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橢圓孔式光子晶體光纖光柵寫入特性研究

2015-10-27 08:34:46中北大學山西省光電信息與儀器工程技術研究中心王冠軍譚緒祥王志斌
河北農機 2015年5期
關鍵詞:纖芯折射率光柵

中北大學 山西省光電信息與儀器工程技術研究中心  王冠軍 譚緒祥 王志斌

橢圓孔式光子晶體光纖光柵寫入特性研究

中北大學山西省光電信息與儀器工程技術研究中心王冠軍譚緒祥王志斌

針對當前周期性氣孔分布的光子晶體光纖寫入光柵時的寫入場分布不均勻及高寫入散射損耗等不足,本文提出一種用于寫入光纖光柵的大橢圓孔式光子晶體光纖結構。當利用該新型結構光纖寫入特定的光柵時那,激光束可以高效地通過該橢圓孔包層區(qū)域入射到纖芯區(qū)域,實現高效率的光纖光柵寫入的目的。

光子晶體光纖;光柵寫入;橢圓孔;液體填充

1 引言

光纖光柵器件在光通信和光傳感領域具有重要作用[1,2,3,4]。光子晶體光纖光柵(photonic crystal fibergrating,PCFG)是一種最新問世的光柵類型[1,2,3]。相比于單模光纖光柵,PCFG具有較寬的反射峰,調整范圍寬、可控變量多、易于設計等眾多優(yōu)勢。

當前,PCFG的理論分析及制備方法是科研工作者的關注熱點[2]。但是,光子晶體光纖內部周期性氣孔使得光柵寫入時產生了強烈散射,一定程度上影響光柵寫入效率與寫入質量。目前研究人員也提出一些改進方法,諸如周期性氣孔一定數值的折射率匹配液、利用旋轉角度寫入光柵、縮小周期性分布的氣孔參數等。但上述方法也存在諸如填充時間過慢、依賴于特定寫入角度或光纖參數、改善效果有限等不足。

針對光柵寫入時產生的寫入場分布不均勻、高散射損耗問題,本文提出一種新型的光子晶體光纖結構。其特點是用一大橢圓形氣孔代替部分小氣孔。寫光柵時,激光會通過橢圓孔區(qū)域傳輸到纖芯。此結構可以降低由于小氣孔產生的散射損耗。若將適當折射率值的液體填充至橢圓型氣孔,該液體填充的橢圓孔可將光束聚焦至纖芯區(qū)域,起到類似會聚透鏡作用。這有助于增強光柵寫入效率、改善纖芯區(qū)域的寫入場分布,增強光柵寫入質量。與單模光纖和周期性光纖相比,本文研究結果表明該新型橢圓孔式光子晶體光纖結構寫入效率分別是其寫入效率的2.4倍和3.4倍,并且若縮小光纖纖芯半徑,該倍數還有可能繼續(xù)提高。

2 仿真建模

仿真分析商用軟件OptiFDTD,仿真所用光纖參數借鑒了 ESM-12-01型號光纖。寫入波長設定為1550nm。折射率匹配液參數借鑒Cargille Laboratories,Inc產品。為了簡化模型,本文仿真過程不考慮光纖外側面散射損耗、匹配液光吸收損耗、纖芯摻雜區(qū)域光吸收損耗的影響。在此基礎上,本文研究了橢圓孔結構、匹配液折射率與光子晶體光纖光柵寫入效率、寫入質量的具體關系。

圖1 提出的光子晶體光纖光柵結構圖

圖1(a)是本文設計的單橢圓孔光子晶體光纖結構圖。其特點是存在一個較大的橢圓型氣孔。這樣,在寫入光纖光柵時,激光束散射程度有可能會大幅度降低,進而實現較高的光柵寫入效率。另外,當橢圓型氣孔填充高折射率液體時,橢圓型氣孔可以聚焦寫入光束,效果類似于微透鏡。此時調整液體折射率值,就相當于改變光束會聚焦點和會聚程度。若設置恰當的折射率,自然可將焦點調整到纖芯區(qū)域,從而進一步改善寫入場分布,提升光纖光柵的寫入效率值。并且新光纖結構仍有大部分微小橢圓孔,這可能使得新型光纖仍具有比較靈活的特性設計潛能。

論文設定光纖參數如下:光纖纖芯半徑R分別為6?m、4?m和2?m;橢圓型氣孔長軸和短軸半徑為25?m、12?m;小孔半徑1.84?m;小孔間距8?m。光纖基底材料設定為二氧化硅,其在1550nm光波長時的折射率是1.444024。高斯光源參數可借鑒高斯光傳輸公式。時域均一的高斯光對應的輻射度可表示為

式中,E為高斯光束電場分布;ω(z)設定為電磁場振幅降到軸向最大強度值1/e處的光斑半徑;ω0=ω(0)為激光的束腰寬度;設定的光源半高半寬設為40?m,設定的光束距離光纖纖芯60?m。

