中北大學(xué)　山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心　　王冠軍　譚緒祥　王志斌

橢圓孔式光子晶體光纖光柵寫入特性研究

中北大學(xué)山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心王冠軍譚緒祥王志斌

針對(duì)當(dāng)前周期性氣孔分布的光子晶體光纖寫入光柵時(shí)的寫入場分布不均勻及高寫入散射損耗等不足，本文提出一種用于寫入光纖光柵的大橢圓孔式光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。當(dāng)利用該新型結(jié)構(gòu)光纖寫入特定的光柵時(shí)那，激光束可以高效地通過該橢圓孔包層區(qū)域入射到纖芯區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高效率的光纖光柵寫入的目的。

光子晶體光纖；光柵寫入；橢圓孔；液體填充

1　引言

光纖光柵器件在光通信和光傳感領(lǐng)域具有重要作用［1，2，3，4］。光子晶體光纖光柵（photonic crystal fibergrating，PCFG）是一種最新問世的光柵類型［1，2，3］。相比于單模光纖光柵，PCFG具有較寬的反射峰，調(diào)整范圍寬、可控變量多、易于設(shè)計(jì)等眾多優(yōu)勢。

當(dāng)前，PCFG的理論分析及制備方法是科研工作者的關(guān)注熱點(diǎn)［2］。但是，光子晶體光纖內(nèi)部周期性氣孔使得光柵寫入時(shí)產(chǎn)生了強(qiáng)烈散射，一定程度上影響光柵寫入效率與寫入質(zhì)量。目前研究人員也提出一些改進(jìn)方法，諸如周期性氣孔一定數(shù)值的折射率匹配液、利用旋轉(zhuǎn)角度寫入光柵、縮小周期性分布的氣孔參數(shù)等。但上述方法也存在諸如填充時(shí)間過慢、依賴于特定寫入角度或光纖參數(shù)、改善效果有限等不足。

針對(duì)光柵寫入時(shí)產(chǎn)生的寫入場分布不均勻、高散射損耗問題，本文提出一種新型的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是用一大橢圓形氣孔代替部分小氣孔。寫光柵時(shí)，激光會(huì)通過橢圓孔區(qū)域傳輸?shù)嚼w芯。此結(jié)構(gòu)可以降低由于小氣孔產(chǎn)生的散射損耗。若將適當(dāng)折射率值的液體填充至橢圓型氣孔，該液體填充的橢圓孔可將光束聚焦至纖芯區(qū)域，起到類似會(huì)聚透鏡作用。這有助于增強(qiáng)光柵寫入效率、改善纖芯區(qū)域的寫入場分布，增強(qiáng)光柵寫入質(zhì)量。與單模光纖和周期性光纖相比，本文研究結(jié)果表明該新型橢圓孔式光子晶體光纖結(jié)構(gòu)寫入效率分別是其寫入效率的2.4倍和3.4倍，并且若縮小光纖纖芯半徑，該倍數(shù)還有可能繼續(xù)提高。

2　仿真建模

仿真分析商用軟件OptiFDTD，仿真所用光纖參數(shù)借鑒了 ESM-12-01型號(hào)光纖。寫入波長設(shè)定為1550nm。折射率匹配液參數(shù)借鑒Cargille Laboratories，Inc產(chǎn)品。為了簡化模型，本文仿真過程不考慮光纖外側(cè)面散射損耗、匹配液光吸收損耗、纖芯摻雜區(qū)域光吸收損耗的影響。在此基礎(chǔ)上，本文研究了橢圓孔結(jié)構(gòu)、匹配液折射率與光子晶體光纖光柵寫入效率、寫入質(zhì)量的具體關(guān)系。

