陳翔 張心賁 祝賢 程蘭 彭景剛 戴能利 李海清 李進(jìn)延

(華中科技大學(xué),國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074)

(2012年7月10日收到;2012年8月22日收到修改稿)

1 引言

在現(xiàn)代高速光纖通信系統(tǒng)中,色散已經(jīng)取代損耗成為光纖通信系統(tǒng)的主要制約因素.由于色散補(bǔ)償光纖[1]是一種無(wú)源器件,可放在光纖線路中任何位置,安裝方便,能與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖兼容,能得到較小的插入損耗,因此受到普遍的重視,成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn).但普通色散補(bǔ)償光纖其補(bǔ)償能力有限,很難實(shí)現(xiàn)寬帶補(bǔ)償,并且成本較高,無(wú)法兼顧偏振模色散補(bǔ)償.光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)[2]的出現(xiàn)提供了一種全新的色散補(bǔ)償方法.PCF由沿著光纖長(zhǎng)度方向的一個(gè)中心缺陷及多個(gè)圍繞著缺陷的空氣孔構(gòu)成,近年來(lái),PCF因?yàn)槠渚哂性趥鹘y(tǒng)光纖中無(wú)法達(dá)到的獨(dú)特性能而引起了廣泛的關(guān)注,其靈活可調(diào)的色散特性就是其中一個(gè)非常重要的特性,通過(guò)改變孔間距Λ和空氣占空比d/Λ能夠在特定的波段實(shí)現(xiàn)正常色散、反常色散[3,4]以及偏振模色散[5].其實(shí)際應(yīng)用如PCF用于超連續(xù)譜產(chǎn)生[6,7]、色散平坦PCF[8]、色散補(bǔ)償PCF[9,10]等.PCF用作色散補(bǔ)償具有極大的應(yīng)用潛力.2004年,Gerome等[11]設(shè)計(jì)了一種同軸雙芯色散補(bǔ)償PCF,該P(yáng)CF在1550 nm處有很高的負(fù)色散系數(shù);2006年,Fujisuma等[12]對(duì)同軸雙芯PCF在C波段的色散系數(shù)與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了分析,并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.但是這些研究都是在理論模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行的分析,結(jié)合實(shí)際制備光纖的研究很少報(bào)道.本文從理論分析和實(shí)際制備兩方面對(duì)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其色散性能的影響進(jìn)行了研究,對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)和制備色散補(bǔ)償光子晶體光纖具有非常重要的指導(dǎo)意義.

2 光纖設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種色散補(bǔ)償PCF,理論設(shè)計(jì)光纖橫截面如圖1(a)所示,灰色和白色區(qū)域分別表示二氧化硅和空氣,纖芯直徑約1.2μm,空氣占空比d/Λ和孔間距Λ分別為0.6和1μm,模擬結(jié)果表明該光纖在1550 nm處具有很高的負(fù)色散系數(shù)(-329 ps·nm-1·km-1),相對(duì)色散斜率 (relative dispersion slope,RDS)為0.0019,其色散曲線如圖1(b)所示,具有很好的寬帶色散補(bǔ)償能力.

圖1 (a)PCF橫截面;(b)PCF色散曲線

光子晶體光纖由一種材料制備而成,因此材料色散可以不予考慮,只考慮波導(dǎo)色散,所以其色散能由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定.為了驗(yàn)證空氣占空比d/Λ及孔間距Λ對(duì)PCF色散的影響,我們用頻域有限差分( finite-difference frequency-domain,FDFD)法對(duì)其色散系數(shù)進(jìn)行了模擬[13].

首先,在Λ為1μm保持不變的情況下,模擬了d/Λ從0.6變化到0.9對(duì)色散系數(shù)的影響,模擬結(jié)果如圖2所示.

圖2 d/Λ改變模擬結(jié)果

在1550處,Λ為1μm,d/Λ不同的PCF色散值具體如表1.

表1 Λ=1μm,占空比改變時(shí)PCF的色散系數(shù)

從圖2和表1中可以看出,在Λ不變的情況下,d/Λ改變對(duì)色散數(shù)值影響很大.當(dāng)d/Λ從 0.6增加到 0.7時(shí),其在 1550 nm處色 散 值 從-329.52 ps·nm-1·km-1增 加 到-238.32 ps·nm-1·km-1,增長(zhǎng)率為 11.6%,當(dāng)d/Λ從 0.8 增加到0.9時(shí),其在1550 nm處的色散值從-251.77 ps·nm-1·km-1增加到-238.32 ps·nm-1·km-1,增長(zhǎng)率為5.3%.這表明,在1550 mm處色散隨著d/Λ的增加而增加,同時(shí),d/Λ對(duì)色散的影響能力隨著d/Λ的增加而減小,因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)色散.

在d/Λ不變的情況下,Λ從 1.0μm變化到1.5μm時(shí)的色散模擬結(jié)果如圖3所示.

