高双折射单模单偏振太赫兹光子晶体光纤设计

蒋文丽,郑义

(北京交通大学理学院激光所,北京 100044)



高双折射单模单偏振太赫兹光子晶体光纤设计

蒋文丽,郑义

(北京交通大学理学院激光所,北京 100044)

摘要:利用全矢量有限元法设计了一种非对称三角晶格SPSM-TPCF(单模单偏振太赫兹光子晶体光纤),该光纤具有高双折射、宽带宽、低平坦色散和SPSM传输等特性。分析结果得出,在330μm处,双折射高达0.036 5,拍长为9.04 mm;x和y偏振模的限制损耗分别为48.01和0.008 13 dB/m;y偏振模的有效模场面积为7 557μm2,数值孔径为0.56。在波长326.5～ 359μm范围内实现SPSM传输,且y偏振模损耗始终低于0.1 d B/m;该光纤呈现低平坦色散特性,色散值仅为(-2.14± 0.45)ps/(nm·km)。

关键词:太赫兹光子晶体光纤;双折射;单模单偏振;色散;有限元法

0　引 言

THz(太赫兹)波是一种位于特殊波段的电磁波,频率在0.1～10 THz之间,在医学成像、无损检测、国防安全和空间通信[1]等众多领域均有着广泛应用。目前,国内外对SPSM(单模单偏振)PCF(光子晶体光纤)的研究多集中在通信波段[2-3]。SPSMPCF能够消除偏振串扰、偏振模色散以及偏振模式耦合对偏振保持特性的限制,从而应用到长距离通信、传感及滤波等各种领域[2-8]。关于TPCF(太赫兹光子晶体光纤)的研究很少,且以往的SPSMTPCF不能同时兼顾双折射、损耗和色散特性。汪静丽等[9]设计了在1.07～1.36 THz范围内的SPSM-PCF,但未考虑其色散与损耗;Hou等[10]设计了一种在1.67～1.8 THz范围内,最低损耗为0.004 dB/m的SPSM-TPCF,但未考虑其色散; Chen等[11]设计了一种中心频率为1 THz、带宽为360 GHz的SPSM-TPCF,但损耗高达0.89 dB/cm。

本文通过在两偏振模中引入偏振相关损耗,使其中一个偏振模呈高损耗状态,从而达到只有一个偏振模能在光纤中传输的目的。设计了一种新型SPSMTPCF,并对该光纤的双折射、拍长、限制损耗、色散、有效模场面积及数值孔径进行了模拟,发现该光纤在THz波段具有宽带宽、高双折射、低色散平坦特性和SPSM传输的特点,能满足实际应用需要。

1　结构设计

高双折射双偏振光纤是实现SPSM光纤的一种有效方式,所以在设计具有SPSM特点的TPCF之前,首先考虑的是如何能够获得较高的模式双折射。本文通过引入两个对称的大圆空气孔和3个非对称的椭圆空气孔来增大光纤的模式双折射。

所设计的SPSM-TPCF结构如图1所示。光纤由四环空气孔按正六角点阵排列组成,中间去掉一个空气孔形成纤芯,相邻两层空气孔间距Λ= 300μm,包层空气孔直径d1=230μm,纤芯附近两个大空气孔直径d2=296μm,大椭圆空气孔的椭圆比ρ1=a1/b1=2.5(长轴a1=250μm),距中心的距离L=75μm,两个小椭圆空气孔的椭圆比ρ2= a2/b2=4(长轴a2=180μm),距中心的距离H=Λ′/2。光纤包层采用吸收损耗比较小的新型聚合物材料Topas COC(环烯烃共聚物),其折射率为1.53,空气孔折射率为1.0。

