全固态卤化银光子晶体光纤传输特性研究

孙 虎,李 稳,陆云清,陆 懿，陈 陶

(南京邮电大学光电工程学院,江苏 南京 210023)



·光纤及光通讯技术·

全固态卤化银光子晶体光纤传输特性研究

孙 虎,李 稳,陆云清,陆 懿，陈 陶

(南京邮电大学光电工程学院,江苏 南京 210023)

设计了一种全固态六角晶格卤化银光子晶体光纤,光纤由AgBr基底和AgCl低折射率介质柱构成。运用全矢量有限元法研究了光子晶体光纤包层层数、占空比和晶格常数等结构参数对光纤有效折射率、损耗以及色散等传输特性的影响。经过参数优化,当包层层数为6,占空比为0.455,晶格常数为110 μm时,卤化银光子晶体光纤在10.6 μm处的泄露损耗仅为0.0195 dB/km,同时在4～14.5 μm中红外波段,色散值在0.3～0.7 ps/(nm·km) 之间波动,展示出了极为优良的近零超平坦色散特性和低损耗特性。

光子晶体光纤；卤化银材料；损耗；色散

1 引 言

随着中红外光纤激光器、量子级联半导体激光器等中远红外激光光源的不断发展[1-3],红外光纤在生物成像、化学和生物传感等领域正得到越来越广泛的应用,其中红外光子晶体光纤因其灵活多变的结构,以及所具有的无截止单模、模场面积可控、色散可控等传统光纤难以实现的特性,正得到越来越多的关注[4-7]。目前对红外光子晶体光纤的研究主要集中在氟化物光子晶体光纤、硫化物光子晶体光纤和卤化物光子晶体光纤等几类[8],其中,采用卤化银材料制备的卤化银光子晶体光纤具有柔韧性好、无毒无害、化学物理性能稳定以及不易溶于水等优点[9],因而被广泛用于红外光谱学、大功率激光传输以及辐射测量等领域[10-12]。卤化银材料(AgClxBr(1-x),0≤x≤1,x表示AgCl所占的摩尔分数) 是一种特殊的晶体材料,在3～20 μm中红外波段具有一个很宽的透明窗口,其折射率会随着x值的增大逐渐从2.16(AgBr材料折射率,x=0)线性减小到1.98(AgCl材料折射率,x=1),其机械性能和光学特性会随着晶体组成成分的不同而发生变化[13]。

本文设计了一种全固态六角晶格卤化银光子晶体光纤,利用全矢量有限元法(FEM)[14]数值分析了光子晶体光纤的包层层数,占空比和晶格常数等结构参数对光纤有效折射率,损耗以及色散等传输特性的影响。结果表明,光子晶体光纤的泄露损耗随着光纤包层层数的增加而逐渐减小并趋于不变,随着晶格常数和占空比的减小而逐渐增大。同时,光子晶体光纤也展现出优良的色散可控特性,可以通过优化晶格常数和占空比获取特定的色散曲线。当光子晶体光纤包层层数为6,占空比为0.455,晶格常数为110 μm时,在10.6 μm处的泄露损耗仅为0.0195 dB/km,同时在4～14.5 μm中红外波段,色散值在0.3～0.7 ps/(nm·km)之间波动,展示出了极为优良的近零超平坦色散特性和低损耗特性。

2 理论基础及光纤结构

2.1 理论基础

光纤损耗的大小直接影响光传输距离的远近[15],光子晶体光纤中存在的损耗主要有吸收损耗、散射损耗和泄露损耗,吸收损耗和散射损耗可以通过控制光纤生产工艺进行有效控制,而泄露损耗主要是因为光子晶体光纤包层的有限性导致光纤中的一部分光泄露到光纤包层之外而产生的,泄露损耗是目前导致光子晶体光纤损耗产生的主要原因,光子晶体光纤的泄露损耗可由式(1)计算得到：

(1)

其中,c和λ为光在真空中的速度和波长;neff为光纤基模有效折射率。

色散作为光纤的传输特性之一,对光纤中孤子的产生和传输,超短脉冲和高效均衡的超连续谱的产生具有重要的作用[16-18]。光子晶体光纤总色散由材料色散和波导色散组成,本文所讨论的全固态卤化银光子晶体光纤由同一种卤化银材料制成,其材料色散保持不变,因此只考虑波导色散,光子晶体光纤的波导色散可由式(2)计算得到:

(2)

