高雙折射高非線性光子晶體光纖的研究

高雙折射高非線性光子晶體光纖的研究

1高雙折射pcf與普通光纖相比，光晶晶菲（pcf）具有無盲點(diǎn)單模傳輸、高折射、高非線性、色散調(diào)整和大模型面積等獨(dú)特性質(zhì)。這是目前的研究熱點(diǎn)，在光緒學(xué)、光學(xué)和非線性光學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。高雙折射光纖在傳感應(yīng)用方面及對線偏振光的偏振保持能力方面有重要的應(yīng)用.傳統(tǒng)高雙折射光纖中,纖芯摻雜有GeO2,在核輻射情況下其傳輸損耗會(huì)增大,核爆耐受力及溫度穩(wěn)定性能低,而高雙折射PCF是由純石英材料制作而成,并可設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)改進(jìn)光纖性能,因此具有傳統(tǒng)高雙折射光纖無法比擬的優(yōu)越性.高雙折射PCF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活,通過在包層中引入大小不一的空氣孔、改變纖芯或者包層空氣孔的形狀,都可以得到性能優(yōu)異的高雙折射PCF.2007年,Yue等通過改變包層空氣孔為橢圓空氣孔獲得了10-2數(shù)量級的高雙折射率以及正常的色散區(qū)域,但其色散并不平坦.2008年,Kudlinski等證明了有兩個(gè)零色散波長的PCF要比有一個(gè)零色散波長的PCF具有更高的功率譜密度,其設(shè)計(jì)的光纖具有兩個(gè)零色散波長,但非線性系數(shù)γ僅為31W-1·km-1,有待提高.2009年,Hu等在纖芯處引入一個(gè)橢圓孔得到了色散平坦的PCF,但其雙折射僅為10-3的數(shù)量級.2010年,張磊等設(shè)計(jì)的納米級結(jié)構(gòu)的PCF,雖獲得了10-2數(shù)量級的高雙折射PCF,但只有一個(gè)零色散波長.2011年,Liang等在纖芯處引入一排橢圓空氣孔,該結(jié)構(gòu)雖然獲得了2.18×10-3的雙折射率,但是其雙折射和非線性系數(shù)還需進(jìn)一步提高.本文在PCF的包層中引入大的空氣孔,纖芯處引入兩個(gè)橢圓孔設(shè)計(jì)了一種高雙折射高非線性PCF,采用全矢量有限元法研究了這種光纖的基模模場、雙折射、非線性、有效模面積及色散特性.通過調(diào)整孔間距和橢圓率的大小,獲得了10-2數(shù)量級的雙折射B,42W-1·km-1的高非線性系數(shù)γ、兩個(gè)零色散波長,且在波長800—2000nm之間具有良好的色散平坦特性.2從麥克斯韋基本方程求解光子晶體光纖非線性效應(yīng)的方法原理目前,對于PCF的理論分析方法已有很多,如有效折射率法、平面波法、時(shí)域有限差分法、多極法及有限元法等.這些方法各有優(yōu)點(diǎn),其中有限元法適用于截面是任意不規(guī)則形狀、空氣孔任意排布和材料折射率任意組合的情況,建模和計(jì)算也比較方便.因此,本文采用有限元法對圖1(a)所示的PCF進(jìn)行理論模擬.有限元法的計(jì)算原理是基于麥克斯韋基本方程,能夠?qū)С龉庾泳w光纖的電磁波方程其中,H為磁場強(qiáng)度,εr和μr分別為介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,ω是光波的角頻率,c是真空中的光速.用有限元法建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ?并采用各向異性完美匹配層吸收邊界條件,可以直接計(jì)算傳播常數(shù)β和模式有效折射率neff.通過模式有效折射率neff的實(shí)部可以得到該模式所對應(yīng)的光纖的色散系數(shù)(其單位為ps/(nm·km))其中,λ為波長,單位是μm,c是真空中的光速.