圖1　提出的光子晶體光纖光柵結(jié)構(gòu)圖

圖1（a）是本文設(shè)計(jì)的單橢圓孔光子晶體光纖結(jié)構(gòu)圖。其特點(diǎn)是存在一個(gè)較大的橢圓型氣孔。這樣，在寫入光纖光柵時(shí)，激光束散射程度有可能會(huì)大幅度降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較高的光柵寫入效率。另外，當(dāng)橢圓型氣孔填充高折射率液體時(shí)，橢圓型氣孔可以聚焦寫入光束，效果類似于微透鏡。此時(shí)調(diào)整液體折射率值，就相當(dāng)于改變光束會(huì)聚焦點(diǎn)和會(huì)聚程度。若設(shè)置恰當(dāng)?shù)恼凵渎?，自然可將焦點(diǎn)調(diào)整到纖芯區(qū)域，從而進(jìn)一步改善寫入場分布，提升光纖光柵的寫入效率值。并且新光纖結(jié)構(gòu)仍有大部分微小橢圓孔，這可能使得新型光纖仍具有比較靈活的特性設(shè)計(jì)潛能。

論文設(shè)定光纖參數(shù)如下：光纖纖芯半徑R分別為6？m、4？m和2？m；橢圓型氣孔長軸和短軸半徑為25？m、12？m；小孔半徑1.84？m；小孔間距8？m。光纖基底材料設(shè)定為二氧化硅，其在1550nm光波長時(shí)的折射率是1.444024。高斯光源參數(shù)可借鑒高斯光傳輸公式。時(shí)域均一的高斯光對(duì)應(yīng)的輻射度可表示為

式中，E為高斯光束電場分布；ω（z）設(shè)定為電磁場振幅降到軸向最大強(qiáng)度值1/e處的光斑半徑；ω0=ω（0）為激光的束腰寬度；設(shè)定的光源半高半寬設(shè)為40？m，設(shè)定的光束距離光纖纖芯60？m。

3　仿真結(jié)果及分析

下面首先分析了調(diào)整填充液體折射率值時(shí)的寫入光束能量分布及變化情況。從圖2可以看出，當(dāng)n等于1.444024RIU（即二氧化硅材料折射率時(shí)），光纖結(jié)構(gòu)等效于無橢圓孔。此情況下，高斯光束中心部分在經(jīng)過橢圓型氣孔后未發(fā)生明顯改變，相反高斯光束兩側(cè)區(qū)域受到氣孔結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)發(fā)生一定程度的散射。而當(dāng)設(shè)定填充的流體折射率為1.55RIU時(shí)（如圖3所示），橢圓孔作用將類似于一個(gè)微聚焦透鏡，高斯光束在纖芯摻雜區(qū)域后面有一焦點(diǎn)。分析認(rèn)為是由于液體折射率和基底材料的區(qū)別還不夠明顯，使得焦距響應(yīng)較長?？紤]到增加液體折射率和基底材料的差別可以縮小微透鏡焦距。圖4設(shè)定填充液體折射率值為1.58RIU，可以看到此情況下光束焦點(diǎn)已經(jīng)后移至纖芯摻雜區(qū)域中心。此情況下，高斯光束能量高度集中在纖芯區(qū)域，這將有助于提高光纖光柵寫入效率。從圖4中也可以看出纖芯最大峰值能量密度也由1.55RIU時(shí)的0.06上升至0.076，這有助于同時(shí)提高寫入光束的峰值能量密度。此處0.06和0.076為任意單位，為相位值。而由于會(huì)聚光束能量大部分分布在纖芯的中心部位，所以若縮小纖芯半徑，寫入效率與能量密度還可以繼續(xù)增加。若進(jìn)一步調(diào)整液體折射率至1.70RIU（如圖2（d）所示），橢圓孔所產(chǎn)生的等效微透鏡焦距則進(jìn)一步縮小。在圖5中，會(huì)聚點(diǎn)已過纖芯。此情況下，離焦的纖芯區(qū)光強(qiáng)略有下降，但是優(yōu)點(diǎn)是光場分布相對(duì)均勻，這有利于優(yōu)化纖芯區(qū)域場分布的均勻性。

