1 微結(jié)構(gòu)光纖的簡(jiǎn)介

光子晶體的含義最開(kāi)始是由埃利雅布羅諾維奇于1987 年的時(shí)候所揭示的，隨著光子晶體的出現(xiàn)，英國(guó)學(xué)者提出利用周期性結(jié)構(gòu)形成光纖包層的思想。此后各種微觀(guān)結(jié)構(gòu)光纖被提出和制定。已成為光纖光學(xué)范疇的研討熱門(mén)。本文提出了一種新型填充雙芯負(fù)色散微結(jié)構(gòu)光纖，此光纖折射率是1.444。包層上分布著五層氣孔，排列成三角形網(wǎng)格。其中光纖的填充直徑是3.87um，空氣孔之間的距離Λ是5.58um。本論文是在第二、三、四層填充了功能性材料。填充材料在波長(zhǎng)1.55um、溫度25℃條件下的折射率為1.438。這個(gè)過(guò)程中就形成了新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[1]。

光纖的色散是光纖的傳輸特性之一。我們通過(guò)在光纖截面引入多個(gè)纖芯或不同直徑的空氣孔以及改變包層空氣孔中的孔間距和直徑等，可以實(shí)現(xiàn)不同波段的零色散點(diǎn)，高的負(fù)色散和平坦的色散等特性，從而在超連續(xù)產(chǎn)生和傳輸、孤子產(chǎn)生以及參量放大器的光學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮重要的應(yīng)用。本文將通過(guò)對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行材料填充，可以實(shí)現(xiàn)可控、優(yōu)良的色散特性。色散控制在非線(xiàn)性光學(xué)和色散的特性中發(fā)揮著不可或缺的角色，光導(dǎo)纖維的色散公式D 為[2]：

在上式中，波長(zhǎng)用λ 表示，傳播速度c=3×108m/s。

2 填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖模式耦合特性

本文采用COMSOL MULTIPHYSICS 仿真軟件來(lái)進(jìn)行求解，此分析軟件是以有限元法為依據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)象的仿真。填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)的第二層、第三層、第四層計(jì)算出不同波長(zhǎng)下有效折射率的數(shù)值，利用OriginPro 軟件畫(huà)出波長(zhǎng)從1 550nm 到1 580nm 區(qū)域內(nèi)所對(duì)應(yīng)的折射率的關(guān)系曲線(xiàn)圖。

圖1 nneff 隨λ變化曲線(xiàn)

圖1 顯示出填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)的第四層不同模式的模場(chǎng)圖，電場(chǎng)的方向也就是圖中的箭頭。從圖中可以看出三處發(fā)生了耦合，即a、b 和c 點(diǎn)。光在1 547nm（a 處）之前處于纖芯波導(dǎo)中，在1 547nm 之后處于填充波導(dǎo)中，在a 點(diǎn)波長(zhǎng)為1 547nm 時(shí)光被同時(shí)限制在纖芯和高折射率填充柱中，說(shuō)明此時(shí)a 點(diǎn)纖芯基模模式和填充波導(dǎo)模式之間發(fā)生了耦合。同理，在b，c 兩個(gè)波長(zhǎng)處，纖芯模式也和填充波導(dǎo)模式發(fā)生了耦合。

3 雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的色散特性

圖2 和圖3 分別表示填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的第三層和第四層的填充模式和纖芯模式的色散特性曲線(xiàn)。圖中向下開(kāi)口的拋物線(xiàn)表示纖芯模式曲線(xiàn)（實(shí)線(xiàn)），向上開(kāi)口的拋物線(xiàn)表示填充模式曲線(xiàn)（虛線(xiàn)），由圖可以看出這兩個(gè)曲線(xiàn)由于兩個(gè)模之間的耦合而顯示出高度對(duì)稱(chēng)的特性，此外模態(tài)耦合引起的模態(tài)指數(shù)曲線(xiàn)的斜率變化很快，在纖芯模態(tài)和填充模態(tài)的λp 附近都出現(xiàn)了很大的色散值。如圖2 所示，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，在λ=1 546nm 時(shí)，色散值可以達(dá)到-4 000ps/（nm-km）。非常高的負(fù)色散值可以幫助我們減小DCF 結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度并減少可能的損耗。此外，λ〈λp 的負(fù)色散斜率也可用于波分復(fù)用系統(tǒng)中的某些應(yīng)用。