圖3(a)為d/Λ為0.6不變時(shí),Λ由1.0μm變化到1.5μm的色散變化曲線;圖3(b)為占空比0.8不變時(shí),孔間距由1.0μm變化到1.5μm的色散變化曲線.在1550 nm處,色散值隨Λ的變化如表2.

表2 占空比不變情況下,孔間距改變時(shí)PCF的色散系數(shù)

從表 2中可知,在d/Λ為 0.6時(shí),Λ從 1.0增 加 到 1.1, 色 散 系 數(shù) 由-329.52 ps·nm-1·km-1增長(zhǎng)為-204.31 ps·nm-1·km-1,當(dāng)Λ增長(zhǎng) 10%時(shí)色散增長(zhǎng)率約為 38%;在d/Λ為 0.8時(shí),Λ同樣變化,色散系數(shù)由-251.77 ps·nm-1·km-1增加到-91.73 ps·nm-1·km-1,增長(zhǎng)率為 63.5%.可見(jiàn),當(dāng)Λ在1μm附近時(shí),色散系數(shù)對(duì)Λ變化極其敏感,然而,當(dāng)Λ逐漸增大時(shí),色散的變化量逐漸減小,表2中可以看出,Λ從1.4μm增加到1.5μm時(shí),色散值的增加遠(yuǎn)比Λ從1.0μm變化到1.1μm色散值的增加要小.但與此同時(shí),色散的數(shù)值已經(jīng)為正,表明該結(jié)構(gòu)PCF的色散對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確要求相當(dāng)高,制造工藝?yán)щy.

圖3 d/Λ不變時(shí),Λ改變對(duì)色散系數(shù)的影響 (a)d/Λ=0.6;(b)d/Λ=0.8

3 光纖的制備與性能

PCF由毛細(xì)管堆疊拉制而成,主要包括以下步驟：1)選用合適占空比的套管,經(jīng)處理后拉制合適直徑的毛細(xì)管;2)挑選直徑一致的毛細(xì)管及石英棒集束排列成預(yù)制棒;3)對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行套管,然后拉制光纖.

本文制備了三種光子晶體光纖,分別編號(hào)為PCF1,PCF2,PCF3,其電鏡掃描圖分別如圖4所示.經(jīng)測(cè)量,PCF1,PCF2,PCF3的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：Λ=1.0 μm,d/Λ=0.6;Λ=1.3 μm,d/Λ=0.7;Λ=1.2μm,d/Λ=0.8;光纖直徑均為125μm.并根據(jù)電鏡掃描圖所測(cè)量的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別模擬了這3種光纖的色散曲線,結(jié)果如圖5和圖6所示.

圖4 三種PCF的電鏡掃描圖

圖5 PCF1和PCF2的模擬及測(cè)試結(jié)果

圖5為PCF1和PCF2的對(duì)比模擬結(jié)果,實(shí)線、劃線、點(diǎn)線分別表示結(jié)構(gòu)參數(shù)Λ=1.0μm,d/Λ=0.6;Λ=1.0 μm,d/Λ=0.7;Λ=1.3 μm,d/Λ=0.7的PCF在1400—1700 nm波段范圍內(nèi)的色散系數(shù).從圖5中可以看出,當(dāng)Λ保持1.0μm不變時(shí),d/Λ從 0.6增加到 0.7時(shí),PCF在1550 nm 處的色 散 系數(shù)從-329.5 ps·nm-1·km-1增大為-291.4 ps·nm-1·km-1;而d/Λ保持 0.7 不變,Λ從1.0μm增加到 1.3μm時(shí),PCF在 1550 nm 處的色散系數(shù)由-291.4 ps·nm-1·km-1急劇增大為 31.8 ps·nm-1·km-1. 圖 6 為 PCF1 和 PCF3的對(duì)比模擬結(jié)果,實(shí)線、劃線、點(diǎn)線分別表示結(jié)構(gòu)參數(shù)Λ=1.0μm,d/Λ=0.6;Λ=1.0μm,d/Λ=0.8;Λ=1.2μm,d/Λ=0.8的PCF在1400—1700 nm波段范圍內(nèi)的色散系數(shù).同樣從圖6中可以看出,當(dāng)Λ保持1.0μm不變,d/Λ從0.6增加到0.8時(shí),PCF在1550 nm處的色散系數(shù)從-329.5 ps·nm-1·km-1變?yōu)?251.8 ps·nm-1·km-1,而d/Λ保持 0.8不變時(shí),Λ從 1.0μm增加到1.2μm時(shí),PCF在1550 nm處的色散系數(shù)由-251.8 ps·nm-1·km-1急劇增大為 7.8 ps·nm-1·km-1.由此可以推斷出,當(dāng)僅改變d/Λ時(shí),色散系數(shù)的變化并不明顯,改變?chǔ)珪r(shí),變化很敏感.我們分別測(cè)量了三種PCF在1520—1580 nm波長(zhǎng)段的色散系數(shù),色散的測(cè)試結(jié)果也與計(jì)算的色散曲線比較符合.在1550 nm 處,PCF1 的色散系數(shù)為-241.5 ps·nm-1·km-1,PCF2 的色散系數(shù)為 139.2 ps·nm-1·km-1,PCF3 的色散系數(shù)為 10.5 ps·nm-1·km-1,PCF 的色散系數(shù)隨著Λ的增加而增大.從之前的分析可以得出,d/Λ改變對(duì)PCF色散系數(shù)的影響并不是很大.三種PCF之間微小的孔間距Λ差異,導(dǎo)致三種PCF的色散系數(shù)差別如此之大,從而驗(yàn)證了Λ對(duì)色散系數(shù)的影響比d/Λ的影響要大得多,實(shí)際制造這種光纖非常困難.