圖2 n=1.444024R IU時(shí)光柵寫入效果

圖3 n=1.55RIU時(shí)光柵寫入效果

圖4 n=1.58RIU時(shí)光柵寫入效果

圖5 n=1.70RIU時(shí)光柵寫入效果

在上述分析基礎(chǔ)上，本文對(duì)于纖芯摻雜區(qū)域的場分布進(jìn)行面積分，所用到的積分公式如下：

圖6初步分析了調(diào)整液體折射率時(shí)對(duì)寫入場能量的改善效果，可知光柵寫入效果與填充的液體折射率密切相關(guān)，設(shè)定纖芯半徑是6μm、同時(shí)注入液體折射率是1.444024RIU時(shí)（等于二氧化硅材料），場分布面積分值達(dá)5.7e-13AU。填充液體折射率值為1.55RIU時(shí)，場能量達(dá)9.7e-12（AU）。顯示由于橢圓孔的聚焦效果增強(qiáng)了光柵寫入效率。而當(dāng)填充液體折射率值為1.55RIU時(shí)，場強(qiáng)最大值為1.03e-12（AU），之后增加液體折射率值時(shí)場分布面能量積分值反而開始降低。當(dāng)折射率高于1.8RIU時(shí)，該場分布面積分值低于6.76e-13（AU）。表明此情況下光柵寫入效率改善效果十分有限。

圖6　纖芯區(qū)域能量和光柵寫入效率分析

本文同時(shí)也分析了周期性氣孔PCFG、單模光纖光柵的寫入效果，所用到的光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)與最后，本文也研究了橢圓孔長軸參數(shù)對(duì)寫入效率的影響。將橢圓孔長軸半徑從25μm縮小至20μm，所得到的寫入場面積分值和流體折射率之間的關(guān)系如圖7所示。可知當(dāng)橢圓長軸半徑為20μm時(shí)，寫入場面積分值最高情況所需的流體折射率值已移至1.70RIU。分析認(rèn)為，改變橢圓孔結(jié)構(gòu)等價(jià)于變換微透鏡曲率，從而導(dǎo)致焦距位置發(fā)生變化。所以調(diào)整橢圓孔參數(shù)后，將焦點(diǎn)調(diào)整值纖芯區(qū)域所需的液體折射率值相應(yīng)變化改變。最終需要結(jié)合具體光纖橢圓孔結(jié)構(gòu)來選擇合適的填充液體。

上面相同。分析數(shù)據(jù)表明，纖芯半徑為6μm、4μm或2μm時(shí)，周期性氣孔型光子晶體光纖最大能量值積分分別為 3.0211e-13、1.2689e-13、1.5756e-14。單模光纖寫入場總能量分別為4.2208e-13、1.8859e-13、4.7230e-14。在纖芯半徑為6μm時(shí)，本文提出的新型光纖的光柵寫入效率將是單模光纖光柵和周期性光纖光柵寫入效率的2.4倍和3.4倍。另外也可以看出，縮小光纖纖芯半徑，寫入效率倍數(shù)可繼續(xù)提高。所以，本文提出的橢圓孔型光子晶體光纖對(duì)提高寫入能量場峰值功率密度和光柵效率有很大作用。

圖7　不同橢圓參數(shù)時(shí)的寫入場分布對(duì)比

4　總結(jié)

針對(duì)光子晶體光纖光柵寫入過程中的寫入場分布不均勻、高散射損耗問題，本文提出一種新型的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。該新型光纖結(jié)構(gòu)有助于降低散射損耗。而當(dāng)橢圓氣孔加入適當(dāng)?shù)囊后w匹配液時(shí)，該橢圓孔也可以起到會(huì)聚透鏡的作用，這有助于繼續(xù)增強(qiáng)光柵寫入效率。與單模光纖和周期性光纖相比，本文研究結(jié)果表明該新型橢圓孔式光子晶體光纖結(jié)構(gòu)寫入效率分別是其寫入效率的2.4倍和3.4倍，并且若縮小光纖纖芯半徑，該倍數(shù)還有可能繼續(xù)提高。

本研究得到了國家青年基金（61405127）、山西省青年基金（2014021023-1）、國家博士后基金（2014M562202）的資助。

［1］張春書.光子晶體光纖填充和光子晶體光纖光柵的研究［D］.南開大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

［2］朱濤.特種長周期光纖光柵基礎(chǔ)研究［D］.重慶大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

［3］劉耀輝.光子晶體光纖光柵傳感特性的研究［D］.南京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文.2011.

［4］徐中南.光纖光柵特性和光子晶體光纖熔接損耗研究［D］.國防科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2011.

百科

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（No.61405127），山西省青年基金 （No.2014021023-1），國家博士后基金（No. 2014M 562202）。

王冠軍，1983出生，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：光纖傳感。