色散補償光子晶體光纖結構參數對其色散的影響*

陳翔 張心賁 祝賢 程蘭 彭景剛 戴能利 李海清 李進延

(華中科技大學,國家光電實驗室,武漢 430074)

(2012年7月10日收到;2012年8月22日收到修改稿)

1 引言

在現代高速光纖通信系統中,色散已經取代損耗成為光纖通信系統的主要制約因素.由于色散補償光纖[1]是一種無源器件,可放在光纖線路中任何位置,安裝方便,能與標準單模光纖兼容,能得到較小的插入損耗,因此受到普遍的重視,成為當今的研究熱點.但普通色散補償光纖其補償能力有限,很難實現寬帶補償,并且成本較高,無法兼顧偏振模色散補償.光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)[2]的出現提供了一種全新的色散補償方法.PCF由沿著光纖長度方向的一個中心缺陷及多個圍繞著缺陷的空氣孔構成,近年來,PCF因為其具有在傳統光纖中無法達到的獨特性能而引起了廣泛的關注,其靈活可調的色散特性就是其中一個非常重要的特性,通過改變孔間距Λ和空氣占空比d/Λ能夠在特定的波段實現正常色散、反常色散[3,4]以及偏振模色散[5].其實際應用如PCF用于超連續譜產生[6,7]、色散平坦PCF[8]、色散補償PCF[9,10]等.PCF用作色散補償具有極大的應用潛力.2004年,Gerome等[11]設計了一種同軸雙芯色散補償PCF,該PCF在1550 nm處有很高的負色散系數;2006年,Fujisuma等[12]對同軸雙芯PCF在C波段的色散系數與其結構參數的關系進行了分析,并對其結構參數進行了優化.但是這些研究都是在理論模擬的基礎上進行的分析,結合實際制備光纖的研究很少報道.本文從理論分析和實際制備兩方面對光子晶體光纖結構參數對其色散性能的影響進行了研究,對實際設計和制備色散補償光子晶體光纖具有非常重要的指導意義.

2 光纖設計

本文設計了一種色散補償PCF,理論設計光纖橫截面如圖1(a)所示,灰色和白色區域分別表示二氧化硅和空氣,纖芯直徑約1.2μm,空氣占空比d/Λ和孔間距Λ分別為0.6和1μm,模擬結果表明該光纖在1550 nm處具有很高的負色散系數(-329 ps·nm-1·km-1),相對色散斜率 (relative dispersion slope,RDS)為0.0019,其色散曲線如圖1(b)所示,具有很好的寬帶色散補償能力.

圖1 (a)PCF橫截面;(b)PCF色散曲線

光子晶體光纖由一種材料制備而成,因此材料色散可以不予考慮,只考慮波導色散,所以其色散能由其結構參數決定.為了驗證空氣占空比d/Λ及孔間距Λ對PCF色散的影響,我們用頻域有限差分( finite-difference frequency-domain,FDFD)法對其色散系數進行了模擬[13].

首先,在Λ為1μm保持不變的情況下,模擬了d/Λ從0.6變化到0.9對色散系數的影響,模擬結果如圖2所示.

圖2 d/Λ改變模擬結果

在1550處,Λ為1μm,d/Λ不同的PCF色散值具體如表1.

表1 Λ=1μm,占空比改變時PCF的色散系數

從圖2和表1中可以看出,在Λ不變的情況下,d/Λ改變對色散數值影響很大.當d/Λ從 0.6增加到 0.7時,其在 1550 nm處色 散 值 從-329.52 ps·nm-1·km-1增 加 到-238.32 ps·nm-1·km-1,增長率為 11.6%,當d/Λ從 0.8 增加到0.9時,其在1550 nm處的色散值從-251.77 ps·nm-1·km-1增加到-238.32 ps·nm-1·km-1,增長率為5.3%.這表明,在1550 mm處色散隨著d/Λ的增加而增加,同時,d/Λ對色散的影響能力隨著d/Λ的增加而減小,因此可以通過調節占空比來調節色散.

在d/Λ不變的情況下,Λ從 1.0μm變化到1.5μm時的色散模擬結果如圖3所示.

圖3(a)為d/Λ為0.6不變時,Λ由1.0μm變化到1.5μm的色散變化曲線;圖3(b)為占空比0.8不變時,孔間距由1.0μm變化到1.5μm的色散變化曲線.在1550 nm處,色散值隨Λ的變化如表2.

