第24卷第3期Vo l.24,No.3滨州学院学报Journal of Binzho u University 2008年6月Jun.,2008大模场光子晶体光纤设计收稿日期:2008-01-04第一作者简介:薛 华(1976 ),女,山东惠民人,讲师,在读硕士,主要从事无线电物理研究.薛 华,韩春艳(滨州学院物理与电子科学系,山东滨州256603)摘 要:全内反射型光子晶体光纤纤具有为高折射率,包层为石英-空气周期结构,光通过高折射率纤芯与低平均折射率包层间的全内反射向前传播.包层的周期结构要求也不严格,甚至可以无序.利用其特有的 无截止单模 特性,对大模场光子晶体光纤进行了设计.关键词:光子晶体光纤;无截止单模;模场中图分类号:TN 252 文献标识码:A 文章编号:1673-2618(2008)03-0079-04PCF(Photonic Cry stal Fiber,PCF)的概念最早由ST.J.Russell 等人[1]于1992年提出,它的结构由石英棒或石英毛细管排列而成的,在中心形成缺陷,所以又被称为多孔光纤(H o ly Fiber)或微结构光纤(M icro -structured Fiber).PCF 根据其导光原理可以分为两种,一种是光子带隙光纤(Pho to nic Band Gap PCF,PBG -PCF),另一种是改进的全内反射PCF(T otal Internal Reflection PCF,TIR -PCF),也称作折射率引导PCF(Index Guiding PCF ).T IR -PCF 与传统光纤的差别在于包层具有与PBG -PCF 相似的六角形排列的空气孔,正是这种周期性结构提供了许多独特性质.由于不依赖光子带隙,包层中空气孔并不要求大直径,排列的形状与周期性要求也不严格,甚至包层中可为无序排列的空气孔,同样可以实现相同的导光特性.比较两种PCF,全内反射PCF 无论在理解或是制作上都更为简单,因为它可沿用经典的全内反射理解导光机制,而且不需要精确的空气孔排列,更适合于制作,故在目前大多数的研究和应用都是针对全内反射型PCF [2].1 无截止单模(Endlessly single mode)特性这是T IR -PCF 的一个重要的特性.对于标准的阶跃型单模光纤,其归一化频率V 由下式决定[3]:V =(2 / )(n 2c o -n 2cl )1/2,(1)式中n co 和n c l 分别为光纤纤芯和包层材料的折射率, 为纤芯半径, 为光波长.归一化频率V 决定了模式数目,当V <2.405时,光纤才是单模的.对应于V =2.405的波长就称为传统光纤的截止波长,只有当工作波长大于此截止波长时光波才能在光纤中实现单模传输.而PCF 不存在截止波长,用有效折射率模型[4]可以较好地解释这一现象.类似于传统光纤的归一化频率,在PCF 中,亦可定义一个等效的归一化频率为[5]:V ef f =(2 / )(n 2co -n 2ef f )1/2,(2)其中n c o 和n ef f 分别为PCF 芯层和包层的等效折射率, 为芯层半径.PCF 包层的等效折射率n e f f 可以根据包层晶胞的等效数学模型解出.它是光辐射波长的函数,当波长减小时,光束截面随之收缩,光波模式分布向纤芯集中,因此n ef f 增大,从而n co 和n e f f 的差减小,这就抵消了波长减小的趋势,使V ef f 趋于定值,从而满足了单模传输条件.理论计算及实验证明:只要满足空气孔径与孔间距之比小于0.2,[6]PCF 就具有无截止单模特性.更重要的是,PCF 的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸无关,只取决于光纤的相对尺滨州学院学报第24卷寸.当放大或缩小结构尺寸时,PCF 仍可保持单模传输,因此可以设计出大模式面积的光子晶体光纤,应用于高功率激光传输、放大、模式整形和多波长传输等.2纤芯结构对模场的影响为了获得大模式面积的光子晶体光纤,对TIR -PCF 进行分析.其纤芯为实芯,包层为四边形排列的空气孔.(1)当包层空气孔直径d 不变,空气孔间距a 、空气填充比f 变化时(见表1)对应基模模场分布如图1所示.表1 空气孔直径d 不变,空气孔间距a 、空气填充比f 变化组别包层空气孔直径d / m 空气孔间距a / m f =d/a (a)150.2(b)1100.1(c)1200.05(a)a =5 m,f =0.2 (b)a =10 m,f =0.1 (c)a =20 m,f =0.05图1 不同空气孔间距a 所对应的PCF 基模模场分布(d =1 m)从图1可以明显看出,当PCF 包层空气孔直径d 一定时,随着空气孔间距a 增加,填充比f 减小,模场面积逐渐增大.(2)当包层空气孔间距a 不变,空气孔直径d 、空气填充比f 变化时(见表2)对应基模模场分布如图2所示.表2 包层空气孔间距a 不变,空气孔直径d 、空气填充比f 变化组别包层空气孔直径d / m 空气孔间距a / m f =d /a (a)0.550.1(b)150.2(c)250.4(a) d =0.5 m,f =0.1 (b)d =1 m,f =0.2 (c)d =2 m,f =0.4图2 不同空气孔直径d 所对应的PCF 基模模场分布(a =5 m)从图2可以明显看出,当包层空气孔间距a 一定时,随着空气孔直径d 增加,填充比f =d/a 也增加,80第3期薛 华,韩春艳 大模场光子晶体光纤设计但是模场面积几乎不变,随着d 增加,模场越来越集中在纤芯中.这是因为包层空气孔填充比越大,散射作用越明显,场强越来越集中于纤芯中.