一种宽带低损耗单模单偏振光子晶体光纤

曾维友,陈杰

(湖北汽车工业学院理学院,湖北十堰 442002)



一种宽带低损耗单模单偏振光子晶体光纤

曾维友,陈杰

(湖北汽车工业学院理学院,湖北十堰 442002)

摘要:设计了一种新型结构的宽带低损耗光子晶体光纤,在其内包层引入6个大空气孔和6个椭圆空气孔,并用全矢量有限元法研究了该光纤的模场分布、工作带宽、限制损耗和色散特性。数值计算结果表明,该光纤在1.40～1.73μm波段实现了低损耗SMSP(单模单偏振)特性,只有y偏振模存在,限制损耗小于0.1 dB/km,色散平坦度为3.3 ps/(km·nm)。研究结果对设计新型高性能SMSP光纤具有一定的指导意义。

关键词:光子晶体光纤;单模单偏振;限制损耗;有限元法

0　引 言

SMSP(单模单偏振)光纤只传导一个偏振模式,能有效克服传统保偏光纤存在的偏振串扰、偏振模色散及偏振损耗等问题,改善光器件与传输系统的稳定性,在相干光通信等领域有着非常重要的应用[1-2]。PCF(光子晶体光纤)的双折射可以达到10-2量级,为实现高性能的SMSP光纤提供了基础。K.Saitoh等人[3]设计了一种六角形格子点阵PCF,其低损耗SMSP带宽为120 nm,带宽较小。郑宏军等人[4]提出了一种四排短轴渐减椭圆空气孔阵列的PCF,在较宽的带宽内实现了SMSP运行且色散平坦,但其制作难度较大。谭经文等人[5]设计了一种低损耗的压缩六边形SMSP-PCF,但未分析其色散特性。

本文设计了一种由6个大空气孔和6个椭圆空气孔构成内包层的六角形格子点阵PCF,该光纤SMSP运行带宽达520 nm,其中限制损耗低于0.1 d B/km的带宽为330 nm,实现了宽带低损耗的特性,且在1.45～1.90μm波段色散平坦度为3.3 ps/(km·nm),色散平坦。

1　基本理论与光纤结构

有限元法是分析PCF物理特性的一种较高效的数值方法,结合完美匹配层吸收边界条件,可适用于不同形状空气孔任意排列的PCF计算。有限元法的电磁波方程为

式中,E为电场强度,μr和εr分别为介质的磁导率和相对介电常数,c和ω分别为光在真空中的速度和频率,Ñ为哈密顿算符。利用全矢量有限元法理论,将式(1)离散,得到本征值方程:

式中,[K]和[M]为有限元系数矩阵,{E}为离散的电场本征矢量,neff为有效折射率。数值求解矩阵方程,就可分析出光纤中的电场分布和有效折射率等数据。光纤的模式双折射通常定义为两正交偏振模有效折射率的差值,即

式中,Re表示实部。B值越大,模式双折射度越高。

应用完美匹配层吸收边界条件可以计算出有效折射率的虚部数据,从而得到模式的CL(限制损耗)(单位为dB/km):

式中,Im表示虚部,λ为光在真空中的波长。

PCF的色散D可以根据基模的有效折射率采用曲线拟合的方法计算:

本文设计的PCF的结构如图1所示。在纯SiO2材料上,按六角格子结构均匀排列着圆形空气孔,孔间距为Λ,圆形空气孔的直径d=0.5Λ。内包层用6个大空气孔和6个椭圆空气孔取代,大空气孔直径D=1.3Λ,椭圆空气孔短轴d1=0.35Λ,长轴d2=0.5Λ。数值计算过程中,空气孔的折射率为1,SiO2的折射率由Sellmeier公式得到。

图1　PCF结构图

2　数值模拟和结果分析

2.1模式截止特性

PCF模式的截止常用基于FSM(基空间填充模)的方法来判断[6],该方法先计算无限大包层结构的最大模式折射率nFSM,再计算光纤各个模式的有效折射率,如果模式的有效折射率低于nFSM,则该模式不能被束缚在芯区,由此判断该模式截止。由于设计的光纤引入了形状不同的空气孔,光纤截面由六重对称变为二重对称,空间对称性的改变击破了基模的简并,使其分解为不简并的x偏振模和y偏振模,通过调整结构参数,可以使其中一个偏振模的有效折射率大于nFSM,而另一个小于nFSM,从而实现单模单偏振运转。

图2所示为Λ=2.4μm时x偏振模和y偏振模的基模与FSM的有效折射率随波长的变化关系。从图中可以看出,当波长为λ1、λ2时,基模与FSM的有效折射率最为接近,在这之间为SMSP工作区域,波长为1.34～1.86μm,带宽为520 nm。在1.34μm处,x偏振模和y偏振模的双折射为4.4× 10-3。图3所示为λ=1.55μm时y偏振模的基模模场分布情况。从图中可以看出,y偏振模的模场能量集中在纤芯,使光纤呈现SMSP运行状态。

