趙原源

（燕山大學(xué)理學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

光子晶體光纖（PCF）近些年在理論和制備工藝上都得到了快速的發(fā)展。雖然關(guān)于PCF理論模擬方面已有大量報(bào)導(dǎo)[1-3]，但是絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，尤其是高非線性PCF要求芯徑較小，包層的空氣占有率較大，這樣就造成了拉制光纖時(shí)很容易形成塌陷，制備工藝很難實(shí)現(xiàn)或拉制出來后結(jié)構(gòu)誤差較大，使得實(shí)際拉制出來的光纖無法達(dá)到要求[4-5]。普通的石英單模光纖的非線性系數(shù)為1.1W-1·km-1，而高非線性PCF的非線性系數(shù)是普通石英光纖的幾十甚至幾百倍，而且PCF的色散特性具有較大的設(shè)計(jì)靈活性，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獲得較平坦的色散特性，同時(shí)由于包層與纖芯較大的折射率差，使波導(dǎo)色散增加，零色散波長(zhǎng)可以移至短波長(zhǎng)波段。目前具有高非線性系數(shù)和可控的色散特性的PCF已被廣泛應(yīng)用于光通信、全光再生、光相干層析激光頻率測(cè)量等領(lǐng)域[6-8]，因此如何能夠設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的而且非線性系數(shù)又比較高的PCF就成為一個(gè)關(guān)鍵性問題[9]。本文利用多極法對(duì)設(shè)計(jì)的幾種PCF進(jìn)行了數(shù)值模擬，這種光纖最大的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拉制，用普通的堆積拉絲方法就能制作出誤差很小的PCF，而且這種光纖的非線性系數(shù)理論上能夠達(dá)到125W-1·km-1，通過實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量了幾種包層結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)的光纖，發(fā)現(xiàn)這些光纖的非線性譜圖與理論符合的較好[10]。

1 理論模型

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的PCF（截面如圖1所示），并利用多極法分析研究了這種PCF的色散和非線性特性，得出了基模的色散系數(shù)及非線性系數(shù)和空氣孔直徑d及孔間距 這些結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。詳細(xì)分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)PCF的色散和非線性的影響。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 模場(chǎng)分布

圖2的計(jì)算結(jié)果表示設(shè)計(jì)的PCF 在通信波段λ=1.55μm處基模的波印廷矢量及縱向電場(chǎng)分布。包層空氣孔層數(shù)N=3，中間缺失一層，孔間距為，孔直徑為d。

2.2 色散特性

一般的，P C F 的總色散D(λ)主要包括材料色散Dm(λ)和波導(dǎo)色散DW(λ)。圖3 表示當(dāng) 分別為0.70,0.75,0.80,0.85的PCF的總色散系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果。從色散系數(shù)D隨波長(zhǎng)λ的變化關(guān)系可知：隨著空氣填充率的增加，單模光纖的零色散波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，所以可以采用增大包層空氣填充率的方法將零色散波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。進(jìn)一步可知 =0.85時(shí)的零色散波長(zhǎng)位于0.83μm附近，如果繼續(xù)增大空氣填充率，可以使其零色散波長(zhǎng)更短。零色散波長(zhǎng)的位置對(duì)于光纖中光孤子的形成以及其它非線性效應(yīng)均有很大的影響，根據(jù)PCF的色散位移特性，可以靈活地設(shè)計(jì)色散位移光纖。另外 增加到0.85時(shí)，出現(xiàn)了第二零色散點(diǎn)，并且第二零色散點(diǎn)也是向著短波方向移動(dòng)，這樣理論上可以通過調(diào)節(jié) 的值把PCF的第二零色散點(diǎn)調(diào)到0.8μm附近，滿足超連續(xù)譜等方面的應(yīng)用。

2.3 非線性特性

圖4模擬的是 取不同的數(shù)值時(shí)基模的非線性隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系，從圖中可以看出PCF的非線性系數(shù)隨波長(zhǎng)增加而減小，且隨著 的增加曲線整體上移，說明隨著空氣占空比率的增加，PCF的非線性效應(yīng)明顯升高。當(dāng)=0.85時(shí)，在λ=1.55μm的通訊波段PCF的非線性系數(shù)可以達(dá)到870W-1·km-1以上，為其在超連續(xù)譜方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取3根包層結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)基本一致的光子晶體光纖進(jìn)行了超短脈沖傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，這三根光纖的 分別等于0.75,0.80,0.85。實(shí)驗(yàn)中用的是120fs激光脈沖進(jìn)行傳輸，泵浦波長(zhǎng)800nm，脈沖的平均功率為0.6W。圖5(a)、(b)、(c)是三種光纖的非線性光譜實(shí)驗(yàn)圖。通過對(duì)三幅光譜圖的比較可以看出隨著 的增加，光纖的非線性效應(yīng)越來越強(qiáng)，尤其是當(dāng) 增加到0.85時(shí)光纖表現(xiàn)出來的在各個(gè)波段的非線性譜線更加豐富，這和理論模擬的結(jié)果非常吻合。光子晶體光纖的非線性主要表現(xiàn)在頻譜的最初的展寬是由自相位調(diào)制引起的，同時(shí)由于三階色散和脈沖內(nèi)拉曼散射的共同作用使得頻譜變得不對(duì)稱（如圖5（a）所示）。隨著光纖的非線性系數(shù)增高，頻譜不斷地向兩邊展寬，(如圖5（b）)形成了高階孤子，由于孤子的能量的量子化，高階孤子分裂成紅移的基礎(chǔ)孤子和藍(lán)移的非孤子輻射，形成的基礎(chǔ)孤子有不同的中心波長(zhǎng)，因此展寬了頻譜。另外與圖3光纖的色散特性比較可以看出，當(dāng)泵浦波長(zhǎng)離光纖的零色散點(diǎn)越來越近時(shí)，光纖的二階色散就會(huì)減小，各種豐富的非線性效應(yīng)使得光脈沖頻譜得到極大展寬。由圖3和圖5可以看出泵浦波長(zhǎng)處于光纖的正常色散區(qū)，因此由自相位調(diào)制所引起的頻率啁啾與正常色散相互作用產(chǎn)生頻率旁瓣，而且離光纖的零色散點(diǎn)越遠(yuǎn)產(chǎn)生的光譜就越窄，但是平坦性較好。

4 結(jié)語

本文采用多極矢量法對(duì)自行設(shè)計(jì)的高非線性光子晶體光纖進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參量可以設(shè)計(jì)出不同色散特性和非線性的高非線性光子晶體光纖，這種光纖最大的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，便于拉制。并且通過理論和實(shí)驗(yàn)證明了包層的占空比 達(dá)到0.85時(shí)對(duì)光纖的色散和非線性帶來很大的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)泵浦的中心波長(zhǎng)對(duì)于形成的超連續(xù)譜的寬窄和平坦性有關(guān)，為基于高非線性光子晶體光纖的光纖器件的選材和應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。