2.2 光纤结构

本文设计的全固态六角晶格卤化银光子晶体光纤端面几何结构如图1所示,介质柱采用AgCl材料(折射率n1=1.98),d为介质柱直径,基底采用AgBr材料(折射率n2=2.16),a为晶格常数,光子晶体光纤纤芯处被挖去了2层介质柱。通过改变光纤包层层数,晶格常数和占空比等结构参数来研究光子晶体光纤结构对光子晶体光纤传输特性的影响。

图1 全固态六角晶格卤化银光子晶体光纤端面几何结构

如图2所示为光子晶体光纤端面基模模场分布图,光纤几乎没有表面模的产生,光纤结构很好地将绝大部分光强限制在纤芯中,全固态六角晶格卤化银光子晶体光纤展现出良好的传输特性。

图2 光子晶体光纤端面基模模场分布图

3 模拟结果与分析

3.1 损耗特性分析

为了研究光子晶体光纤包层层数对全固态六角晶格卤化银光子晶体光纤泄露损耗的影响,在入射波长为10.6 μm时,保持晶格常数a=110 μm和占空比d/a=0.455不变,计算了不同包层层数时的泄漏损耗。如图3所示为光子晶体光纤泄露损耗随包层层数的变化关系,随着包层层数N从2层增加到4层,泄露损耗呈指数衰减,当N从5层增加到10层时泄露损耗几乎保持不变并趋向于零。光子晶体光纤泄露损耗的产生是由于少部分光能泄漏到光子晶体光纤包层中,当包层层数较少时,增加包层层数,能有效阻止光纤中光能的泄露,而当包层层数增加到一定层数时,泄露出来的光能可忽略不计,此时增加包层层数无助于泄露损耗的减小,因此,在后面的计算中选择包层层数为6层。

图3 a=110 μm,d/a=0.455,光子晶体 光纤泄露损耗随包层层数的变化关系

如图4所示为保持光子晶体光纤晶格常数a=110 μm不变,占空比分别取0.3、0.455和0.6时,光子晶体光纤泄漏损耗随入射波长的变化关系,随着入射波长的增大,光能更容易泄露到光纤包层中,因而泄露损耗随之增大。这是因为随着入射波长的增大,光子晶体光纤包层有效折射率将变小,纤芯与包层的折射率差也将变小,光能将更容易泄露出去,进而导致泄露损耗变大。对于同一入射波长,光子晶体光纤的泄露损耗随着占空比的增大而减小,并且当占空比d/a=0.6时,在2～18 μm中红外波段,泄露损耗均在0.02 dB/km以下。随着光子晶体光纤占空比的增大,AgCl材料介质柱直径将变大,纤芯与包层的折射率差将变大,全内反射更容易产生,此时更容易阻止光能的泄漏,因而导致泄露损耗变小。

图4 a=110 μm,占空比不同,光子晶体 光纤泄漏损耗随波长的变化关系

如图5所示为保持光子晶体光纤占空比d/a=0.455不变,晶格常数分别取72.6 μm、110 μm和145.2 μm时,光子晶体光纤泄漏损耗随入射波长的变化关系。对于同一入射波长,泄露损耗随着晶格常数的增大而逐渐变小,同时泄露损耗随入射波长的变化曲线的变化也将变得更平缓。这是因为当光子晶体光纤占空比不变时,减小晶格常数,介质柱之间的距离将变小,光能更容易被束缚在纤芯中,因而泄露损耗也将变小。

图5 d/a=0.455,晶格常数不同,光子晶体 光纤泄漏损耗随波长的变化关系

3.2 色散特性分析

如图6所示为保持光子晶体光纤占空比d/a=0.455不变,晶格常数分别为72.6 μm、110 μm和145.2 μm时,光子晶体光纤有效折射率随入射波长的变化关系。有效折射率随着入射波长的增大而逐渐减小,这表明随着入射波长的增大,光子晶体光纤介质柱对有效折射率的影响将越来越大。对于同一入射波长,保持光子晶体光纤的占空比不变,有效折射率随着晶格常数的减小而减小,这是因为当占空比一定时,随着晶格常数的减小,将导致AgCl材料介质柱中的光强得到加强,因而有效折射率也将越来越接近介质柱的折射率。

图6 d/a=0.455,晶格常数不同,有效折射率随波长的变化关系

如图7所示为保持光子晶体光纤占空比d/a=0.455不变,晶格常数分别为72.6 μm、110 μm和121 μm时,光子晶体光纤波导色散随入射波长的变化关系。当晶格常数为110 μm时,在4～14.5 μm中红外波段,光子晶体光纤波导色散值在0～1.1 ps/(nm·km)之间波动,展现出了较好的近零超平坦色散特性。