一般而言,模式雙折射是衡量光纖偏振特性的重要參數(shù),基模模式的雙折射可表示為其中,nxeff和nyeff分別是基模的兩個(gè)正交偏振態(tài)x軸和y軸所對應(yīng)的模式有效折射率,兩個(gè)正交偏振模之間的偏振拍長LB為對于模場面積,可以通過求解有效模面積求得,有效模面積的公式為式中E(x,y)是光傳播時(shí)的橫向電場分布.在分析光子晶體光纖的非線性效應(yīng)時(shí),非線性系數(shù)γ的計(jì)算公式為其中,n2是石英的非線性折射率系數(shù),可以通過多種測量技術(shù)得到(如基于自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻).本文采用文獻(xiàn)(n2=3.2×10-20m2/W)中的結(jié)果.3空氣孔的包層設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的光纖為三角形陣列結(jié)構(gòu),光纖中心部分消去3個(gè)空氣孔形成類橢圓的纖芯,在纖芯左右有兩個(gè)較小的橢圓孔,上下有8個(gè)較大的空氣孔.整個(gè)光纖的基質(zhì)為純石英材料,折射率可以由Sellmeier公式得到,因此可以系統(tǒng)的考慮材料色散.該光纖的包層由4層空氣孔組成,空氣孔的折射率nair=1,D/Λ=0.941,d/Λ=0.588,a/Λ=0.588,b/Λ=0.294,η=a/b.包層中引入了大空氣孔和橢圓孔,這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)破壞了常見的三角形陣列均勻空氣孔PCF的六重旋轉(zhuǎn)對稱性,有利于提高光纖的雙折射.3.1基模模場分布基模是光波在光纖中傳輸時(shí)的最低階模式,光波大部分的能量以基模的形式傳播.光波在光纖中傳輸時(shí),基模模場的分布和有效模式面積的大小是反映光纖特性和性能的重要指標(biāo).圖1給出了波長在1550nm處,PCF的基模模場分布情況,從圖1(b)分析結(jié)果可看出,在波長λ=1550nm處該光纖具有單模特性,模場能量基本被完全約束在纖芯中.圖1(c)和(d)分別對應(yīng)兩個(gè)偏振態(tài)HEx11,HEy11模在波長1550nm處的基模模場分布,模場均表現(xiàn)出向x方向延伸,呈現(xiàn)出橢圓形狀,這是由于x方向纖芯處缺少3個(gè)空氣孔,且引入了3個(gè)橢圓孔,加大了纖芯的面積,使得x方向的有效折射率增大,從而模場向x方向延伸.3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)與拍長的關(guān)系圖2(a)給出了不同孔間距Λ下,PCF的雙折射隨波長的變化曲線,可以獲得10-3—10-2數(shù)量級的折射率.同時(shí),雙折射率隨著波長的增大而增大,隨著孔間距Λ的減小而增大,在孔間距Λ分別為1,1.4,1.8μm,波長λ=1550nm時(shí),雙折射率可分別為達(dá)到1.53×10-2,7.65×10-3,4.15×10-3的高雙折射,比傳統(tǒng)偏振保持光纖高兩個(gè)數(shù)量級,并高于文獻(xiàn)所報(bào)道的2.18×10-3和3×10-3.這主要是因?yàn)楣饫w包層空氣孔的直徑達(dá)到了次微米量級,模場受光纖的橢圓芯和非對稱包層因素的影響較大.為研究光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)與拍長的關(guān)系,由(4)式,在孔間距Λ分別為1,1.2,1.4,1.6μm時(shí),拍長隨波長變化曲線如圖2(b)所示.