高双折射光子晶体光纤研究进展

学术论文

半导体光电!2010年4月第31卷第2期陈明阳等: 高双折射光子晶体光纤研究进展

动态综述

高双折射光子晶体光纤研究进展

陈明阳,张永康

(江苏大学机械学院,江苏镇江212013)

摘 要: 首先对高双折射光纤的基本原理和概念作了介绍,并简要讨论了用于分析高双折射光子晶体光纤的常用数值方法及其特点。在此基础上,提出可将高双折射光子晶体光纤归纳为四种基本类型,并对每一种类型的原理、特点和典型结构作了介绍和分析。还简要介绍了高双折射光子晶体光纤的典型应用,最后对高双折射光子晶体光纤的发展方向和前景进行了展望。

关键词: 光子晶体光纤;高双折射;有限差分法;有限元法;多极法

中图分类号:TN253 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2010)02-0165-05

ResearchProgressesofHighlyBirefringentPhotonicCrystalFibers

CHENMingyang

(SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,CHN)

Abstract: Firstly,thebasicconceptsandprinciplesofhighlybirefringentopticalfibersareintroducedandalsothecommonnumericalmethodsforthesimulationofthehighlybirefringentPCFsarediscussed.Secondly,highlybirefringentphotoniccystalfibers(PCFs)areclassifiedintofourgroupsandforeachtype,theprinciples,characteristicsandtypicalconfigurationsareintroduced.Thirdly,typicalapplicationsofhighlybirefringentPCFsareintroducedandthedevelopingtrendsarediscussed.

Keywords: photoniccrystalfiber;highlybirefringence;finite elementmethod;finite differencemethod;multipolemethod

0 引言

高双折射光纤在通信、传感等领域都有着广泛的应用。由于保偏光纤的问世,在20世纪80年代中期光纤相干通信研究成为很长时间的热门课题。理论计算表明,光纤传输采用相干检测方法比直接幅度检测灵敏度要高近20dB。以保偏光纤为主体的相干式光纤传感器领域正在引起一场新的变革,磁场、电流、温度、压力、振动、转动、加速度等光纤传感器应运而生,特别是光纤陀螺和光纤水听器一直受到发达国家军方的高度重视,并在80年代末已逐步走向实用。光纤陀螺的迅速发展也有力地推动了

收稿日期:2009-09-18.

基金项目:国家自然科学基金项目(10904051);中国博士后科学基金资助项目(20080441070);江苏省博士后科研计划项目(0802018B).

保偏光纤的研制进程。

1 高双折射光纤基本原理

理想单模光纤的横截面和折射率分布具有圆对称性。它可以传输偏振方向相互正交、传播常数相

xy

等的两个基模HE11和HE11。由于两个模式的传播常数 x和 y相等,因此,这两个模式是相互简并的。它们在沿光纤轴传输时,彼此相位相同,偏振态保持不变,这是理想的传输情况。

然而,实际光纤是不完善的,横截面不是理想的圆,内部的折射率分布也因内部应力的不均匀而导致折射率的不均匀。这就引起两个基模传播常数的变化,从而导致单模光纤中基模偏振态的扰动。单模光纤中两个模式的传播常数或相速与光偏振方向有关的这种现象,称为光纤中的双折射现象。此时,

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两个模式并不简并,存在传播常数差。一般用模双折射B来表示双折射的大小:

B=neff-neff

x

y

得具有高双折射的光子晶体光纤。与传统的熊猫型或蝶结型等保偏光纤相比,高双折射光子晶体光纤的主要优点是:

(1)制作工艺简单,成品率高,成本低,不需大型预制棒制作设备;

(2)设计自由度大,可以在保证光纤具有高双折射的基础上,同时获得特殊的色散、模场面积、传输损耗等特性;

