空芯反谐振和光子带隙复合光纤的优化设计

张慧嘉,徐士杰,郭 娜,杨 鹏,庞 璐,宁 鼎

(中国电子科技集团公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

空芯光子带隙光纤(Hollow Core Photonic Bandgap Fiber,HC-PBGF)是一种新型微结构光纤,包层为周期性排列的空气孔结构,中间的纤芯为大空气孔。包层中周期排列的微米级空气孔构成二维光子晶体,产生光子带隙效应,阻碍特定频率的光在包层空气孔中传输。在包层中引入大空气孔,使光子晶体结构形成缺陷,实现将光限制在缺陷即空气纤芯中传输[1-2]。

由于空芯光子带隙光纤特殊的导光机制,在传统单模光纤中起主导作用的瑞利散射和材料吸收对损耗的贡献极低,因此空芯光子带隙光纤损耗的理论极限很低。但现有空芯光子带隙光纤的损耗较大,商用7胞空芯光子带隙光纤在波长1550 nm的损耗一般为20 dB/km左右[3],限制了空芯光子带隙光纤在长距离传输方面的应用。空芯光子带隙光纤的损耗主要包括限制损耗和表面散射损耗。经过光纤结构优化,限制损耗可以降低至以1×10-4dB/km以下,可以忽略[4]。因此在总损耗中,表面散射损耗(Surface Scattering Loss,SSL)占主导地位。通过扩大纤芯直径可以降低散射损耗,所以采用19胞芯的空芯光子带隙光纤比采用7胞芯的空芯光子带隙光纤的损耗要小(在波长1560 nm总损耗可低达1.2 dB/km),但是这个光纤是多模的[5]。

为了在保持低散射损耗的19胞空芯光子带隙光纤结构的同时改进光纤的单模性,2006年美国OFS实验室的科研人员提出了在19胞空芯光子带隙光纤两侧设置侧芯,从而19胞空芯光子带隙光纤中间纤芯里的高阶模耦合到光纤包层中耗散掉,从而改进光纤的单模性[6]。2013年他们成功研制出来了上述光纤,改进了19胞空芯光子带隙光纤光纤的单模性,但是光纤的损耗(7.5 dB/km)比文献[4]中光纤最低损耗1.2 dB/km要高[7]。

2021年,法国Limoges大学Xlim研究所的研究人员提出了空芯反谐振和光子带隙复合光纤的结构,并进行了基模限制损耗和散射损耗因子F,以及最低限制损耗的高阶模的计算[8]。但是他们只根据光纤基模和高阶模的限制损耗大小进行对比,就得出了光纤的单模性,这一点我们认为有可商榷之处。因为对于这种空芯反谐振和光子带隙复合光纤的总损耗中,表面散射损耗占的比重要比限制损耗更大,如他们分析空芯反谐振和kagome复合光纤的单模性一样,通过基模和高阶模的包括限制损耗和表面散射损耗的总损耗大小对比才能得出光纤的单模性[9]。本文通过对各种结构参数空芯反谐振和光子带隙复合光纤基模和高阶模总损耗的计算,优选出了单模性好的光纤结构。

2 空芯反谐振和光子带隙复合光纤单模性和损耗的计算方法

如图1所示为我们设计的光纤结构,包层气孔的间距为4.7 μm,光纤包层有6圈空气孔,包层空气填充率f=94 %,在本文中我们称空芯纤芯中的6个起反谐振作用的空气孔为内包层,内包层外面周期性排布的几圈空气孔为外包层。

图1 空芯反谐振和光子带隙复合光纤的结构

图2(a)为计算的光纤基模模场分布图,图2(b)为计算的光纤高阶模模场分布图。

图2 计算的光纤基模模场图与光纤高阶模模场图

对于光纤的单模性,我们通过比较光纤高阶模和基模的损耗比例,来评估光纤的单模性,空芯反谐振和光子带隙复合光纤的总损耗(Total Loss,TL)由表面散射损耗和限制损耗(Confinement Loss,CL)组成。光纤的限制损耗可由模式折射率的虚部得到[10]:

αcl=40×3.14×106×Im(n)/(ln(10)×λ)

(1)

表面散射损耗的计算公式为[10]:

αssl=η×F

(2)

式中,F为归一化分界面场强,表征在纤芯中传输的模场与空气—石英边界发生交叠的程度;η为修正因子,通过散射损耗的测量值和F因子拟合得到η的经验值,在传输波长为1550 nm时为300。F因子定义为[11]:

(3)

3 内包层气孔归一化内径d/D和内包层气孔壁厚度t对空芯反谐振和光子带隙复合光纤单模性的影响

在传统的空芯反谐振光纤中,包层气孔归一化内径d/D(d为内包层气孔直径,D为光纤空芯纤芯直径)对光纤单模性有重要影响。本文中我们对空芯反谐振和光子带隙复合光纤的内包层气孔归一化内径d/D对光纤单模性的影响进行了研究。

如图3～5所示,我们分别计算了当空芯纤芯中6个反谐振气孔的石英壁厚为t=500 nm时,在波长1550 nm内包层气孔归一化内径d/D从0.1到0.8变化时光纤基模(FM)和第一高阶模(HOM)的限制损耗(CL)、表面散射损耗(SSL)和总损耗(TL)。从图5中可知,当d/D=0.68(图5中竖线的位置)时,光纤阶模总损耗比基模总损耗高2个数量级,光纤可实现很好的单模性,且基模损耗为5.2 dB/km,也能实现一个较低的基模损耗。

图3 波长1550nm时光纤基模和第一高阶模的限制损耗随内包层气孔归一化内径d/D的变化关系

图4 波长1550 nm时光纤基模和第一高阶模的散射损耗随内包层气孔归一化内径d/D的变化关系

图5 波长1550 nm时光纤基模和第一高阶模的总损耗随内包层气孔归一化内径d/D的变化关系

接下来,计算了在d/D=0.68时,波长1550 nm时,调整6个反谐振气孔的石英壁厚分别为t=200 nm、500 nm和1000 nm时,光纤基模(FM)和第一高阶模(HOM)的限制损耗(CL)、表面散射损耗(SSL)和总损耗(TL)的情况,分别如表1～3所示。从表2中可知,当t=500 nm时,光纤单模性和基模损耗为最优。

表1 t=200 nm时基模和第一高阶模损耗对比

表2 t=500 nm时基模和第一高阶模损耗对比

表3 t=1000 nm时基模和高阶模损耗对比

最后,计算了在d/D=0.68,t=500 nm时,在波长1500～1590 nm范围光纤的基模和第一高阶模的总损耗,如图6所示,可知此结构的光纤在波长1500～1590 nm范围内第一高阶模的总损耗远高于基模的总损耗,有良好的单模性和低的总损耗。

图6 在波长1500～1590 nm范围内光纤的基模和第一高阶模的总损耗

4 结 论

本文通过对空芯反谐振和光子带隙复合光纤结构参数优选找到了可同时实现很好的单模性和较低损耗的光纤结构,克服了19胞空芯光子带隙光纤虽然损耗较低,但为多模的缺点,十分适合作为如光纤陀螺所需的低损耗单模光纤。随着空芯反谐振和光子带隙复合光纤制备技术的进步成熟,相信此种光纤将会越来越多的应用于各种用途。