一种单芯高双折射光子晶体光纤的性能分析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
种 椭 圆型 高双折 射 光子 晶体 光纤 ， 该 光 纤 可 获得 ２ ． ２ ６×１ ０ 的 双折 射 ， 限制 损 耗 为 ２ ． ８×１ ０～ｄ Ｂ ／ ｋ ｍ． 在 空 气 孔 中注 入 液体 或者 将 常 规 的 圆空 气孔 设 计 成椭 圆孔 ， 也 可破 坏 Ｐ Ｃ Ｆ的对 称性 以此 来 获取 高 双折 射 ， 但目 前 这类 椭 圆光纤 不 易制作 ． 本 文 首先 提 出了一 种新 型 的单芯 高 双折射 光 子 晶体 光 纤 ， 然 后采 用 全 矢量 有 限元 法并 结 合 完 美 匹 配层
关键词 ： 光子 晶体光纤 ； 高双折射 ； 有 限元法 ； 低损耗 中图分类号 ： ０ ４ ３ ６ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ４— ８ ３ ３ ２ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ６— ０ ０ ４ ９— ０ ４
１ 引言
光 子 晶体光 纤 （ Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ， Ｐ Ｃ Ｆ ） ¨ 是 一种 可 以灵 活调 节结 构 的新 型光纤 ． 自２ ０世 纪 ９ ０年 代 光 子 晶体 光 纤 问世 以来 ， 大量 的研 究表 明 Ｐ Ｃ Ｆ能够 突破传 统 光纤 的许 多 约 束 ， 具有 高 双 折射 、 无 截 止 的单 模 传输 、 色 散 可调及 大模 面 积等 传统 光纤 不存 在 的特 殊性 质 ， Ｉ ４ 而受 到 了 国 内外 专 家学 者 的 广 泛研 究 ． 在 传 统 的光纤 中 ， 组成 基模 的两个 简并 的正 交偏 振模 的模 式折 射率 十分 相 近 ， 从 而 导致 光纤 中的模 场 能量 特别 容 易从 一个 偏 振模耦 合 到另 一个 偏振 模 中去 ， 从而 影 响其传 输 特性 ， 高 双 折射 Ｐ Ｃ Ｆ能 有 效 地解 决 这 一 问题 ． 高 双 折射光 子 晶体 光纤 在光 纤通 讯 和传感 系统 中具有 广泛 的应 用前 景 ． ＿ ５
ｌ ０ － ２ 的双折射 Ｐ Ｃ Ｆ和一个零色散波长． ２ ０ １ ３年 ， 曹晔等 设计了一种高双折射高非线性光子晶体光纤 ， 获得 了高达 １ ． ５ ３×１ ０ Ｉ ２ 的双折 射 Ｐ Ｃ Ｆ ， 比传 统 的椭 圆保 偏 光纤 高 约 两 个 数 量 级． ２ ０ １ ６年 ， 周铭皓¨ 。 。 等 提 出 了 一
作者 简介 ： 王泽亚 （ １ ９ ９ ４一） ， 女， 赣南 师范 大学物理 与电子信息学院 ２ ０ １ ５级硕士研 究生 ， 研 究方 向： 光子 晶体 ； 谢应茂 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 男， 赣 南师范大学 物理与电子信 息学院教授 ， 博士 ， 研究方 向： 激光物理 与光 电子学．
通过改变周期性排列 的包层空气孔的折射率引导型光子 晶体光纤空气孑 Ｌ 的形状 、 大小或位置 ， ‘ ６ 能得
到结构 灵 活多变 的设 高 双折 射 Ｐ Ｃ Ｆ ． 高 双 折射 光 子 晶体 光纤 由 Ｏ ａ ｉ ｇ ｏ ｓ ａ － Ｂ ｌ ａ ｎ ｃ ｈ Ａ ２ ０ ０ ０年 提 出 ， 并 得 到 比传 统 保偏 光纤 高一 个 数量 级 的 双折 射 率 ． ２ ０ １ ０年 ，张 磊 等 设 计 的 纳米 级 结 构 的 Ｐ Ｃ Ｆ ， 获得了高达 １ ． ９ １ ８×
｝
收稿 日期 ： ２ ０ １ ７— ０ ５— ２ ６
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ３ ６ ９ ８ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｃ ｎ ３ ６—１ ３ ４ ６ ／ ｃ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ６ ． ０ ０ ９ 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（ ６ １ ７ ６ ５ ０ ０ ３ ） ； 赣南师范大学研究生创新专项基金项 目（ Ｙ Ｃ Ｘ １ ６ Ｂ ０ ０ ２）