表2 占空比不變情況下,孔間距改變時PCF的色散系數

從表 2中可知,在d/Λ為 0.6時,Λ從 1.0增 加 到 1.1, 色 散 系 數 由-329.52 ps·nm-1·km-1增長為-204.31 ps·nm-1·km-1,當Λ增長 10%時色散增長率約為 38%;在d/Λ為 0.8時,Λ同樣變化,色散系數由-251.77 ps·nm-1·km-1增加到-91.73 ps·nm-1·km-1,增長率為 63.5%.可見,當Λ在1μm附近時,色散系數對Λ變化極其敏感,然而,當Λ逐漸增大時,色散的變化量逐漸減小,表2中可以看出,Λ從1.4μm增加到1.5μm時,色散值的增加遠比Λ從1.0μm變化到1.1μm色散值的增加要小.但與此同時,色散的數值已經為正,表明該結構PCF的色散對結構參數的精確要求相當高,制造工藝困難.

圖3 d/Λ不變時,Λ改變對色散系數的影響 (a)d/Λ=0.6;(b)d/Λ=0.8

3 光纖的制備與性能

PCF由毛細管堆疊拉制而成,主要包括以下步驟：1)選用合適占空比的套管,經處理后拉制合適直徑的毛細管;2)挑選直徑一致的毛細管及石英棒集束排列成預制棒;3)對預制棒進行套管,然后拉制光纖.

本文制備了三種光子晶體光纖,分別編號為PCF1,PCF2,PCF3,其電鏡掃描圖分別如圖4所示.經測量,PCF1,PCF2,PCF3的結構參數分別為：Λ=1.0 μm,d/Λ=0.6;Λ=1.3 μm,d/Λ=0.7;Λ=1.2μm,d/Λ=0.8;光纖直徑均為125μm.并根據電鏡掃描圖所測量的結構參數分別模擬了這3種光纖的色散曲線,結果如圖5和圖6所示.

圖4 三種PCF的電鏡掃描圖

圖5 PCF1和PCF2的模擬及測試結果

圖5為PCF1和PCF2的對比模擬結果,實線、劃線、點線分別表示結構參數Λ=1.0μm,d/Λ=0.6;Λ=1.0 μm,d/Λ=0.7;Λ=1.3 μm,d/Λ=0.7的PCF在1400—1700 nm波段范圍內的色散系數.從圖5中可以看出,當Λ保持1.0μm不變時,d/Λ從 0.6增加到 0.7時,PCF在1550 nm 處的色 散 系數從-329.5 ps·nm-1·km-1增大為-291.4 ps·nm-1·km-1;而d/Λ保持 0.7 不變,Λ從1.0μm增加到 1.3μm時,PCF在 1550 nm 處的色散系數由-291.4 ps·nm-1·km-1急劇增大為 31.8 ps·nm-1·km-1. 圖 6 為 PCF1 和 PCF3的對比模擬結果,實線、劃線、點線分別表示結構參數Λ=1.0μm,d/Λ=0.6;Λ=1.0μm,d/Λ=0.8;Λ=1.2μm,d/Λ=0.8的PCF在1400—1700 nm波段范圍內的色散系數.同樣從圖6中可以看出,當Λ保持1.0μm不變,d/Λ從0.6增加到0.8時,PCF在1550 nm處的色散系數從-329.5 ps·nm-1·km-1變為-251.8 ps·nm-1·km-1,而d/Λ保持 0.8不變時,Λ從 1.0μm增加到1.2μm時,PCF在1550 nm處的色散系數由-251.8 ps·nm-1·km-1急劇增大為 7.8 ps·nm-1·km-1.由此可以推斷出,當僅改變d/Λ時,色散系數的變化并不明顯,改變Λ時,變化很敏感.我們分別測量了三種PCF在1520—1580 nm波長段的色散系數,色散的測試結果也與計算的色散曲線比較符合.在1550 nm 處,PCF1 的色散系數為-241.5 ps·nm-1·km-1,PCF2 的色散系數為 139.2 ps·nm-1·km-1,PCF3 的色散系數為 10.5 ps·nm-1·km-1,PCF 的色散系數隨著Λ的增加而增大.從之前的分析可以得出,d/Λ改變對PCF色散系數的影響并不是很大.三種PCF之間微小的孔間距Λ差異,導致三種PCF的色散系數差別如此之大,從而驗證了Λ對色散系數的影響比d/Λ的影響要大得多,實際制造這種光纖非常困難.

