高双折射光子晶体光纤的特性研究

马 骏，郭淑琴，李 芳，李 旦

(浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310023)

0 引言

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)又被称为多孔光纤或者微结构光纤。根据PCF的导光原理，光子晶体光纤可以分为两种:一种是全内反射光子晶体光纤，主要依赖于全内反射效应导光;一种是光子带隙光子晶体光纤，主要是按照光子带隙效应导光［1］。光子晶体光纤由于其拥有许多独特的性质，自1996年问世以来对这种新型光纤的研究一直受到人们极大的关注。光子晶体光纤较传统光纤最大的优势在于其结构设计的灵活性。折射率导模光子晶体光纤的包层中周期排列着空气孔，通过改变部分周期性空气孔的形状、大小或位置，可以制作出双折射很高的光子晶体光纤。

1 光纤结构

该文设计了一种高双折射PCF，其截面结构如图1所示。

图1 高双折射PCF的横截面图

该光纤仍然采用目前PCF常见的三角格子结构排列空气柱。空气孔层数n=6，三角格子结构空气孔的孔径为d1/Λ=0.85，空气孔间距为Λ=1μm，基底材料折射率为1.45。在纤芯位置，将最内层的6边形空气孔柱全部移除，并用8边形空气孔柱填充。8边形空气孔的小孔直径为d2=0.4μm，大孔直径为 d3=1.1μm，孔间距为 L=0.99μm。由图1可知，该新型结构光纤的包层主要由两部分组成:一部分是用8边形空气孔柱填充而成;另一部分则是由传统的6边形空气孔柱构成。这里通过调节8边形空气孔柱的大孔、小孔直径以及孔间距，来破坏模式的简并，从而获得高双折射。

2 双折射特性

模双折射是描述高双折射PCF的重要参数，一般定义为x偏振基模和y偏振基模的有效折射率之差，即B=。在 Λ =1μm，d1/Λ =0.85，d2=0.4μm，L=0.99μm 时，不同 d3下 PCF 的双折射随波长变化曲线如图 2 所示。在 Λ =1μm，d1/Λ =0.85，d3=1.1μm，L=0.99μm 时，不同 d2下 PCF 的双折射随波长变化曲线如图 3 所示。

由图2可知，d3的尺寸变化，对模式双折射的影响很大。这是由于在8边形空气孔填充柱的x方向上引入了2个大的光纤包层空气孔，从而破坏了芯区的对称性，使得x方向的有效折射率比y轴方向的有效折射率小，从而模场向y方向延伸，呈现出椭圆形状。随着d3的增加，x方向上的有效折射率进一步降低，模式双折射差进一步增大，这种不对称性也随之增强。当波长越长，双折射提高得就越为显著。所以，增大d3可以显著的提高双折射。

从图3中可以发现，d2的尺寸变化，对模式双折射的影响也很大。这也是由于在8边形空气孔填充柱的其它方向上引入了6个小的光纤包层空气孔，从而破坏了芯区的对称性，增强了各向异性来实现高双折射。随着d2的增加，基模双折射增大。当d2的尺寸较小时，由于该结构PCF在y方向上存在着模场泄漏，纤芯的部分能量会流失到包层中，在包层中传输，不再局域在纤芯中，从而影响模式双折射的大小。随着d2尺寸的增大，增强了模场的约束能力，从而模式双折射的值也随之增大。由图2还可进一步知道，在短波长处，改变d2的尺寸，对双折射的提高并不明显。而随着波长越长，对双折射的提高也就越显著。

在 Λ =1μm，d1/Λ =0.85，d2=0.4μm，d3=1.1μm 时，不同 L 下 PCF 的双折射随波长变化曲线如图4 所示。在 Λ =1μm，d2=0.4μm，d3=1.1μm，L=0.98μm 时，不同 d1下 PCF 的双折射随波长变化曲线如图5所示。

由图4表明了，随着L的增加，模式双折射在对应同一波长下反而减小。这是因为8边形空气孔的孔间距增大，对模场的束缚能力减弱，并且对x方向上的有效折射率减少有所缓减。而随着波长的增长，模式双折射在同一L尺寸下逐渐增大。改变L的尺寸大小，在同一波长下，模式双折射无明显变化，这也说明了对8边形空气孔的孔间距进行微弱改变，对模式双折射的影响并不是很大。

图5则给出了d1对模式双折射的影响。在短波长处，d1的尺寸变化对模式双折射影响较小。这是由于双折射的产生主要是靠8边形空气孔柱的包层产生，而6边形空气孔柱由于具有6重对称性，对双折射的产生影响较小，所以改变d1，对模式双折射的改变几乎没有什么影响。而在长波长处，波长越长，双折射在不同d1尺寸下的变化才有较明显的影响。且d1越大，对双折射的提高幅度也越高，这是因为d1越大，对纤芯的约束能力也越强，从而能进一步阻止芯区中的能量从8边形空气孔包层泄漏到6边形空气孔包层中，所以尽量增大d1的尺寸，对模式双折射的提高也具有一定的效果。

3 结束语

本文设计了一种新型结构的高双折射光子晶体光纤，应用全矢量模型，结合有限元法对光纤的特性进行了研究。该光纤结构中在最内层用8边形晶格空气孔柱取代了传统的三角形晶格空气孔柱，并采用3种不同尺寸的空气孔来分析。数值分析结果表明:通过仿真优化，最后选取Λ=1μm，d1/Λ=0.9，d2=0.4μm，d3=1.1μm，L=0.98μm 时，该结构光纤在 λ =1.55μm 处获得 2.2517 ×10－2的双折射，这种结果为高双折射光子晶体光纤的设计与研制提供了一种有效的理论分析方法，具有一定的参考价值。

［1］ 马锡英.光子晶体原理及应用［M］.北京:科学出版社，2010:166－173.

［2］ 陈明阳，张永康.高双折射光子晶体光纤研究进展［J］.半导体光电，2010，31(2):165－169.

［3］ 宋鹏，张璐，胡强高，等.压缩型光子晶体光纤的双折射特性［J］.华中科技大学学报(自然科学报)，2007，35(1):1－4.

［4］ 龙梅，刘子丽.光子晶体光纤及其研究现状［J］.攀枝花学院学报，2010，27(3):9－13.

［5］ 张珊珊，张伟刚，刘卓琳，等.一种高双折射光子晶体光纤及其保偏特性研究［J］.光电子·激光，2011，22(5):685－688.

［6］ 李曙光，邢光龙，周桂耀，等.空气孔正方形排列的低损耗高双折射光子晶体光纤的数值模拟［J］.物理学报，2006，55(1):238－243.