新型光子晶体光纤波导设计与分析

刘彩红, 王建强, 张 臻

(1. 漯河食品职业学院 计算机系， 河南 漯河 462300； 2. 东华理工大学 电气工程学院, 江西 南昌 330013; 3. 郑州航空工业管理学院 电子工程学院，河南 郑州 450015)

新型光子晶体光纤波导设计与分析

刘彩红1, 王建强2, 张 臻3

(1. 漯河食品职业学院 计算机系， 河南 漯河 462300； 2. 东华理工大学 电气工程学院, 江西 南昌 330013; 3. 郑州航空工业管理学院 电子工程学院，河南 郑州 450015)

通过增加银颗粒填充、圆形空气孔缺失实现缺陷，设计了模场近似圆形的新型PCF。结构的电场模拟分析得出：设计的结构具有电场局域化特点，出现电场峰值，在太赫兹波段表现较强的分辨率和灵敏度。实验分析得出：随着泵浦密度的增加能观察到很小程度的频谱收缩，结构的Q值达到了0.3 MW/cm，比常见系统提高了一个数量级，结构的改进实现了光子寿命增强，可以提高波导传输能力。色散分析得出，调整不同的结构参数，可以很方便地设计出具有正平坦色散、近零平坦色散、负平坦色散等不同性质的PCF。

光子晶体光纤； 泵浦密度； 平坦色散； 波导传输

1 光子晶体光纤

上世纪末，英国的巴斯大学率先提出了光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)概念[1-3]，通过引入线缺陷实现纤芯的设计，实现了光波的光子带隙效应，或称为改进的全反射(modified total internal reflection， MTIR)效应[4-5]。研究人员依据纤芯不同，PCF被分成了实芯和空芯2类，由于实芯PCF通常缺失的单一空气孔，利用的是改进的全反射效应局域光波传播，故也被称为引导型PCF[6-7]。而空芯PCF，利用的是光子带隙效应局域光波传播，故也被称为带隙型PCF。同样是英国的巴斯大学团队，在本世纪初实现了制作带隙PCF，设计的是蜂窝型结构[8-9]。相比于带隙型PCF，引导型PCF具备可设计色散、超带宽单模传输、高双折射、大非线性等优势，且这类PCF与光子带隙并不直接相关，故其周期性要求并不高，故其制作与设计会更加方便[10-13]。

色散是PCF无法回避的问题，在设计的光通信系统中，光信号的畸变展宽主要就是色散导致[14-16]。色散平坦的PCF是当前研究主要方向之一，色散光纤能够用作理想的传输介质，还能实现光孤子、波分复用系统以及光放大等器件的应用。这样研究的比较有代表性就是哈佛大学团队实现的旋转对称度大于6的新型PCF，也被称为准PCF，其光子带隙方向性非常弱，这就优化了PCF存在着方向性过于灵敏的确定，可以实现不依赖与入射光方向的PCF传播。从目前PCF的发展趋势来看，随着其结构的变化，以及采用气孔、液体、颗粒等方式填充，使得PCF在电学、温度、化学等特性发生变化，进而实现了很多新型的传感器、滤波器、光源的应用与研究[17-18]。基于上述背景，本文通过增加银颗粒填充、圆形空气孔缺失实现缺陷，设计了模场近似圆形的新型PCF。

2 结构设计与色散分析

2.1 结构设计

本文设计的新型PCF结构如图1所示，其中的圆形表述的是空气孔，中心孔缺失实现缺陷进而作为纤芯，与此同时,结构增加了银颗粒的填充实现特性优化。由结构可以看出，设计的PCF模场都将限制在光纤的中心区域，且模场应该会近似成圆形更容易实现模式耦合。

图1 设计的 PCF结构

采用步长为0.4 nm，空间网格为300×300，主区域设计为空芯，银纳米颗粒参数与典型结构一样，完美匹配层(PML)设计为6层，入射波选定为TM波，波长是645 nm。设计PCF的表面的电场出现如图2所示峰值情况。分析计算此时的增强因子达到了105水平。综合分析上述结果的电场局域结果可以看出，设计的结构的在太赫兹波段表现了较强的分辨率和灵敏度，这对于设计结构的应用范围和价值是非常有意义的。