图1　SPSM-TPCF横截面示意图

图2　电场分布图

2　数值模拟及结果分析

2.1电场分布

图2为入射THz波长为330μm(0.91 THz)时, x和y方向两个正交偏振模的电场分布,图中箭头代表偏振方向。由图可见,x和y方向两个正交偏振模的电场分布皆沿y方向模场延伸,并呈椭圆形,这是因为光纤包层x方向上引入了两个较大的空气孔和3个较小的椭圆空气孔,导致对比两个正交偏振模,x偏振方向上的有效折射率更小;可见x偏振模更容易向包层扩展,即与x偏振模相比,THz波在光纤中传输时,y偏振模限制损耗较小,从而达到SPSM传输的目的。

2.2有效折射率、双折射及拍长

图3为光纤的有效折射率neff、模式双折射B和拍长随入射THz波长的变化关系。由图3(a)可以看出,对应相同入射波长,该SPSM-TPCF y偏振模比x偏振模的neff大,两个正交偏振模之间产生了较大的neff差,从而具有较大的双折射。x和y偏振模的neff随入射波长的增大而减小,入射波长为200～ 360μm时,x方向偏振模nxeff快速降低,由1.41减小为1.28。同时,y方向偏振模nyeff由1.43减小为1.31。双折射随入射波长的增大先增大后减小,当入射波长为325μm(0.92 THz)时,B最大为0.037,比传统偏振保持光纤高两个数量级,并高于文献[9]报道的0.0156 5和文献[7]报道的0.016 4。由图3 (b)可见,随着入射波长的增大,拍长先减小后增大,与B的变化趋势刚好相反,波长为325μm (0.92 THz)时,获得最小拍长为8.3 mm,即双折射达到最大0.037。拍长越短,越有利于降低光纤模式耦合的敏感度,保证传输光的偏振特性。

图3　有效折射率、双折射和拍长随波长的变化

2.3限制损耗及其差值

图4为限制损耗和两正交模损耗差随入射波长的变化关系,二者均采取半对数坐标轴。由图可见, x、y方向偏振模的限制损耗随着入射波长的增大迅速增大,入射波长为280～360μm时,y方向偏振模的限制损耗由5.243×10-5dB/m增大到0.11 dB/m,x方向偏振模的限制损耗由0.017 dB/m增大到203.7 dB/m。在相同波长下,x方向偏振限制损耗明显比y方向大很多,二者的差值随入射波长的增大而呈指数式增长,限制损耗差值由280μm对应的0.017 dB/m增大到360μm对应的203.6 dB/m。入射波长为330μm(0.91 THz) 时,x和y偏振的限制损耗分别为48.01和 0.008 13 dB/m。入射波长为340μm(0.88 THz) 时,x和y偏振的限制损耗分别为116.9和0.02 dB/m。相比y偏振模,x偏振模能够在很短距离内被衰减掉,从而实现SPSM传输。根据SPSM带宽定义,即一个偏振模衰减至少为30 dB/m,而与其垂直的偏振模衰减小于0.1 dB/m[10],该SPSMTPCF能够在326.5～359μm共32.5μm带宽范围内实现SPSM传输,且y偏振限制损耗始终低于0.1 dB/m。

2.4色散、有效模场面积及数值孔径

图5为TPCF的波导色散、有效模场面积和数值孔径NA随波长的变化关系。由图5(a)可见,波导色散随入射波长的增大而减小,且在整个波长范围内非常平坦;280μm波长处的波导色散值为-0.679 ps/(km·nm),360μm波长处波导色散为-2.595 ps/(km·nm),具有较低且平坦色散的特性,其色散平坦度为1.916 ps/(km·nm),该特性在通信系统中应用非常广泛。

图4　限制损耗及其差值随波长的变化关系

光纤的有效模场面积与光纤的非线性系数、弯曲损耗等密切相关,是表征光纤性能的重要参数。由图5(b)可见,有效模场面积随入射波长的增大而增大,当波长从200μm增大到360μm时,有效模场面积从3.914×104μm2增大到9.403×104μm2。由图5(c)可见,光纤的NA随入射波长的增大先增大后减小,在320μm波长处达到最大为0.56。