２ ０１ ７焦
赣 南 师 范 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｇａ ｎ ｎ ａ ｎ Ｎｏ ｒ ｍａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｎ ｏ． ６
第 六期 ・ຫໍສະໝຸດ ＮＯ Ｖ ． ２ ０１ ７
光 子 学与 光 子技 术 ・
种 单 芯 高 双 折 射 光 子 晶体 光 纤 的性 能 分 析
一
王泽亚 ， 谢应茂 ， 廖健 飞 ， 王 泽清
（ 赣南师范大学 ａ ． 物理与 电子信 息学 院 ； ｂ ． 光 电子材 料与技术研究所 ， 江 西 赣州 ３ ４ １ ０ ０ ０ ）
摘 要： 通过在其 纤芯 区域 引入 两个小 圆形空 气孔 设计 了一种新 型 高双折射折 射 率 引导 型的光 子晶体 光纤．
的吸收边界条件对该结构的基模模场分布特性 、 结构参数对基模双折射及损耗的影响进行 了数值分析．
２ 基 本 原 理
当前 理论 研究 Ｐ Ｃ Ｆ的方法 主要 有 时域有 限差 分法 、 有 效折 射 率 法 、 多 极法 有 限元 法 等 ． … 其 中 ， 有 限
元法对空气孔的排布、 截面的形状和材料折射率组合没有特别要求 ， 计算精度高 ， 很适用于结构多变的光 子
首先采 用全 矢量有限元法结合完 美匹配层吸收 边界 条件 数值分析该光子 晶体光 纤的基模模 场分布特 性． 其次数值
分析该 光子 晶体 光纤的结构参数对基模双折射 的影 响 ， 研 究结果表 明 ， 该光子 晶体光 纤在 １ ４ ０ ０—１ ７ ０ ０ ｎ ｍ波长 范
围 内产 生 的模 式 双折 射 高 达 １ ０ Ｉ ２ 量级 ， 它 比 传 统 的保 偏 光 纤 高 约 两 个数 量 级 ； 同 时 可 以 通 过 灵 活 调 节 孔 径 大 小将
双折射 最高点调 到需要的波长上． 最后 数值分析 了该光 子 晶体 光纤基 模损耗 特性 受其 结构参数 的影 响 ， 得 到该 光
子 晶体 光 纤 可 以 在 １ ４ ０ ０—１ ７ ０ ｏ ｎ ｍ 波 长 范 围 内产 生 小 于 ０ ． ０ １ ｄ Ｂ ／ ｋ ｍ的限制损耗．
关键词 ： 光子 晶体光纤 ； 高双折射 ； 有 限元法 ； 低损耗 中图分类号 ： ０ ４ ３ ６ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ４— ８ ３ ３ ２ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ６— ０ ０ ４ ９— ０ ４
１ 引言
光 子 晶体光 纤 （ Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ， Ｐ Ｃ Ｆ ） ¨ 是 一种 可 以灵 活调 节结 构 的新 型光纤 ． 自２ ０世 纪 ９ ０年 代 光 子 晶体 光 纤 问世 以来 ， 大量 的研 究表 明 Ｐ Ｃ Ｆ能够 突破传 统 光纤 的许 多 约 束 ， 具有 高 双 折射 、 无 截 止 的单 模 传输 、 色 散 可调及 大模 面 积等 传统 光纤 不存 在 的特 殊性 质 ， Ｉ ４ 而受 到 了 国 内外 专 家学 者 的 广 泛研 究 ． 在 传 统 的光纤 中 ， 组成 基模 的两个 简并 的正 交偏 振模 的模 式折 射率 十分 相 近 ， 从 而 导致 光纤 中的模 场 能量 特别 容 易从 一个 偏 振模耦 合 到另 一个 偏振 模 中去 ， 从而 影 响其传 输 特性 ， 高 双 折射 Ｐ Ｃ Ｆ能 有 效 地解 决 这 一 问题 ． 高 双 折射光 子 晶体 光纤 在光 纤通 讯 和传感 系统 中具有 广泛 的应 用前 景 ． ＿ ５
