基于填充双芯微结构光纤的色散特性研究

1 微结构光纤的简介

光子晶体的含义最开始是由埃利雅布罗诺维奇于1987 年的时候所揭示的，随着光子晶体的出现，英国学者提出利用周期性结构形成光纤包层的思想。此后各种微观结构光纤被提出和制定。已成为光纤光学范畴的研讨热门。本文提出了一种新型填充双芯负色散微结构光纤，此光纤折射率是1.444。包层上分布着五层气孔，排列成三角形网格。其中光纤的填充直径是3.87um，空气孔之间的距离Λ是5.58um。本论文是在第二、三、四层填充了功能性材料。填充材料在波长1.55um、温度25℃条件下的折射率为1.438。这个过程中就形成了新的波导结构[1]。

光纤的色散是光纤的传输特性之一。我们通过在光纤截面引入多个纤芯或不同直径的空气孔以及改变包层空气孔中的孔间距和直径等，可以实现不同波段的零色散点，高的负色散和平坦的色散等特性，从而在超连续产生和传输、孤子产生以及参量放大器的光学领域中发挥重要的应用。本文将通过对微结构光纤进行材料填充，可以实现可控、优良的色散特性。色散控制在非线性光学和色散的特性中发挥着不可或缺的角色，光导纤维的色散公式D 为[2]：

在上式中，波长用λ 表示，传播速度c=3×108m/s。

2 填充双芯微结构光纤模式耦合特性

本文采用COMSOL MULTIPHYSICS 仿真软件来进行求解，此分析软件是以有限元法为依据来实现物理现象的仿真。填充双芯微结构光纤结构的第二层、第三层、第四层计算出不同波长下有效折射率的数值，利用OriginPro 软件画出波长从1 550nm 到1 580nm 区域内所对应的折射率的关系曲线图。

图1 nneff 随λ变化曲线

图1 显示出填充双芯微结构光纤结构的第四层不同模式的模场图，电场的方向也就是图中的箭头。从图中可以看出三处发生了耦合，即a、b 和c 点。光在1 547nm（a 处）之前处于纤芯波导中，在1 547nm 之后处于填充波导中，在a 点波长为1 547nm 时光被同时限制在纤芯和高折射率填充柱中，说明此时a 点纤芯基模模式和填充波导模式之间发生了耦合。同理，在b，c 两个波长处，纤芯模式也和填充波导模式发生了耦合。

3 双芯微结构光纤的色散特性

图2 和图3 分别表示填充双芯微结构光纤的第三层和第四层的填充模式和纤芯模式的色散特性曲线。图中向下开口的抛物线表示纤芯模式曲线（实线），向上开口的抛物线表示填充模式曲线（虚线），由图可以看出这两个曲线由于两个模之间的耦合而显示出高度对称的特性，此外模态耦合引起的模态指数曲线的斜率变化很快，在纤芯模态和填充模态的λp 附近都出现了很大的色散值。如图2 所示，通过适当的设计，在λ=1 546nm 时，色散值可以达到-4 000ps/（nm-km）。非常高的负色散值可以帮助我们减小DCF 结构的长度并减少可能的损耗。此外，λ〈λp 的负色散斜率也可用于波分复用系统中的某些应用。

随着填充空气孔层数的变化，由于不同的匹配包层，空气孔直径的变化显著地移动了λp 的位置。较大的空气孔在较长的λp 处具有相对较大的负色散值和更尖锐的深度，如图3 所示在1 547nm 的耦合波长下产生D=-4 500 ps/（nm-km）色散。通过适当设计光子晶体光纤的几何结构，我们可以实现在光通信所需波长处具有非常大负色散的光子晶体光纤[3]。

图2 第三层有效折射率随波长变化的曲线

图3 第四层有效折射率随波长变化的曲线

本文所研究的是基于填充双芯微结构光纤结构的第二、三、四层，得到微结构光纤在特定波段来实现色散补偿，如表1 所示。发现在双芯微结构光纤的第二、三、四层均得到色散补偿，且双芯微结构光纤的层数越多，所对应负色散值就会越大从而达到通信中的色散几乎没有，从而保证通信质量提高以及延伸通信距离。

表1 波长和色散关系图

4 总结和展望

本文提出了一种基于双芯填充微结构光纤的色散补偿结构。应用有限元方法可以获得在该结构的有效折射率和模场分布。通过填充不同层和空气孔的大小得到双芯光子晶体光纤的色散特性。发现在填充双芯微结构光纤的第二、三、四层特定的耦合波长内的色散值为-3 800ps/（nm·km）、-4 000ps/（nm·km）、-4 500ps/（nm·km）实现色散补偿，从此得出双芯微结构光纤的层数越多，所对应负色散值就会越大从而达到通信中的色散几乎没有。同时相位匹配波长也可以调整几何形状的MOFs。本文还演示了所提出的器件的可调谐性能。本文的研究结果为调节色散特性提供了一种新的途径，从而为进一步研制相应的光纤器件提高了理论依据；同时该光纤采用了复合格点结构，且采用的空气孔尺寸均大于lum，这既给我们提供了较多的设计自由度，又减少了实际制作的困难。因此，我们设计的这种光子晶体光纤既有利于实际的制作，又可以用作波分复用光纤通信系统中的宽带色散补偿光纤，在优化产生超连续光谱和抑制孤子自频移方面有着重要的应用。

虽然双芯微结构光纤较普通光导纤维设计更加独特灵活，但由于其焊接过程中的耗损严重，因此其在实用性、高效性等方面仍有待加强，针对此问题，建议放弃传统透镜组耦合的方式，而是考虑将微结构光纤焊接在系统中，并将其拉长以提高效率。此外，还可以考虑将微结构光纤的层数变多，实现“多芯”，便可用于放大器、光通信等系统中[2]。