3 仿真結果及分析

下面首先分析了調整填充液體折射率值時的寫入光束能量分布及變化情況。從圖2可以看出,當n等于1.444024RIU(即二氧化硅材料折射率時),光纖結構等效于無橢圓孔。此情況下,高斯光束中心部分在經過橢圓型氣孔后未發(fā)生明顯改變,相反高斯光束兩側區(qū)域受到氣孔結構的影響,會發(fā)生一定程度的散射。而當設定填充的流體折射率為1.55RIU時(如圖3所示),橢圓孔作用將類似于一個微聚焦透鏡,高斯光束在纖芯摻雜區(qū)域后面有一焦點。分析認為是由于液體折射率和基底材料的區(qū)別還不夠明顯,使得焦距響應較長??紤]到增加液體折射率和基底材料的差別可以縮小微透鏡焦距。圖4設定填充液體折射率值為1.58RIU,可以看到此情況下光束焦點已經后移至纖芯摻雜區(qū)域中心。此情況下,高斯光束能量高度集中在纖芯區(qū)域,這將有助于提高光纖光柵寫入效率。從圖4中也可以看出纖芯最大峰值能量密度也由1.55RIU時的0.06上升至0.076,這有助于同時提高寫入光束的峰值能量密度。此處0.06和0.076為任意單位,為相位值。而由于會聚光束能量大部分分布在纖芯的中心部位,所以若縮小纖芯半徑,寫入效率與能量密度還可以繼續(xù)增加。若進一步調整液體折射率至1.70RIU(如圖2(d)所示),橢圓孔所產生的等效微透鏡焦距則進一步縮小。在圖5中,會聚點已過纖芯。此情況下,離焦的纖芯區(qū)光強略有下降,但是優(yōu)點是光場分布相對均勻,這有利于優(yōu)化纖芯區(qū)域場分布的均勻性。

圖2 n=1.444024R IU時光柵寫入效果

圖3 n=1.55RIU時光柵寫入效果

圖4 n=1.58RIU時光柵寫入效果

圖5 n=1.70RIU時光柵寫入效果

在上述分析基礎上,本文對于纖芯摻雜區(qū)域的場分布進行面積分,所用到的積分公式如下:

圖6初步分析了調整液體折射率時對寫入場能量的改善效果,可知光柵寫入效果與填充的液體折射率密切相關,設定纖芯半徑是6μm、同時注入液體折射率是1.444024RIU時(等于二氧化硅材料),場分布面積分值達5.7e-13AU。填充液體折射率值為1.55RIU時,場能量達9.7e-12(AU)。顯示由于橢圓孔的聚焦效果增強了光柵寫入效率。而當填充液體折射率值為1.55RIU時,場強最大值為1.03e-12(AU),之后增加液體折射率值時場分布面能量積分值反而開始降低。當折射率高于1.8RIU時,該場分布面積分值低于6.76e-13(AU)。表明此情況下光柵寫入效率改善效果十分有限。

圖6 纖芯區(qū)域能量和光柵寫入效率分析

本文同時也分析了周期性氣孔PCFG、單模光纖光柵的寫入效果,所用到的光纖結構參數與最后,本文也研究了橢圓孔長軸參數對寫入效率的影響。將橢圓孔長軸半徑從25μm縮小至20μm,所得到的寫入場面積分值和流體折射率之間的關系如圖7所示??芍敊E圓長軸半徑為20μm時,寫入場面積分值最高情況所需的流體折射率值已移至1.70RIU。分析認為,改變橢圓孔結構等價于變換微透鏡曲率,從而導致焦距位置發(fā)生變化。所以調整橢圓孔參數后,將焦點調整值纖芯區(qū)域所需的液體折射率值相應變化改變。最終需要結合具體光纖橢圓孔結構來選擇合適的填充液體。

上面相同。分析數據表明,纖芯半徑為6μm、4μm或2μm時,周期性氣孔型光子晶體光纖最大能量值積分分別為 3.0211e-13、1.2689e-13、1.5756e-14。單模光纖寫入場總能量分別為4.2208e-13、1.8859e-13、4.7230e-14。在纖芯半徑為6μm時,本文提出的新型光纖的光柵寫入效率將是單模光纖光柵和周期性光纖光柵寫入效率的2.4倍和3.4倍。另外也可以看出,縮小光纖纖芯半徑,寫入效率倍數可繼續(xù)提高。所以,本文提出的橢圓孔型光子晶體光纖對提高寫入能量場峰值功率密度和光柵效率有很大作用。

圖7 不同橢圓參數時的寫入場分布對比

4 總結

針對光子晶體光纖光柵寫入過程中的寫入場分布不均勻、高散射損耗問題,本文提出一種新型的光子晶體光纖結構。該新型光纖結構有助于降低散射損耗。而當橢圓氣孔加入適當的液體匹配液時,該橢圓孔也可以起到會聚透鏡的作用,這有助于繼續(xù)增強光柵寫入效率。與單模光纖和周期性光纖相比,本文研究結果表明該新型橢圓孔式光子晶體光纖結構寫入效率分別是其寫入效率的2.4倍和3.4倍,并且若縮小光纖纖芯半徑,該倍數還有可能繼續(xù)提高。

本研究得到了國家青年基金(61405127)、山西省青年基金(2014021023-1)、國家博士后基金(2014M562202)的資助。

[1]張春書.光子晶體光纖填充和光子晶體光纖光柵的研究[D].南開大學博士學位論文,2012.

[2]朱濤.特種長周期光纖光柵基礎研究[D].重慶大學博士學位論文,2008.

[3]劉耀輝.光子晶體光纖光柵傳感特性的研究[D].南京郵電大學博士學位論文.2011.

[4]徐中南.光纖光柵特性和光子晶體光纖熔接損耗研究[D].國防科技大學博士學位論文,2011.

百科

國家自然科學基金青年項目(No.61405127),山西省青年基金 (No.2014021023-1),國家博士后基金(No. 2014M 562202)。

王冠軍,1983出生,博士,講師,碩士生導師,研究方向:光纖傳感。

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