(3)当包层空气孔间距a 、空气孔直径d 等比例增加,空气填充比f 不变时(见表3)对应基模模场分布如图3所示.表3 包层空气孔间距a 、空气孔直径d 等比例增加,空气填充比f 不变组别包层空气孔直径d / m 空气孔间距a / m f =d/a (a)0.550.1(b)1100.1(c)2200.1(a)d =0.5 m,a =5 m (b)d =1 m,a =10 m (c)d =2 m,a =20 m图3 不同空气孔直径d 所对应的P CF 基模模场分布(f =0.1)从图3可以明显看出,当包层空气孔填充比f =d/a 一定时,随着空气孔直径d 的增加空气孔间距a 也增加,模场面积也随之增大.综上所述:当增大包层空气孔间距a 时,模场面积增大(d 不变),当增大包层空气孔直径d 时,模场越来越集中在纤芯中传播,(a 不变).1996年,英国Bath 大学的Briks 等人验证了只要包层空气孔直径和孔距之比满足一定要求(d/a <0.2),此时模场分布保持不变,不再与波长有关,从而保证了所有波长的单模运转[7].根据以上结论,设计了大模式面积光子晶体光纤的结构参数:d =1 m,a =10 m,f =0.1 m 设KZ 取值1~30.计算其色散关系曲线和基模传输图像如图4、5所示.图4大模式面积光子晶体光纤的色散关系 图5大模式面积光子晶体光纤的基模传输图像大模式面积光子晶体光纤可以实现高功率传输而不至于导致传输信号发生畸变,用作光纤激光器和放大器的基质光纤[8],可使输出功率大幅度提高.3结 论光子晶体光纤的 无截止单模 特性与光纤结构的绝对尺寸无关,即当改变结构尺寸时,光子晶体光纤仍可保持单模传输,这就提供了一条实现大模式面积光纤的途径.本文通过利用光子晶体光纤的 无截止8182滨州学院学报第24卷单模 特性,改变纤芯结构,讨论了纤芯结构对模场面积的影响,并运用平面波展开法设计和计算了大模式面积光子晶体光纤的色散关系及模场传输特性,从而设计出大模式面积光子晶体光纤.参 考 文 献:[1] Yablonovitch E.Inhibited Spontaneous Em ission in Solid-State Physics and Electronics[J].Phy sRev Lett,1987,58(20):2059-2061.[2] John S.Strong Localization of Pho tons in Certain Disorder ed Dielectric Superlattices[J].Phys RevLett,1987,58(23):2486-2489.[3] 李曙光,刘晓东,侯蓝田.光子晶体光纤的导波模式与色散特性[J].物理学报,2003(11):2811-2817.[4] Yablonov itch E,Gmitter T J.Photonic Band Structure:The Face-entered-cubic Case[J].Phys RevLett,1989,63(18):1950-1953.[5] H o K M,Chan C T,Soukoulis C M.Ex istence of a Photonic Gap in Periodic Dielectr ic Structures[J].Phys Rev Lett,1990,65:3152-3155.[6] Lin S,Fleming JG.A Three-dimensional Optical Pho to nic crystal[J].J Lightw ave Technolog y,1999,17:1944-1947.[7] 付圣贵,董孝义.光子晶体光纤的基本特性与应用[J].光通信技术,2004(3):54-58.[8] 王文杰,郭林,张宁,等.光子晶体光纤的研究进展及应用[J].光通信技术,2004,28(7):12-15.The Design of the Large Mode Photonic Crystal FiberXUE H ua,H AN Chun-yan(Dep ar tment of P hy sics and Electronic T echnolog y,B inz hou Univ er sity,Binz hou256603,China)Abstract:Total inter nal reflection PCF core has hig h r efractive index,and the cladding is quartz-air periodic str ucture.T he light travels fo rw ard through hig h refractive index core and total internal reflec-tion among cladding s w ith low er av er ag e r efractive index.T he r equirement for perio dic structur e o f clad-ding is not str ict,ev en disor dered.U sing its endless single mode characteristic,the PCF of lar ge mode field has been designed.Key words:photonic crystal fiber;endless sing le mode;mode field(责任编辑:贾晶晶)。