空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張慧嘉,徐士杰,郭 娜,楊 鵬,龐 璐,寧 鼎

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

空芯光子帶隙光纖(Hollow Core Photonic Bandgap Fiber,HC-PBGF)是一種新型微結(jié)構(gòu)光纖,包層為周期性排列的空氣孔結(jié)構(gòu),中間的纖芯為大空氣孔。包層中周期排列的微米級(jí)空氣孔構(gòu)成二維光子晶體,產(chǎn)生光子帶隙效應(yīng),阻礙特定頻率的光在包層空氣孔中傳輸。在包層中引入大空氣孔,使光子晶體結(jié)構(gòu)形成缺陷,實(shí)現(xiàn)將光限制在缺陷即空氣纖芯中傳輸[1-2]。

由于空芯光子帶隙光纖特殊的導(dǎo)光機(jī)制,在傳統(tǒng)單模光纖中起主導(dǎo)作用的瑞利散射和材料吸收對(duì)損耗的貢獻(xiàn)極低,因此空芯光子帶隙光纖損耗的理論極限很低。但現(xiàn)有空芯光子帶隙光纖的損耗較大,商用7胞空芯光子帶隙光纖在波長1550 nm的損耗一般為20 dB/km左右[3],限制了空芯光子帶隙光纖在長距離傳輸方面的應(yīng)用。空芯光子帶隙光纖的損耗主要包括限制損耗和表面散射損耗。經(jīng)過光纖結(jié)構(gòu)優(yōu)化,限制損耗可以降低至以1×10-4dB/km以下,可以忽略[4]。因此在總損耗中,表面散射損耗(Surface Scattering Loss,SSL)占主導(dǎo)地位。通過擴(kuò)大纖芯直徑可以降低散射損耗,所以采用19胞芯的空芯光子帶隙光纖比采用7胞芯的空芯光子帶隙光纖的損耗要小(在波長1560 nm總損耗可低達(dá)1.2 dB/km),但是這個(gè)光纖是多模的[5]。

為了在保持低散射損耗的19胞空芯光子帶隙光纖結(jié)構(gòu)的同時(shí)改進(jìn)光纖的單模性,2006年美國OFS實(shí)驗(yàn)室的科研人員提出了在19胞空芯光子帶隙光纖兩側(cè)設(shè)置側(cè)芯,從而19胞空芯光子帶隙光纖中間纖芯里的高階模耦合到光纖包層中耗散掉,從而改進(jìn)光纖的單模性[6]。2013年他們成功研制出來了上述光纖,改進(jìn)了19胞空芯光子帶隙光纖光纖的單模性,但是光纖的損耗(7.5 dB/km)比文獻(xiàn)[4]中光纖最低損耗1.2 dB/km要高[7]。

2021年,法國Limoges大學(xué)Xlim研究所的研究人員提出了空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖的結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了基模限制損耗和散射損耗因子F,以及最低限制損耗的高階模的計(jì)算[8]。但是他們只根據(jù)光纖基模和高階模的限制損耗大小進(jìn)行對(duì)比,就得出了光纖的單模性,這一點(diǎn)我們認(rèn)為有可商榷之處。因?yàn)閷?duì)于這種空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖的總損耗中,表面散射損耗占的比重要比限制損耗更大,如他們分析空芯反諧振和kagome復(fù)合光纖的單模性一樣,通過基模和高階模的包括限制損耗和表面散射損耗的總損耗大小對(duì)比才能得出光纖的單模性[9]。本文通過對(duì)各種結(jié)構(gòu)參數(shù)空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖基模和高階模總損耗的計(jì)算,優(yōu)選出了單模性好的光纖結(jié)構(gòu)。

2 空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖單模性和損耗的計(jì)算方法

如圖1所示為我們設(shè)計(jì)的光纖結(jié)構(gòu),包層氣孔的間距為4.7 μm,光纖包層有6圈空氣孔,包層空氣填充率f=94 %,在本文中我們稱空芯纖芯中的6個(gè)起反諧振作用的空氣孔為內(nèi)包層,內(nèi)包層外面周期性排布的幾圈空氣孔為外包層。

圖1 空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖的結(jié)構(gòu)