图2　有效折射率随波长的变化关系

图3　PCF的模场分布

基模有效折射率接近FSM有效折射率时,满足折射率匹配条件,CL将增大。图4所示为基模CL随波长的变化关系。由图可见,CL随波长增大而增大,在1.40～1.73μm之间,x偏振模的CL大于100 d B/km,而y偏振模的CL小于0.1 dB/km,光纤处于低损耗SMSP状态。

图4　基模CL与波长的关系

2.2结构参数对CL的影响

改变PCF孔间距,光纤SMSP运转波段会有所变化。图5和图6分别为孔间距Λ=2.2μm和Λ= 2.6μm时CL与波长的关系。从图中可以看出,光纤低损耗SMSP工作区域随Λ的增大而向长波方向移动,带宽增大。Λ=2.2μm时,低损耗SMSP波段为1.26～1.58μm,带宽为320 n m;Λ=2.6μm时,低损耗SMSP波段为1.48～1.86μm,带宽为380 nm。因此可以通过调整孔间距使光纤的低损耗工作区域位于合适的波段。

图5　Λ=2.2μm时CL与波长的关系

图6　Λ=2.6μm时CL与波长的关系

2.3色散特性

色散是光纤通信系统中的一个重要性能参数,它会导致光脉冲展宽,影响信号传输速率和距离;在谐波获得和超连续谱产生等领域,色散也决定着光纤是否可用;同时,在色散补偿光纤和光纤激光器等方面,色散也起着决定作用,因此PCF的色散控制十分重要。

图7所示为Λ取不同值时光纤的色散特性。从图中可以看出,当Λ增大时,色散增大,最大色散波长也增大,在最大色散波长附近,色散变化较小;当Λ=2.4μm时,在1.45～1.90μm波段,色散变化范围为3.3 ps/(km·nm),色散平坦。Λ变化时,色散平坦区域发生变化,因此可以通过调整Λ获得不同的色散特性以满足不同应用的需要。

图7　不同孔间距Λ时的色散曲线

3　结束语

本文设计了一种新结构的宽带低损耗SMSPPCF,并用有限元法分析了该光纤的模场分布、CL与色散特性。研究表明,当Λ=2.4μm时,在1.40～1.73μm之间,x偏振模的CL大于100 d B/km,而y偏振模的CL小于0.1 dB/km,保证了光纤可靠地SMSP运转;同时,该光纤在1.55μm波段色散平坦,使其在光纤传感、脉冲传输等领域具有广阔应用前景。

参考文献:

[1] Messerly M J,Onstott J R,Mikkelson R C.A broadband single polarization optical fiber[J].J Lightwave Technol,1991,9(7):817-820.

[2] Kubota H,Kawanishi S,Koyanagi S,et al.Absolutely single polarization photonic crystal fiber[J].IEEE Photon Technol Lett,2004,16(1):182-184.

[3] Saitoh K,Koshiba M.Single-polarization single-mode photonic crystal fibers[J].IEEE Photon Technol Lett,2003,15(10):1384-1386.

[4] 郑宏军,吴重庆,王健,等.一种四排短轴渐减椭圆空气孔阵列的单模单偏振光子晶体光纤[J].光学学报, 2011,31(8):0806003.

[5] 谭经文,施伟华.一种压缩六边形单偏振单模光子晶体光纤[J].光通信研究,2013,(4):34-36.

[6] 方宏,娄淑琴,郭铁英,等.一种新结构高双折射光子晶体光纤[J].光学学报,2007,27(2):202-206.

光电器件研究与应用

A Low-Loss Single-Mode Single-Polarization Broadband and Photonic Crystal Fiber

ZENG Wei-you,CHEN Jie (School of Science,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China)

Abstract:A novel structured low-loss broadband Photonic Crystal Fiber(PCF)is proposed,in the inner cladding of which six large air holes and six elliptical air holes are arranged.The fiber properties,such as mode field distribution,working bandwidth,confinement loss and dispersion,are analyzed by using the full-vector Finite Element Method(FEM).The numerical computation results show that this fiber demonstrates the features of low-loss Single-Mode and Single-Polarization(SMSP)at 1.40～1.73μm waveband only when the y-polarization mode exists,the confinement loss is less than 0.1 dB/km and the dispersion flatness is 3.3 ps/(km·nm).The research results have certain instructive significance to the design of novel high performance SMSP-PCF.

Key words:PCF;SMSP;confinement loss;FEM

中图分类号:TN818

文献标志码:A

文章编号:1008-8788(2016)01-0029-03

收稿日期:2015-08-21

基金项目:湖北省教育厅科研基金资助项目(B2013079)

作者简介:曾维友(1975-),男,四川成都人。讲师,硕士,主要研究方向为集成光学、光电子技术与光子晶体等。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.009