图7 d/a=0.455,晶格常数不同,波导色散随波长的变化关系

如图8所示为保持光子晶体光纤的晶格常数a=110 μm不变,占空比d/a分别为0.3、0.455和0.8时,光子晶体光纤有效折射率随入射波长的变化关系。在同一波长处,有效折射率随着占空比的增大而逐渐减小,这是因为光子晶体光纤晶格常数保持不变时,占空比越大,AgCl材料介质柱的直径也就越大,对有效折射率的影响也就越大。

图8 a=110 μm,占空比不同,有效折射率随波长的变化关系

如图9所示为保持光子晶体光纤晶格常数a=110 μm不变,占空比分别取0.3、0.455和0.6时,光子晶体光纤波导色散随波长的变化关系。随着占空比的减小,色散曲线变得更加平坦,在4.5～12 μm波段,色散值随着波长的增大而增大,在12～14.5 μm波段,色散值随着波长的减小而减小。当光子晶体光纤晶格常数为110 μm,占空比为0.455时,在4～14.5 μm中红外波段,光子晶体光纤波导色散值在0.3～0.7 ps/(nm·km)之间波动；占空比为0.3时,在4～14.5 μm的中红外波段,光子晶体光纤波导色散值在0.25～0.6 ps/(nm·km)之间波动,都展现出了良好的近零超平坦色散特性。

图9 a=110 μm,占空比不同,波导色散随波长的变化关系

4 结 论

采用全矢量有限元法对全固态六角晶格卤化银光子晶体光纤的传输特性进行了数值分析,研究了光子晶体光纤的包层层数,占空比和晶格常数等结构参数对光纤有效折射率,损耗以及色散等特性的影响。结果表明,光子晶体光纤的泄露损耗随着光纤包层层数的增加而逐渐减小,当包层层数超过5层时,光纤泄露损耗趋于零保持不变；光子晶体光纤的泄露损耗随着晶格常数和占空比的减小而逐渐变大。同时,光子晶体光纤也展现出优良的色散可控特性,选择合适的晶格常数和占空比可获取特定的色散值和色散曲线。通过优化获得了在4～14.5 μm中红外波段近零超平坦色散的低损耗全固态卤化银光子晶体光纤,该光纤包层层数为6,占空比为0.455,晶格常数为110 μm,在10.6 μm处的泄露损耗仅为0.0195 dB/km,同时在4～14.5 μm中红外波段,色散值在0.3～0.7 ps/(nm·km)之间波动。这一结果为卤化银光子晶体光纤的设计和制作提供了重要的理论依据,同时,全固态卤化银光子晶体光纤在激光功率传输、红外辐射测量和红外光谱等相关领域具有良好的应用前景。

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Study on transmission characteristics of all solid silver halide photonic crystal fibers

SUN Hu,LI Wen,LU Yun-qing,LU Yi，CHEN Tao

(College of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

All-solid silver halide photonic crystal fibers(PCFs) are designed,which are composed of two silver halide crystalline materials.The core consists of pure AgBr and the cladding includes AgCl fiber optic elements arranged in hexagonal rings around the core.The influence of structure parameters such as the number of the cladding layer,the lattice constant and the duty cycle on the transmission characteristics such as the loss and dispersion properties of PCFs is analyzed with the full-vector finite element method(FEM).When the number of the cladding layer is 6,the duty cycle is 0.455 and the lattice constant is 110 μm,the leakage loss of the PCFs is only 0.0195 dB/km at 10.6 μm,and fiber dispersion uctuates between 0.3 ps/(nm·km) and 0.7 ps/(nm·km) in the 4-14.5 μm middle infrared band.A very good near zero ultra-flattened dispersion and low loss characteristics are demonstrated.

photonic crystal fiber,silver halide materials,loss,dispersion

1001-5078(2015)06-0697-05

国家自然科学基金项目资助(No.61275067)；江苏省自然科学基金项目资助(No.BK2012830,BK20131383)； 南京邮电大学基金项目资助(No.NY211060,NY213028,NY212008)；江苏省科技型中小企业技术创新资金项目(No.BC2014138)资助。

孙 虎 (1989-)，男，硕士研究生，主要从事光纤通信和光波技术研究工作。

2014-10-17;

2014-12-26

TN253

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.020