0.455,晶格常數(shù)不同,波導(dǎo)色散隨波長的變化關(guān)系

如圖8所示為保持光子晶體光纖的晶格常數(shù)a=110 μm不變,占空比d/a分別為0.3、0.455和0.8時,光子晶體光纖有效折射率隨入射波長的變化關(guān)系。在同一波長處,有效折射率隨著占空比的增大而逐漸減小,這是因為光子晶體光纖晶格常數(shù)保持不變時,占空比越大,AgCl材料介質(zhì)柱的直徑也就越大,對有效折射率的影響也就越大。

圖8 a=110 μm,占空比不同,有效折射率隨波長的變化關(guān)系

如圖9所示為保持光子晶體光纖晶格常數(shù)a=110 μm不變,占空比分別取0.3、0.455和0.6時,光子晶體光纖波導(dǎo)色散隨波長的變化關(guān)系。隨著占空比的減小,色散曲線變得更加平坦,在4.5～12 μm波段,色散值隨著波長的增大而增大,在12～14.5 μm波段,色散值隨著波長的減小而減小。當(dāng)光子晶體光纖晶格常數(shù)為110 μm,占空比為0.455時,在4～14.5 μm中紅外波段,光子晶體光纖波導(dǎo)色散值在0.3～0.7 ps/(nm·km)之間波動；占空比為0.3時,在4～14.5 μm的中紅外波段,光子晶體光纖波導(dǎo)色散值在0.25～0.6 ps/(nm·km)之間波動,都展現(xiàn)出了良好的近零超平坦色散特性。

圖9 a=110 μm,占空比不同,波導(dǎo)色散隨波長的變化關(guān)系

4 結(jié) 論

采用全矢量有限元法對全固態(tài)六角晶格鹵化銀光子晶體光纖的傳輸特性進(jìn)行了數(shù)值分析,研究了光子晶體光纖的包層層數(shù),占空比和晶格常數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對光纖有效折射率,損耗以及色散等特性的影響。結(jié)果表明,光子晶體光纖的泄露損耗隨著光纖包層層數(shù)的增加而逐漸減小,當(dāng)包層層數(shù)超過5層時,光纖泄露損耗趨于零保持不變；光子晶體光纖的泄露損耗隨著晶格常數(shù)和占空比的減小而逐漸變大。同時,光子晶體光纖也展現(xiàn)出優(yōu)良的色散可控特性,選擇合適的晶格常數(shù)和占空比可獲取特定的色散值和色散曲線。通過優(yōu)化獲得了在4～14.5 μm中紅外波段近零超平坦色散的低損耗全固態(tài)鹵化銀光子晶體光纖,該光纖包層層數(shù)為6,占空比為0.455,晶格常數(shù)為110 μm,在10.6 μm處的泄露損耗僅為0.0195 dB/km,同時在4～14.5 μm中紅外波段,色散值在0.3～0.7 ps/(nm·km)之間波動。這一結(jié)果為鹵化銀光子晶體光纖的設(shè)計和制作提供了重要的理論依據(jù),同時,全固態(tài)鹵化銀光子晶體光纖在激光功率傳輸、紅外輻射測量和紅外光譜等相關(guān)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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Study on transmission characteristics of all solid silver halide photonic crystal fibers

SUN Hu,LI Wen,LU Yun-qing,LU Yi，CHEN Tao

(College of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

All-solid silver halide photonic crystal fibers(PCFs) are designed,which are composed of two silver halide crystalline materials.The core consists of pure AgBr and the cladding includes AgCl fiber optic elements arranged in hexagonal rings around the core.The influence of structure parameters such as the number of the cladding layer,the lattice constant and the duty cycle on the transmission characteristics such as the loss and dispersion properties of PCFs is analyzed with the full-vector finite element method(FEM).When the number of the cladding layer is 6,the duty cycle is 0.455 and the lattice constant is 110 μm,the leakage loss of the PCFs is only 0.0195 dB/km at 10.6 μm,and fiber dispersion uctuates between 0.3 ps/(nm·km) and 0.7 ps/(nm·km) in the 4-14.5 μm middle infrared band.A very good near zero ultra-flattened dispersion and low loss characteristics are demonstrated.

photonic crystal fiber,silver halide materials,loss,dispersion

1001-5078(2015)06-0697-05

國家自然科學(xué)基金項目資助(No.61275067)；江蘇省自然科學(xué)基金項目資助(No.BK2012830,BK20131383)； 南京郵電大學(xué)基金項目資助(No.NY211060,NY213028,NY212008)；江蘇省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金項目(No.BC2014138)資助。

孫 虎 (1989-)，男，碩士研究生，主要從事光纖通信和光波技術(shù)研究工作。

2014-10-17;

2014-12-26

TN253

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.020