ｌ ０ － ２ 的双折射 Ｐ Ｃ Ｆ和一个零色散波长． ２ ０ １ ３年 ， 曹晔等 设计了一种高双折射高非线性光子晶体光纤 ， 获得 了高达 １ ． ５ ３×１ ０ Ｉ ２ 的双折 射 Ｐ Ｃ Ｆ ， 比传 统 的椭 圆保 偏 光纤 高 约 两 个 数 量 级． ２ ０ １ ６年 ， 周铭皓¨ 。 。 等 提 出 了 一
作者 简介 ： 王泽亚 （ １ ９ ９ ４一） ， 女， 赣南 师范 大学物理 与电子信息学院 ２ ０ １ ５级硕士研 究生 ， 研 究方 向： 光子 晶体 ； 谢应茂 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 男， 赣 南师范大学 物理与电子信 息学院教授 ， 博士 ， 研究方 向： 激光物理 与光 电子学．
通过改变周期性排列 的包层空气孔的折射率引导型光子 晶体光纤空气孑 Ｌ 的形状 、 大小或位置 ， ‘ ６ 能得
到结构 灵 活多变 的设 高 双折 射 Ｐ Ｃ Ｆ ． 高 双 折射 光 子 晶体 光纤 由 Ｏ ａ ｉ ｇ ｏ ｓ ａ － Ｂ ｌ ａ ｎ ｃ ｈ Ａ ２ ０ ０ ０年 提 出 ， 并 得 到 比传 统 保偏 光纤 高一 个 数量 级 的 双折 射 率 ． ２ ０ １ ０年 ，张 磊 等 设 计 的 纳米 级 结 构 的 Ｐ Ｃ Ｆ ， 获得了高达 １ ． ９ １ ８×
｝
收稿 日期 ： ２ ０ １ ７— ０ ５— ２ ６
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ３ ６ ９ ８ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｃ ｎ ３ ６—１ ３ ４ ６ ／ ｃ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ６ ． ０ ０ ９ 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（ ６ １ ７ ６ ５ ０ ０ ３ ） ； 赣南师范大学研究生创新专项基金项 目（ Ｙ Ｃ Ｘ １ ６ Ｂ ０ ０ ２）
２ ０１ ７焦
赣 南 师 范 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｇａ ｎ ｎ ａ ｎ Ｎｏ ｒ ｍａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｎ ｏ． ６
第 六期 ・ຫໍສະໝຸດ ＮＯ Ｖ ． ２ ０１ ７
光 子 学与 光 子技 术 ・
种 单 芯 高 双 折 射 光 子 晶体 光 纤 的性 能 分 析
一
王泽亚 ， 谢应茂 ， 廖健 飞 ， 王 泽清
（ 赣南师范大学 ａ ． 物理与 电子信 息学 院 ； ｂ ． 光 电子材 料与技术研究所 ， 江 西 赣州 ３ ４ １ ０ ０ ０ ）
摘 要： 通过在其 纤芯 区域 引入 两个小 圆形空 气孔 设计 了一种新 型 高双折射折 射 率 引导 型的光 子晶体 光纤．
的吸收边界条件对该结构的基模模场分布特性 、 结构参数对基模双折射及损耗的影响进行 了数值分析．
２ 基 本 原 理
当前 理论 研究 Ｐ Ｃ Ｆ的方法 主要 有 时域有 限差 分法 、 有 效折 射 率 法 、 多 极法 有 限元 法 等 ． … 其 中 ， 有 限
元法对空气孔的排布、 截面的形状和材料折射率组合没有特别要求 ， 计算精度高 ， 很适用于结构多变的光 子
首先采 用全 矢量有限元法结合完 美匹配层吸收 边界 条件 数值分析该光子 晶体光 纤的基模模 场分布特 性． 其次数值
分析该 光子 晶体 光纤的结构参数对基模双折射 的影 响 ， 研 究结果表 明 ， 该光子 晶体光 纤在 １ ４ ０ ０—１ ７ ０ ０ ｎ ｍ波长 范
围 内产 生 的模 式 双折 射 高 达 １ ０ Ｉ ２ 量级 ， 它 比 传 统 的保 偏 光 纤 高 约 两 个数 量 级 ； 同 时 可 以 通 过 灵 活 调 节 孔 径 大 小将
双折射 最高点调 到需要的波长上． 最后 数值分析 了该光 子 晶体 光纤基 模损耗 特性 受其 结构参数 的影 响 ， 得 到该 光
子 晶体 光 纤 可 以 在 １ ４ ０ ０—１ ７ ０ ｏ ｎ ｍ 波 长 范 围 内产 生 小 于 ０ ． ０ １ ｄ Ｂ ／ ｋ ｍ的限制损耗．