(3)传统保偏光纤双折射的典型值约为5 10,而光子晶体光纤的双折射一般可做到1 10-3以上,甚至可达10-2量级。

按其实现方法,高双折射光子晶体光纤主要可分为四大类:第一类是在纤芯附近引入局部非对称性的光子晶体光纤结构;第二类是具有各向异性包层的光子晶体光纤[9 14];第三类是在包层区引入应力元的光子晶体光纤[15 16];第四类是具有微结构纤芯的光子晶体光纤。

第一类结构是通过在纤芯周围的空气孔或纤芯形状进行调整,使光纤的折射率分布具有二阶对称性,即通过降低光子晶体光纤的对称性,从而获得高双折射。2000年英国Bath大学首先制作出了一种高双折射光子晶体光纤(如图1(a)所示)[5],采用减小一排空气孔的方法,获得了高达3.7 10-3的双折射。图1(b)所示的高双折射光子晶光纤已由CrystalFiberA/S公司开发成产品,它是由缺失的两个空气孔组成纤芯,形成光纤折射率分布的二阶对称性[6]。其主要参数为双折射大于1 10-3,零色散波长为700nm。图1(c)为日本NTT和三菱公司开发的高双折射光子晶体光纤,其双折射B=1.4 10-3[7]。这种光纤的生产技术已经非常成熟,光纤长度可达1.5km,在1550nm的传输损耗为1.3dB/km。除具有传输损耗低的特点外,这种光纤的模场直径也较大,在1550nm,X和Y方向的模场直径分别为3.5 m和6.1 m。文献[8]报道了理论分析和实验制作纤芯周围由四个大空气孔组成的高双折射光子晶体光纤,这种光纤的双折射为2.1 10-3,并可实现单偏振光传输。

第二类高双折射光子晶体光纤的包层具有各向异性的特点。图2(a)为哥伦比亚大学提出的椭圆孔高双折射光子晶体光纤[9],光纤中的空气孔是椭圆型的。由于这种结构本身具有二阶对称性,以此为基础制作的光子晶体光纤就能够具有极高的双折射(可达10-2以上),并具有可调的色散特性,以及

[17 19]

[5 8]

-4

(1)

y

这里,nxeff和neff分别表示两个线偏振模的模折射率

(有效折射率)。即B实际上是表示两个线偏振模的模折射率之差。B越大,两线性偏振模之间的耦合系数就越小,越有利于偏振态的保持。

由两个模式之间的相位延迟,即 =( x- y)z可知,入射偏振光每经过一段长度L=2 /| x- y|后,基模的偏振态就沿光纤长度方向产生一次周期性的变化:从线偏振光到椭圆偏振光再到圆偏振光最后又回到线偏振光。场型变化一个周期的长度用拍长L表示:

L=2 /| x- y|

或写成

L=!/B

由此可知,双折射B值越大,拍长越短。

(3)(2)

2 计算方法概述

在高双折射光子晶体光纤研究方面,最初人们主要运用平面波展开法

[1]

、时域有限差分法

[2]

等方

法进行分析。但这两种方法只能分析光纤的双折射,而不能分析光子晶体光纤的泄露损耗。而实际

上,泄露损耗的大小往往决定了光纤的制作难度和实际应用的可能性,因此,人们也开始采用频域有限差分法、多极法、有限元法等这些可以同时分析光纤的双折射和传输损耗的方法。有限差分法的特点是程序较简单,容易实现,但精度稍低。多极法的优点是精度很高,在分析对称性强、孔数量较少的光子晶体光纤时,计算量小,因此被广泛采用。其主要缺点是只能分析空气孔横截面为圆形的光子晶体光纤。有限元法的程序较复杂,但目前已有商用软件可以使用,如Comsol,其精度较高,计算量适中,且可以计算各种复杂的微结构光纤,因此近几年也被运用于高双折射光子晶体光纤的分析。

[5]

[3]

[4]