3　结束语

本文提出的非对称三角晶格TPCF具有高双折射、低平坦色散和SPSM传输特性。入射THz波长在326.5～359μm范围内时,y偏振模损耗始终<0.1 dB/m。入射波长为330μm(0.91 THz) 时,该光纤双折射达到最大,为0.036 5,拍长为9.04 mm;x偏振模限制损耗高达48.01 d B/m,y偏振模限制损耗仅为0.008 13 d B/m。入射T Hz波长为340μm(0.88 THz)时,x和y偏振模限制损耗分别为116.9和0.02 dB/m,与y偏振模的限制损耗相比,x偏振模仅能在光纤中传输很短距离,即被衰减掉,进而只有y方向的偏振模能够远程传输,y偏振模的NA为0.56,有效模场面积为7 557μm2,同时具备低色散平坦特性,对今后SPSM-TPCF的设计具有很大的借鉴意义。

参考文献:

[1] Cook D J,Decker B K,Allen M G.Quantitative THz spectroscopy of explosive materials[C]//Optical Terahertz Science and Technology.Orlando,USA:OSA, 2005:MA6.

[2] Li Hui,Li Shuguang,Li Jianshe,et al.Broadband single-polarization single-mode photonic crystal fibers with three different background materials[J].Appl Opt,2015,54(10):2851-2856.

[3] 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):35-41.

[4] Yang Tianyu,Wang Erlei,Jiang Haiming,et al. High birefringence photonic crystal fiber with high nonlinearity and low confinement loss[J].Opt Express, 2015,23(7):8329-8337.

[5] 周弋,陈鹤鸣.复式晶格红外光子晶体光纤的设计与性能分析[J].光通信研究,2015,(2):43-46.

[6] Lu Dunke,Zhang Xuedian,Chang Min,et al.Singlepolarization single-mode photonic crystal fibers with rectangular-lattice and elliptical-hole arranged perpendicular to each other[J].Optik,2013,124(17): 3026-3028.

[7] 汪静丽,姚建铨,陈鹤鸣,等.高双折射的混合格子太赫兹光子晶体光纤的设计与研究[J].物理学报, 2011,60(10):104219.

[8] Li Shaopeng,Liu Hongjun,Huang Nan,et al.Broadband high birefringence and low dispersion terahertz photonic crystal fibe[J].J Opt,2014,16(10): 105102.

[9] 汪静丽,陈鹤鸣.菱形空气孔的单一偏振单模太赫兹光子晶体光纤[J].光学学报,2014,(9):60-64.

[10]张亚妮.单偏振单模微结构聚合物光纤理论设计[J].光子学报,2008,37(9):1800-1804.

Design of High Birefringence Single-Polarization Single-Mode Terahertz Photonic Crystal Fibers

JIANG Wen-li,ZHENG Yi (Institute of Laser,School of Science,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Abstract:An asymmetric triangular lattice-based Single Polarization Single Mode Terahertz Photonic Crystal Fiber(SPSMTPCF)is designed by using the full-vector Finite Element Method(FEM),which is characteristic of high birefringence,wide bandwidth and low-flat dispersion.The analytical results show that its birefringence is as high as 0.036 5 at the wavelength of 330μm,the beat length is 9.04 mm and the confinement losses of the x-and y-polarization modes are 48.01 dB/m and 0.008 13 dB/m respectively.In addition,the effective mode field area of the y-polarization is 7 557μm2,the numerical aperture is 0.56,the SPSM transmission is realized in the wavelength range of 326.5～359μm,in which the confinement loss of the y-polarization mode is always below 0.1 dB/m and this fiber is dispersion-flattened,with the dispersion value as low as (-2.14±0.45)ps/(nm·km).

Key words:TPCF;birefringence;SPSM;dispersion;FEM

中图分类号:TN818

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0022-03

收稿日期:2015-08-25

基金项目:国家“九七三”计划资助项目(2010CB327604);北京市自然科学基金资助项目(4092032)

作者简介:蒋文丽(1990-),女,山东烟台人。硕士研究生,主要研究方向为太赫兹源与功能器件。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.007