（商洛學院電子信息與電氣工程學院,商洛,726000）

光子晶體光纖彎曲損耗特性研究

李書婷

（商洛學院電子信息與電氣工程學院,商洛,726000）

光子晶體光纖是一種新型光纖，由于它的性能優(yōu)良，成為研究領域的熱點。本文先對光子晶體光纖進行了介紹，分析了光子晶體光纖彎曲耗損理論，最后對光子帶隙型晶體光纖的彎曲耗損進行了測試研究。結果表明光子帶隙型晶體光纖抗彎曲耗損比傳統(tǒng)的單模光子晶體光纖能力強。

PCF；彎曲損耗；研究

0 引言

光子晶體光纖是基于光子晶體技術發(fā)展而來的新型光纖。光子晶體光纖通常是由具有空氣孔周期排列結構的單一石英介質材料構成，因為其結構上的特點，又被稱為微結構光纖或多孔光纖。依據(jù)導光機制的不同，可以將光子晶體光纖分為三類：全內反射型光子晶體光纖（TIR-PCF）、光子帶隙型光子晶體光纖（PBGF）和混合導光型光子晶體光纖（HG-PCF）。

光子晶體光纖（PCF）以其獨特的性質和在光通信、傳感及非線性光學等領域的應用前景而引起了國內外的廣泛關注。集成光學器件和小型光纖器件中經(jīng)常需要將光纖彎曲，而光纖的彎曲特性也可用做某些物理量的傳感測量，因此研究光纖的彎曲損耗及相關的物理現(xiàn)象對于其實際應用具有重要意義。

1 光子晶體光纖

全內反射型光子晶體光纖又稱折射率引導型光子晶體光纖，一般由石英和空氣構成，其橫截面結構具有周期性。它的纖芯一般為石英，通過在包層中引入空氣孔，使纖芯折射率大于包含了空氣孔的包層的有效折射率。此種光纖的導光機制與傳統(tǒng)光纖一樣，是全內反射型。這種光子晶體光纖對結構的周期性要求較小，制備工藝難度較低，近些年來發(fā)展迅速。

光子帶隙型晶體光纖的包層有效折射率大于纖芯折射率，使光纖無法滿足全內反射的條件，只能利用帶隙效應以進行光波傳導，其導光機制是光子禁帶效應。帶隙型光子晶體光纖在二維光子晶體中引入缺陷，當頻率處于光子帶隙中的光進入光纖時，光子晶體的禁帶作用使光在缺陷中才能傳播，頻率處于光子帶隙之外的光被禁止傳播。1998 年，通過在纖芯處引入一個額外的空氣孔，Knight 等人研制成功了第一根帶隙型光子晶體光纖。1999 年，Cregan 等人首先成功拉制出了一根空氣芯中傳導光的帶隙型光纖，從而使光纖光學研究發(fā)生了巨大的變化。

混合導光型光子晶體光纖是在傳統(tǒng)光子晶體光纖的包層空氣孔中填充兩種折射率不同的介質，使包層中局部區(qū)域的有效折射率大于光纖纖芯的折射率，而其他部分的有效折射率小于光纖纖芯的折射率，通過這樣的方法，使得在光纖中存在全內反射型和帶隙型兩種不同類型的導光機理的共同作用，從而同時具有全內反射和帶隙效應兩種導光機制。

2 光子晶體光纖彎曲測試的理論分析

傳統(tǒng)光纖產(chǎn)生彎曲損耗的原因是彎曲時引起形變，改變了光纖對稱的幾何結構和纖芯與包層的相對折射率，從而影響到纖模場的橫向分布，并破壞了光波沿光纖傳輸?shù)娜瓷錀l件，導致光能泄漏至包層甚至外層介質．PCF也會同樣因為上述原因產(chǎn)生損耗，特別當光纖彎曲小于臨界半徑時損耗將迅速增大。將單模光纖的損耗理論進行改進可適用于TIR-PCF．高斯光束沿光纖傳輸時光強隨損耗系數(shù)和彎曲長度的關系為：