3 研究进展

光子晶体光纤研究的初期,人们的注意力主要集中在由周期排布的空气孔组成的光子晶体光纤。在研究过程中发现,在光纤制作过程中引入的制作误差容易导致光纤双折射的产生,这就启发了人们通过人为降低光纤横截面折射率对称性的方法,获

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可获得零群速度差等优点。然而由于制作上的困难,实际制作获得的椭圆孔光子晶体光纤的双折射仅在10量级。椭圆孔光子晶体光纤优点虽然很多,但要获得与其他几种高双折射光子晶体光纤相当的双折射尚需进一步改进制作方法。图2(b)为矩形结构光子晶体光纤的横截面示意图,这种结构避免了制作椭圆孔的困难,事实上还可以采用堆积法来制作这种光子晶体光纤[11 13],并且这种光纤同样可以获得10-2量级的高双折射。因此,这种光纤在理论上更容易实现。研究结果还表明,将椭圆空气孔排列为矩形结构时,可以更有效地提高光纤的双折射,从而证明,当采用椭圆空气孔结构制作高双折射光纤时,也应采用矩形结构,以获得高的双折射。文献[14]证明了在矩形结构光子晶体光纤等这些具有各向异性结构的光子晶体光纤中,光纤的双

折射是包层和纤芯的双折射共同影响的结果。因此

-5

[10]

可以通过调整纤芯的形状来减小纤芯对光纤双折射的负面影响,从而使光纤具有较大的模场面积和较高的双折射。此外,人们还提出了空气孔排布在等腰三角形网格上的光子晶体光纤,并用此结构设计出了一种超小尺寸的偏振分束器[11]。

人们还对矩形结构光子晶体光纤的传输损耗进行了研究[12]。结果表明,矩形结构光子晶体光纤中传输的两个偏振模具有很强的偏振相关损耗,选择合适的参数可以获得单偏振的光传输。例如,选择合适参数,可以使光纤的两个线性偏振模的传输损耗分别为530dB/km和10dB/km。偏振相关损耗达到了520dB/km。另一方面,高双折射矩形结构光子晶体光纤中空气孔的周期一般较小,为减小由此带来的传输损耗过大的问题,可采用#三明治结构 ,这种结构如图2(c)。在光比较容易泄露的纤芯的左右两侧,采用三角结构排布的空气孔方法,可将传输损耗降低一个数量级以上,从而可以有效地减少包层中空气孔数量,降低光纤制作的复杂度。

第三类高双折射光子晶体光纤采用了传统保偏光纤获得高双折射的方法,即在光纤中引入应力元。由于光子晶体光纤可以在大模场的前提下,保持单模传输的特点,因此这种结构的高双折射光子晶体光纤一般具有较大的纤芯,适合于超短脉冲光纤激光器等要求光纤具有低非线性的场合。这种光纤的缺点是双折射一般在10-4量级或更小。

第四类高双折射光子晶体光纤是采用微结构芯的光子晶体光纤。在包层具有各向异性特性的光子晶体光纤中,双折射主要来源于包层,由于传输模式的模场主要集中在纤芯区,因而,光纤的双折射总是小于包层的双折射[2]。而且要获得高的双折射,光纤的纤芯要做得很小,从而使光场向包层扩展。如果将纤芯制作成各向异性结构,则可以在保证光纤具有较大的双折射的基础上,具有较低的泄露损耗。Chen等人[17]提出了在纤芯中引入周期远小于包层中空气孔周期的椭圆空气孔,可获得高达0.01的双折射且光纤的泄露损耗小于0.01dB/km。但由于引入空气孔后,纤芯折射率与包层折射率之差是随光波长而强烈变化的,为保证光纤只传输基模,纤芯只能保持在很小的水平。文献[18]提出了另一种新型光纤(如图3(a)、(b)所示),采用折射率比包层背

[15 16]