圖6 PCF1和PCF3的模擬及測(cè)試結(jié)果

三種PCF中,PCF1比較接近理想設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)：Λ=1.0μm,d/Λ=0.6.但是由于拉制過(guò)程中對(duì)空氣孔內(nèi)氣壓的控制程度不夠,導(dǎo)致內(nèi)層空氣孔的占空比略小于外層空氣孔.從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看,這對(duì)PCF的色散系數(shù)影響并不明顯,PCF1在1550 nm處的色散系數(shù)為-241.5 ps·nm-1·km-1,具有比較好的色散補(bǔ)償能力.但是對(duì)于高速傳輸?shù)拿芗ǚ謴?fù)用系統(tǒng)而言,不僅要對(duì)色散值進(jìn)行補(bǔ)償,同時(shí)也要對(duì)光纖的色散斜率進(jìn)行補(bǔ)償,也就是說(shuō),需要對(duì)光纖在某波段內(nèi)的色散同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償.用色散補(bǔ)償光纖實(shí)現(xiàn)這種全色散補(bǔ)償時(shí),在被補(bǔ)償?shù)牟ǘ蝺?nèi),需要滿足以下條件：

式中LCF為被補(bǔ)償?shù)墓饫w的長(zhǎng)度;DCF為被補(bǔ)償?shù)墓饫w的色散值;LDCF為色散補(bǔ)償?shù)墓饫w的長(zhǎng)度;DDCF為色散補(bǔ)償?shù)墓饫w的色散值.

因此,相對(duì)色散斜率RDS定義為

SCF為被補(bǔ)償光纖的色散斜率;SDCF為色散補(bǔ)償?shù)墓饫w的色散斜率;即色散補(bǔ)償光纖與被補(bǔ)償光纖的相對(duì)色散斜率接近或是相等[14].

常用通信光纖G652在C波段的RDS為0.0036,而PCF1的RDS為0.0018,表明此種光纖具有良好的寬帶色散補(bǔ)償能力.RDS的計(jì)算式為

其中D(1530),D(1550),D(1570)分別為光纖在1530,1550,1570 nm的色散值.

結(jié)果表明提出的這種PCF結(jié)構(gòu)具有一定的寬帶色散補(bǔ)償能力,并且能夠通過(guò)調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)參數(shù)在期望的波長(zhǎng)范圍內(nèi)達(dá)到特定的色散要求.值得一提的是,其色散對(duì)孔間距Λ的變化比占空比d/Λ更為敏感.但是這種PCF制備工藝?yán)щy,占空比d/Λ在實(shí)際堆疊拉制法中是確定了的,為了精確控制PCF的色散,我們應(yīng)該更多關(guān)注孔間距Λ,色散系數(shù)對(duì)孔間距Λ非常敏感,然而,在實(shí)際制備過(guò)程之中,孔間距Λ的大小受到拉制過(guò)程中溫度和速度的影響是不可控的,但是我們可以通過(guò)輕微的改變光纖的直徑,精確控制孔間距Λ的大小,從而精確控制PCF的色散系數(shù).

4 結(jié)論

通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析,研究了色散補(bǔ)償PCF的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其色散的影響,發(fā)現(xiàn)色散系數(shù)對(duì)于孔間距Λ的變化比占空比d/Λ更為敏感,并且隨著孔間距Λ的增加,其對(duì)色散系數(shù)的影響逐漸減小.為了精確控制光子晶體光纖的色散,我們可以在設(shè)計(jì)色散補(bǔ)償PCF時(shí)增大其孔間距Λ或者在實(shí)際拉制過(guò)程中調(diào)節(jié)PCF的直徑以達(dá)到精確控制孔間距Λ的目的.實(shí)際制備出的色散補(bǔ)償光子晶體光纖,其結(jié)構(gòu)參數(shù)為Λ=1.0μm,d/Λ=0.6,其在1550 nm處的色散系數(shù)為-241.5 ps·nm-1·km-1,該 PCF 的 RDS 為 0.0018,表明此種光纖具有良好的寬帶色散補(bǔ)償能力,對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)和制備色散補(bǔ)償光子晶體光纖具有一定的指導(dǎo)意義.

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