圖6 PCF1和PCF3的模擬及測試結果

三種PCF中,PCF1比較接近理想設計的結構：Λ=1.0μm,d/Λ=0.6.但是由于拉制過程中對空氣孔內氣壓的控制程度不夠,導致內層空氣孔的占空比略小于外層空氣孔.從實際測試結果來看,這對PCF的色散系數影響并不明顯,PCF1在1550 nm處的色散系數為-241.5 ps·nm-1·km-1,具有比較好的色散補償能力.但是對于高速傳輸的密集波分復用系統而言,不僅要對色散值進行補償,同時也要對光纖的色散斜率進行補償,也就是說,需要對光纖在某波段內的色散同時進行補償.用色散補償光纖實現這種全色散補償時,在被補償的波段內,需要滿足以下條件：

式中LCF為被補償的光纖的長度;DCF為被補償的光纖的色散值;LDCF為色散補償的光纖的長度;DDCF為色散補償的光纖的色散值.

因此,相對色散斜率RDS定義為

SCF為被補償光纖的色散斜率;SDCF為色散補償的光纖的色散斜率;即色散補償光纖與被補償光纖的相對色散斜率接近或是相等[14].

常用通信光纖G652在C波段的RDS為0.0036,而PCF1的RDS為0.0018,表明此種光纖具有良好的寬帶色散補償能力.RDS的計算式為

其中D(1530),D(1550),D(1570)分別為光纖在1530,1550,1570 nm的色散值.

結果表明提出的這種PCF結構具有一定的寬帶色散補償能力,并且能夠通過調節其結構參數在期望的波長范圍內達到特定的色散要求.值得一提的是,其色散對孔間距Λ的變化比占空比d/Λ更為敏感.但是這種PCF制備工藝困難,占空比d/Λ在實際堆疊拉制法中是確定了的,為了精確控制PCF的色散,我們應該更多關注孔間距Λ,色散系數對孔間距Λ非常敏感,然而,在實際制備過程之中,孔間距Λ的大小受到拉制過程中溫度和速度的影響是不可控的,但是我們可以通過輕微的改變光纖的直徑,精確控制孔間距Λ的大小,從而精確控制PCF的色散系數.

4 結論

通過理論計算和實際測試結果的對比分析,研究了色散補償PCF的結構參數對其色散的影響,發現色散系數對于孔間距Λ的變化比占空比d/Λ更為敏感,并且隨著孔間距Λ的增加,其對色散系數的影響逐漸減小.為了精確控制光子晶體光纖的色散,我們可以在設計色散補償PCF時增大其孔間距Λ或者在實際拉制過程中調節PCF的直徑以達到精確控制孔間距Λ的目的.實際制備出的色散補償光子晶體光纖,其結構參數為Λ=1.0μm,d/Λ=0.6,其在1550 nm處的色散系數為-241.5 ps·nm-1·km-1,該 PCF 的 RDS 為 0.0018,表明此種光纖具有良好的寬帶色散補償能力,對實際設計和制備色散補償光子晶體光纖具有一定的指導意義.

[1]Gruner-Nielsen L,Wandel M,Kristensen P,Jorgensen C,Jorgensen L V,Edvold B,Palsdottir B,Jakobsen D 2005J.Lightwave Technol.23 3566

[2]Russell P S J 2006J.Lightwave Technol.24 4729

[3]Yang S,Zhang Y J,Peng X Z,Lu Y,Xie S H 2006Opt.Express14 3015

[4]Jiang L H,Hou L T 2010Acta Phys.Sin.59 1095(in Chinese)[姜凌紅,侯藍田2010物理學報59 1095]

[5]Ritari T,Niemi T,Ludvigsen H,Wegmuller M,Gisin N,Folkenberg J R,Petterson A 2003Opt.Commun.226 233

[6]Jing Q,Zhang X,Ma H F,Huang Y Q,Ren X M 2012Opt.Laser Technol.44 1660

[7]Dudley J M,Genty G,Coen S 2006Rev.Mod.Phys.78 1135

[8]Saitoh K,Koshiba M,Hasegawa T,Sasaoka E 2003Opt.Express11 843

[9]Shen L P,Huang W P,Chen G X,Jian S S 2003IEEE Photonic.Tech.L 15 540

[10]Wang Z A,Ren X M,Zhang X,Xu Y Z,Huang Y Q 2007J.Opt.APure Appl.Opt.9 435

[11]Gerome F,Auguste J L,Blondy J M 2004Opt.Lett.29 2725

[12]Fujisawa T,Saitoh K,Wada K,Koshiba M 2006Opt.Express14 893

[13]Pourmahyabadi M,Nejad S M 2009Iranian J.Electr.Electron.Eng.5 170

[14]Li S G,Liu X D,Hou L T 2004Acta Phys.Sin.53 1880(in Chinese)[李曙光,劉曉東,侯藍田2004物理學報53 1880]