图1

几种典型的高双折射光子晶体光纤

图2 (a)椭圆孔高双折射光纤、(b)矩形孔高双折射光纤及

(c)三明治结构光纤

景材料高的材料作为纤芯的背景材料,从而使纤芯与包层的折射率差较小,可以光纤同时具有大模场(100 m2以上)、高双折射(10-3量级)的特点。此

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外,这种结构还可以实现大模场(119 m2)、宽带(127nm)、低损耗(小于0.1dB/km)的单偏振的光传输。文献[17]还提出了一种实芯微结构芯光纤,这种光纤采用两种不同折射率的材料组成纤芯,采用这种结构获得的双折射虽然要低一些(10-4量级),但其模场面积可以做得很大(300 m以上),这种光纤同样可以实现大模场的单偏振的光传输[19]。这种结构的制作难点在于,由于纤芯由多根介质棒或毛细管所组成,在棒与管的界面上容易导致光的散射,从而增加光纤的传输损耗。目前尚没有这种光纤制作的实验报道,但微结构芯光纤已有制作成功的报道[20]。

除以上四类方法外,人们也通过几种方法混合的方法,获得了一些新型结构的高双折射光子晶体光纤,如在椭圆孔光子晶体光纤的纤芯周围引入大的空气孔来增加光纤的双折射

[21]

2

体光纤中的双折射对温度的敏感性可以比常规高双折射光纤低约100倍[27 28],这对许多应用都是非常重要的。例如,采用文献[9]所提出的高双折射光子晶体光纤,获得了性能远远好于常规高双折射光纤的低温度敏感性的光纤干涉仪,温度引起的波长变化仅为0.05pm/&[29]。此外,利用高双折射光子晶体光纤对温度不敏感及其对压力较大的敏感性的特点,可实现对机械力的传感与检测,且无需进行温度补偿[30]。此外,高双折射光子晶体光纤还可应用于拉曼放大、偏振的超连续谱产生、四波混频和交叉相位调制等[31]。

5 展望

相比于传统保偏光纤采用应力元和非圆纤芯的方法,光子晶体光纤由于结构的灵活性,可以采用多种不同的方法获得具有不同模场面积、双折射大小和色散等特性的光纤。这些潜在的优势,从传输特性、结构、性能价格比、工作波段扩展等诸多方面为保偏光纤产品更新换代奠定了基础。正因为如此,许多国家的研究机构加快了开发步伐。目前,无论在制作工艺、性能改进、测试技术、产品长度等方面都获得了重要突破。与光子晶体光纤在长途通信中的应用相比,保偏光子晶体光纤的实际应用更加成熟。

,以及在矩形结构

[22]

光子晶体光纤中引入不同大小的孔等。

图3 (a)微结构芯光纤的横截面示意图及(b)放大的纤芯

区横截面示意图

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equations

in

a

planewavebasis[J].Opt.Express,2001,8(3):173

4 高双折射光子晶体光纤的应用

除了用于传输保偏光以外,在使用光纤的信息传输或测量系统中,特别是在光纤陀螺等干涉型光纤传感器中,越来越多地使用保偏光纤做成的耦合器、偏振分束器、偏振器等,以使系统实现全光化、小型化和轻量化。保偏光纤也可组成各种新型功能器

件,如:保偏光纤耦合器、偏振分束器、波分复用器等。此外,人们还以高双折射光子晶体光纤为基础,获得了新型的单模单偏振光子晶体光纤结构[23 25]。

基于高双折射光子晶体光纤的掺Yb激光器输出光脉冲的偏振比可以高达200%1[26]。高双折射光纤可以提高激光器对环境的稳定性,采用微结构芯光纤及应用元引入双折射的方法,已经实现了750 J焦的光脉冲输出,且线宽小于1MHz,光束质量因子达到了M~1.3

2

[20]

。实验已经证实光子晶

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作者简介:

陈明阳(1976-),男,博士,副教授,主要从事光纤技术方面的研究工作。E mail:miniyoung@

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9dq4.html