隨著填充空氣孔層數(shù)的變化，由于不同的匹配包層，空氣孔直徑的變化顯著地移動(dòng)了λp 的位置。較大的空氣孔在較長(zhǎng)的λp 處具有相對(duì)較大的負(fù)色散值和更尖銳的深度，如圖3 所示在1 547nm 的耦合波長(zhǎng)下產(chǎn)生D=-4 500 ps/（nm-km）色散。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)光子晶體光纖的幾何結(jié)構(gòu)，我們可以實(shí)現(xiàn)在光通信所需波長(zhǎng)處具有非常大負(fù)色散的光子晶體光纖[3]。

圖2 第三層有效折射率隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)

圖3 第四層有效折射率隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)

本文所研究的是基于填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)的第二、三、四層，得到微結(jié)構(gòu)光纖在特定波段來(lái)實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償，如表1 所示。發(fā)現(xiàn)在雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的第二、三、四層均得到色散補(bǔ)償，且雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的層數(shù)越多，所對(duì)應(yīng)負(fù)色散值就會(huì)越大從而達(dá)到通信中的色散幾乎沒(méi)有，從而保證通信質(zhì)量提高以及延伸通信距離。

表1 波長(zhǎng)和色散關(guān)系圖

4 總結(jié)和展望

本文提出了一種基于雙芯填充微結(jié)構(gòu)光纖的色散補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。應(yīng)用有限元方法可以獲得在該結(jié)構(gòu)的有效折射率和模場(chǎng)分布。通過(guò)填充不同層和空氣孔的大小得到雙芯光子晶體光纖的色散特性。發(fā)現(xiàn)在填充雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的第二、三、四層特定的耦合波長(zhǎng)內(nèi)的色散值為-3 800ps/（nm·km）、-4 000ps/（nm·km）、-4 500ps/（nm·km）實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償，從此得出雙芯微結(jié)構(gòu)光纖的層數(shù)越多，所對(duì)應(yīng)負(fù)色散值就會(huì)越大從而達(dá)到通信中的色散幾乎沒(méi)有。同時(shí)相位匹配波長(zhǎng)也可以調(diào)整幾何形狀的MOFs。本文還演示了所提出的器件的可調(diào)諧性能。本文的研究結(jié)果為調(diào)節(jié)色散特性提供了一種新的途徑，從而為進(jìn)一步研制相應(yīng)的光纖器件提高了理論依據(jù)；同時(shí)該光纖采用了復(fù)合格點(diǎn)結(jié)構(gòu)，且采用的空氣孔尺寸均大于lum，這既給我們提供了較多的設(shè)計(jì)自由度，又減少了實(shí)際制作的困難。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的這種光子晶體光纖既有利于實(shí)際的制作，又可以用作波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中的寬帶色散補(bǔ)償光纖，在優(yōu)化產(chǎn)生超連續(xù)光譜和抑制孤子自頻移方面有著重要的應(yīng)用。

雖然雙芯微結(jié)構(gòu)光纖較普通光導(dǎo)纖維設(shè)計(jì)更加獨(dú)特靈活，但由于其焊接過(guò)程中的耗損嚴(yán)重，因此其在實(shí)用性、高效性等方面仍有待加強(qiáng)，針對(duì)此問(wèn)題，建議放棄傳統(tǒng)透鏡組耦合的方式，而是考慮將微結(jié)構(gòu)光纖焊接在系統(tǒng)中，并將其拉長(zhǎng)以提高效率。此外，還可以考慮將微結(jié)構(gòu)光纖的層數(shù)變多，實(shí)現(xiàn)“多芯”，便可用于放大器、光通信等系統(tǒng)中[2]。