式中彎曲損耗系數(shù)α為

3 光子晶體光纖彎曲測試的試驗結果分析

本文中主要分析了光子帶隙型晶體光纖的彎曲損耗特性的結果。

帶隙型光子晶體光纖在纖芯引入空氣孔缺陷，從而使光場被限制在光子帶隙內傳輸，并且傳輸模式的有效折射率必須滿足＜1，其中為波矢量與光纖軸線的夾角，為空氣折射率。所以只有存在于空氣折射率線和帶隙上邊緣之間的模式（包括纖芯模式和表面模式）才可在帶隙型光子晶體光纖內傳輸，其中纖芯模式的大部分能量存在于空氣纖芯內，而表面模式被限制在纖芯附近，其大部分能量都分布在纖芯周圍的石英區(qū)域。

表面模式被證實是影響帶隙型光子晶體光纖限制損耗的重要因素。因其能量大部分在石英材料內，波長增大時，表面模式的有效折射率迅速減小，相比之下基模有效折射率的變化很小，所以表面模式有可能與基模發(fā)生交叉，使損耗達到極大。由此可以推斷，表面模式似乎也是影響彎曲損耗的重要因素。但數(shù)值模擬分析卻得出如下結論：對同一波長，彎曲對表面模式有效折射率的影響很小，不會在彎曲半徑變化上與基模發(fā)生耦合，所以表面模式對彎曲損耗的影響基本可以忽略。

帶隙型光子晶體光纖的包層模式存在于帶隙的上下邊緣附近，其有效折射率可大于也可小于基模。光纖彎曲時，隨著彎曲半徑的減小，能量主要分布在彎曲外側的包層模式有效折射率增大，能量主要分布在彎曲內側的包層模式有效折射率減小。這兩種不同的包層模式都可能與基模發(fā)生耦合而產(chǎn)生彎曲損耗振蕩。由此可推斷出，帶隙型光子晶體光纖中也存在彎曲損耗振蕩現(xiàn)象，并且振蕩是由兩種不同的包層模式共同作用的結果。光子帶隙型晶體光纖PCF的彎曲耗損結果以及傳統(tǒng)單模光纖彎曲耗損的比較如圖1、圖2所示。

圖1 光子帶隙型PCF的彎曲耗損

圖2 傳統(tǒng)單模光纖彎曲耗損

4 結束語

光子晶體光纖的奇異特性是一些傳統(tǒng)光纖所沒有的。作為傳光介質，在光子帶隙中傳輸信息，具有超低損耗、超低非線性、超低色散，是未來光通信的理想材料。本文利用有效折射率模型對光子晶體光纖的彎曲損耗特性進行了系統(tǒng)的理論研究研究表明PCF的彎曲損耗具有不同于普通光纖的特點．即除了長波損耗邊帶外還具有短波損耗邊帶進一步的分析發(fā)現(xiàn)．PCF的彎曲損耗特性與其結構參量密切相關：填充比越大的PCF，彎曲損耗越小，低損耗窗U越寬：PCF的低損耗窗口中心的位置主要決定于其跨距．跨距越大的PCF，其低損耗窗口中心的波長越大：PCF的臨界彎曲半徑既與填充比有關，也和跨距有關。

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Photonic crystal fiber bending loss Characteristics

Li ShuTing
(Shool of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo,726000，China)

Photonic crystal fiber is a new fiber, due to its excellent performance,has become a hot research field.This article first photonic crystal fibers were introduced to analyze the test photonic crystal fiber bending loss theory,the bending loss last crystal photonic bandgap fiber were.The results show that the photonic band gap crystal fiber bending loss better than conventional single-mode photonic crystal fiber capacity.

PCF;bending loss;research

陜西省教育廳自然科學基金項目(批準號: 2010JK530); 商洛學院科研基金資助項目(批準號: 09sky012)