图2 PCF表面电场峰值

2.2 色散分析

PCF的总色散D由材料本身Dm(λ)以及波导产生的色散Dw(λ)构成，表述如下：

D=Dm(λ)+Dw(λ)

(1)

不管是何种PCF，其材料色散应该都相同，可以采用Sellmeier公式系数得到表述如下：

(2)

式中,n为折射率,Ai为对应波长系数,li为离空芯中心距离上光波在真空中速度。

进而材料色散能够表示为

(3)

式中，c为光速。

基于有限元可以得到基模的有效折射率实部Reneff，于是也会得到波导色散能够表述为

(4)

3 实验分析

3.1 实验系统

实验系统如图3所示，用Nd:YAG激光器来泵浦PCF，沿着PCF轴向发射，并通过透镜收集到分光计。

图3 实验系统

3.2 结果分析

图4分析了不同波长的泵浦密度结果的3组实验。从结果可以看出，随着泵浦密度的增加能观察到很小程度的频谱收缩，表现了明显的局域化的现象，在545 nm的可见光范围结构有更好的局域优势。为了进一步明确上述结果，定义Q值为光功率与光损耗的乘积，发现Q值达到了0.3 MW/cm，这比常见系统提高了一个数量级，这说明结构的改进实现光子寿命，可以提高波导传输能力。

3.3 色散分析

图5给出了不同参数比(色散参数d1，与增益颗粒直径Λ对比情况下)的色散与波长关系，从图中可以看出，在光通信的频段结构的色散曲线较为平坦，随着色散直径比的增加，当其大于0.3左右时，色散曲线不再平坦。由此可知，调整不同的结构参数，可以很方便地设计出具有正平坦色散、近零平坦色散、负平坦色散等不同性质的PCF。

图4 不同波长的泵浦密度结果的3组实验

图5 不同参数比的色散与波长关系

4 结论

(1) 本文通过增加银颗粒填充，圆形空气孔缺失实现缺陷，设计了模场近似圆形的新型PCF。结构的电场模拟分析得出：设计的结构具有电场局域化特点，出现电场峰值，在太赫兹波段表现较强的分辨率和灵敏度。

(2) 实验分析得出：随着泵浦密度的增加能观察到很小程度的频谱收缩，结构的Q值达到0.3 MW/cm，比常见系统提高了一个数量级，结构的改进实现了光子寿命增强，可以提高波导传输能力。

(3) 最后色散分析得出调整不同的结构参数，可以很方便地实现具有正平坦色散、近零平坦色散、负平坦色散等不同性质的PCF。

References)

[1] 梁斌明,胡艾青,蒋强,等.光子晶体负折射效应在糖溶液浓度检测中的应用[J].光学精密工程,2014,22(4):877-883.

[2] 潘继环,苏安,蒙成举,等.介质折射率对光子晶体量子阱滤波性能的调制[J].红外与激光工程,2014(3):833-837.

[3] 苏安,蒙成举,高英俊,等.两端对称缺陷对对称结构光子晶体透射谱的影响[J].激光与红外,2014(11):1253-1257.

[4] 张晓栋,秦立彦,陈明清,等.镉离子响应性凝胶光子晶体传感膜的构建[J].物理化学学报,2016,32(12):2976-2982.

[5] 周飞,费宏明,杨毅彪,等.Y型光子晶体偏振光分束器[J].红外与毫米波学报,2014,33(2):154-157,163.

[6] 张静,孙鹏,乜振鸣,等.光子晶体对硝酸钠红外吸收特性的影响[J].光谱学与光谱分析,2016,36(10):3110-3113.

[7] 陶春先,王琦,李业,等.导模共振效应光子晶体滤波器光谱检测稳定性的研究[J].光谱学与光谱分析,2015(5):1173-1176.