圖2(a)為計(jì)算的光纖基模模場分布圖,圖2(b)為計(jì)算的光纖高階模模場分布圖。

圖2 計(jì)算的光纖基模模場圖與光纖高階模模場圖

對(duì)于光纖的單模性,我們通過比較光纖高階模和基模的損耗比例,來評(píng)估光纖的單模性,空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖的總損耗(Total Loss,TL)由表面散射損耗和限制損耗(Confinement Loss,CL)組成。光纖的限制損耗可由模式折射率的虛部得到[10]:

αcl=40×3.14×106×Im(n)/(ln(10)×λ)

(1)

表面散射損耗的計(jì)算公式為[10]:

αssl=η×F

(2)

式中,F為歸一化分界面場強(qiáng),表征在纖芯中傳輸?shù)哪雠c空氣—石英邊界發(fā)生交疊的程度;η為修正因子,通過散射損耗的測量值和F因子擬合得到η的經(jīng)驗(yàn)值,在傳輸波長為1550 nm時(shí)為300。F因子定義為[11]:

(3)

3 內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D和內(nèi)包層氣孔壁厚度t對(duì)空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖單模性的影響

在傳統(tǒng)的空芯反諧振光纖中,包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D(d為內(nèi)包層氣孔直徑,D為光纖空芯纖芯直徑)對(duì)光纖單模性有重要影響。本文中我們對(duì)空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖的內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D對(duì)光纖單模性的影響進(jìn)行了研究。

如圖3～5所示,我們分別計(jì)算了當(dāng)空芯纖芯中6個(gè)反諧振氣孔的石英壁厚為t=500 nm時(shí),在波長1550 nm內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D從0.1到0.8變化時(shí)光纖基模(FM)和第一高階模(HOM)的限制損耗(CL)、表面散射損耗(SSL)和總損耗(TL)。從圖5中可知,當(dāng)d/D=0.68(圖5中豎線的位置)時(shí),光纖階模總損耗比基模總損耗高2個(gè)數(shù)量級(jí),光纖可實(shí)現(xiàn)很好的單模性,且基模損耗為5.2 dB/km,也能實(shí)現(xiàn)一個(gè)較低的基模損耗。

圖3 波長1550nm時(shí)光纖基模和第一高階模的限制損耗隨內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D的變化關(guān)系

圖4 波長1550 nm時(shí)光纖基模和第一高階模的散射損耗隨內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D的變化關(guān)系

圖5 波長1550 nm時(shí)光纖基模和第一高階模的總損耗隨內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D的變化關(guān)系

接下來,計(jì)算了在d/D=0.68時(shí),波長1550 nm時(shí),調(diào)整6個(gè)反諧振氣孔的石英壁厚分別為t=200 nm、500 nm和1000 nm時(shí),光纖基模(FM)和第一高階模(HOM)的限制損耗(CL)、表面散射損耗(SSL)和總損耗(TL)的情況,分別如表1～3所示。從表2中可知,當(dāng)t=500 nm時(shí),光纖單模性和基模損耗為最優(yōu)。

表1 t=200 nm時(shí)基模和第一高階模損耗對(duì)比

表2 t=500 nm時(shí)基模和第一高階模損耗對(duì)比

表3 t=1000 nm時(shí)基模和高階模損耗對(duì)比

最后,計(jì)算了在d/D=0.68,t=500 nm時(shí),在波長1500～1590 nm范圍光纖的基模和第一高階模的總損耗,如圖6所示,可知此結(jié)構(gòu)的光纖在波長1500～1590 nm范圍內(nèi)第一高階模的總損耗遠(yuǎn)高于基模的總損耗,有良好的單模性和低的總損耗。

圖6 在波長1500～1590 nm范圍內(nèi)光纖的基模和第一高階模的總損耗

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選找到了可同時(shí)實(shí)現(xiàn)很好的單模性和較低損耗的光纖結(jié)構(gòu),克服了19胞空芯光子帶隙光纖雖然損耗較低,但為多模的缺點(diǎn),十分適合作為如光纖陀螺所需的低損耗單模光纖。隨著空芯反諧振和光子帶隙復(fù)合光纖制備技術(shù)的進(jìn)步成熟,相信此種光纖將會(huì)越來越多的應(yīng)用于各種用途。