從圖中可以看出,拍長隨著波長增大而減小,與雙折射的變化曲線正好相反,在孔間距Λ為1μm,波長為1.55μm時(shí),PCF可獲得最小拍長,LB=1.02×10-4m,即雙折射達(dá)到最大1.53×10-2.3.3相同孔間距的纖網(wǎng)對有效模面積的影響圖3給出了不同孔間距Λ下,PCF基模的兩個(gè)偏振態(tài)HEx11和HEy11有效模面積Aeff隨波長的變化曲線.由圖3可知,隨著波長的增加,光纖的有效模面積也隨著增加,且在同一波長處,隨著孔間距Λ的增大,光纖的有效模面積也增加.在相同孔間距Λ下,隨著波長的增加,HEx11模的有效模面積比HEy11模的變化小,但在相同波長處,隨著孔間距Λ的增大,HEx11模的有效模面積比HEy11模的變化大.在孔間距Λ=1μm,波長1550nm處,HEx11模和HEy11模有效模面積Aeff分別為3和4.6μm2,如此小的有效模面積為高非線性的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ).3.4高非線性效應(yīng)光纖圖4給出了不同孔間距Λ下,PCF基模的兩個(gè)偏振態(tài)HEx11和HEy11非線性系數(shù)γ隨波長的變化曲線.由圖4可知,非線性系數(shù)與有效模面積成反比,隨著波長的增加,光纖的非線性系數(shù)逐漸減小,且隨著孔間距Λ的減小,光纖的非線性系數(shù)增大,但在相同參數(shù)條件下,HEx11模的非線性比HEy11模的變化小.在孔間距Λ=1μm,波長為1550nm處,HEx11模和HEy11模的非線性系數(shù)γ分別為42和28W-1·km-1,與文獻(xiàn)報(bào)道的非線性相比較,我們所設(shè)計(jì)的光纖具有更高的非線性.另外,利用一些具有高非線性效應(yīng)的材料(例如Bi2O3玻璃)代替石英作為基質(zhì),可實(shí)現(xiàn)更高的非線性系數(shù).具有高非線性效應(yīng)的光纖在超連續(xù)光譜的產(chǎn)生、光孤子通信、高功率脈沖壓縮、光纖器件的制作以及頻率變換的實(shí)現(xiàn)等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值.3.5橢圓率圖5(a)給出了在相同橢圓率η=0.5,不同孔間距Λ下,PCF的HEx11?？偵㈦S波長的變化曲線.從圖中可以看出,在可見光和近紅外波段分別出現(xiàn)了兩個(gè)零色散點(diǎn),且隨著孔間距Λ的增大,零色散點(diǎn)向長波長方向移動(dòng).圖5(b)給出了在相同孔間距Λ=1.6μm,不同橢圓率η下,PCF的HEx11模總色散隨波長的變化曲線.由圖可知,隨著橢圓率的增大,近紅外波段處的零色散點(diǎn)向長波方向移動(dòng),而可見光波段處的零色散點(diǎn)基本不變.在橢圓率η=0.5,即長軸a=0.94μm,短軸b=0.47μm,孔間距Λ=1.6μm時(shí),在波長800—2000nm之間具有良好的色散平坦特性.通過前述分析可看出,所設(shè)計(jì)的光纖可以獲得兩個(gè)零色散點(diǎn),這在高功率的連續(xù)光譜中有很重要的應(yīng)用,2008年,Kudlinsk等證明了具有兩個(gè)零色散點(diǎn)的PCF可以用來控制連續(xù)的長波邊緣的特定應(yīng)用.同時(shí),通過調(diào)整橢圓率和孔間距的大小設(shè)計(jì)出具有超色散平坦特性的光子晶體光纖.4高雙折射光子晶體光纖數(shù)值模擬結(jié)果本文設(shè)計(jì)了一種在纖芯引入兩個(gè)小的橢圓孔,上下有8個(gè)大的圓空氣孔的高雙折射高非線性光子晶體光纖,并采用全矢量有限元方法,對光纖基模的模場分布、雙折射、有效模面積、非線性系數(shù)和色散特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,在波長1550nm通信波段處,該光纖可獲得10-2數(shù)量級的雙折射B,比普通的橢圓保偏光纖高約兩個(gè)數(shù)量級.同時(shí),該光纖可獲得4