[8] 王运锋,宋金璠,唐晓燕,等.NaGd(WO4)2∶Yb3+/Tm3+反蛋白石光子晶体的制备与上转换发光调制研究[J].无机材料学报,2016,31(10):1058-1062.

[9] 李文胜,张琴,付艳华,等.一种基于复式光子晶体的多通道红外滤波器[J].人工晶体学报,2014,43(2):465-468,473.

[10] 谢凌云,肖文波,黄国庆,等.光子晶体增强石墨烯THz吸收[J].物理学报,2014(5):057803-1-057803-5.

[11] 孙渤,赵红东,冯嘉鹏,等.基于平面波展开法的二维立方晶格光子晶体带隙研究[J].人工晶体学报,2014,43(9):2399-2403.

[12] 伊东,肖殷,王世荣,等.聚苯乙烯微球模板法制备反蛋白石型光子晶体水凝胶薄膜[J].功能材料,2014(3):03115-03120.

[13] 赵彦辉,钱琛江,唐静,等.偶极子位置及偏振对激发光子晶体H1微腔的影响[J].物理学报,2016,65(13):134206-1-134206-7.

[14] 黄岩,梁工英,霍格,等.Fe3O4/TiO2核壳结构胶体光子晶体的光学传输特性分析[J].红外与毫米波学报,2015,34(2):150-156.

[15] 李传起,范庆斌,陆叶,等.多信道异质结构光子晶体滤波器[J].光学精密工程,2015,23(8):2171-2177.

[16] 史宗君,唐效频,兰峰,等.太赫兹频段一维介质光子晶体中的史密斯-帕塞尔辐射特性模拟[J].红外与毫米波学报,2014,33(2):183-187.

[17] 赵亚丽,马富花,江波,等.ITO/Ag光子晶体薄膜的制备及性能[J].光学精密工程,2015,23(6):1516-1522.

[18] 兰小波,赵文斌,王梦凡,等.分子印迹光子晶体传感芯片的制备及对邻苯二甲酸酯类化合物的检测[J].分析化学,2015,43(4):471-478.

Design and analysis of novel photonic crystal fiber waveguide

Liu Caihong1, Wang Jianqiang2, Zhang Zhen3

(1.Department of Computer Science, Luohe Vocational College of Food, Luohe 462300，China; 2. School of Electrical Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China 3. School of Electronic Engineering, Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015, China)

The PCF (photonic crystal fiber) is changed in electrical, temperature and chemical properties by filling with pores, liquids, particles, etc. Defects are realized by increasing the filling of the silver particles and the absence of circular air holes, and a novel PCF with approximate circular field is designed. The structural electric-field simulation analysis shows that the designed structure is characterized by electric-field localization, the electric-field peak appears, and the strong resolution and sensitivity are demonstrated in the terahertz band. The experimental analysis indicates that with the increase of pump density, a small degree of the spectral contraction can be observed, and theQvalue of the structure reaches 0.3 MW/cm, which has raised one order of magnitude higher than that of the common system. The structural improvement realizes the enhancement of photon lifetime and can improve the waveguide transmission capability. Finally, the adjusted different structural parameters can be obtained through the dispersion analysis, which can easily achieve the design of PCF with different properties of positive flat dispersion, near zero flat dispersion, negative flat dispersion, etc.

PCF; pump density; flat dispersion; waveguide transmission

TN929.11

A

1002-4956(2017)10-0037-03

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.011

2017-03-22修改日期2017-05-18

河南省高等学校重点科研项目(16A510023);河南省科技攻关计划项目(132102210219，152102210139,172102210080);河南省高校科技创新团队支持计划项目(17IRTSTHN014)

刘彩红(1976—)，女，河南漯河，学士，工程师，主要研究方向为计算机专业网络技术

张臻(1978—)，男(回族)，河南郑州，硕士，副教授，主要研究方向为信息与通信工程.

E-mail：78869626@qq.com