高双折射双芯硫化砷矩形格子光子晶体光纤的耦合特性*外文翻译资料

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高双折射双芯硫化砷矩形格子光子晶体光纤的耦合特性*

摘要：本文提出一种硫化物玻璃中红外双芯光子晶体光纤，这种双芯光子晶体光纤具有两个不对称纤芯。有限元方法和模式耦合理论研究了其高偏振特性和耦合特性。数值结果显示波长 lambda;= 10micro;m时双折射达到0.01386，波长lambda;=5 micro;m时X偏振模和Y偏振模的耦合长度分别为261micro;m和 271.44micro;m，表明可以用6.786mm长的光纤在180nm的带宽内获得高于-10dB的消光比。

关键词：光子晶体光纤，双折射，耦合长度，中红外

1. 绪论

近年来，对光子晶体光纤（PCF）的研究已经成为一个热门的研究领域。与传统的光学器件相比，PCF有许多特性：高双折射^[1-3]、有效模场面积^[4-6]、可调谐色散^[7-9]和高非线性特性^[10-11]等。

双芯光纤已普遍被用作耦合器、多路复用器、分路器、传感器以及全光开关。Varshney等人通过研究椭圆变形的影响，优化了双芯掺氟PCF耦合器的性能^[12]；Argyros等人制造并分析了一种空心双芯光纤^[13]；刘和驰昂通过解决一对包括所有重要的线性和非线性项的耦合模方程，分析了超短脉冲在非线性双芯PCF的传播^[14]； Salgueiro 和 Santos对有两个靠近缺陷形成的双芯PCF耦合器进行了研究，计算了不同族的涡旋模式^[15]。由此看来，双芯PCF可能会得到更广泛地应用。

目前，中红外PCF已经引起了人们极大的研究兴趣。硫化物玻璃在中红外范围内是高度透明的，光传输范围为3-10micro;m。另外，硫化物玻璃具有高的线性和非线性折射率^[16]。Ung 和 Skorobogatiy将硫族化物微孔纤维引入中红外范围的线性和非线性应用^[17]；Tsay等人分析了溶液处理的硫化砷玻璃波导的中红外特性^[18]； Lepine 等人证明低损耗硫化物光纤的光诱导流动性，通过精确控制直径和几何结构对光纤进行拉锥[^19]。因此，作为基质材料的硫化砷硫化物玻璃有望应用于PCF设计，在中红外范围获得高非线性和更好的传输特性。

本文提出一种新型的硫化砷硫系玻璃双芯PCF，其结构简单，纤芯呈不对称结构，且包层气孔为矩形排列。结合光波导模式理论及有限单元法^[20]，研究了光纤的模式特性和耦合特性。

1. 计算原理

图1 PCF结构

图1是PCF结构说明，空气孔为圆形且X、Y轴方向孔间距分别为

Lambda;x = 6 micro;m，Lambda;y = 5.4 micro;m。基质材料是= 2.44的硫化砷硫化物玻璃，PCF中的双核A和B分别由缺失三个空气孔而形成。采用有限单元法，计算水平极化模（X轴）和垂直极化模（Y轴）的有效折射率。

保偏光纤在线性偏振光入射条件下有很强的偏振保持能力，高的模式双折射可以提高光传播时光纤的偏振保持特性。模式双折射可以表示为：

（1）

其中，和分别是X和Y偏振模有效折射率，Re表示实数部分。限制损耗是光纤传导最重要的参数之一。限制损耗可以表示为^[21]:

（2）

在双核PCF中，总模型可以被认为是四模的叠加，包括奇次模态和偶次模态。X和Y偏振模有效折射率分别是和。耦合长度可以由以下关系式到： （3）

lambda;为光波长。

1. 仿真结果

图2 对不同半径的空气孔波长对双折射变化的影响

这篇论文中，双折射由最里面的空气孔的不对称引起。图2给出空气孔半径不同时双折射随波长变化的曲线，在计算范围内双折射随着波长增加而增大。这是由于双折射是由光纤芯在X和Y方向不对称引起的，当光在光纤中传播时，会受到最里面的空气孔的不对称的影响，研究发现空气孔半径r=2.3 micro;m的双核PCF波长lambda;=10 micro;m时双折射为0.01386。

图3 空气孔半径r=2.3micro;m时限制损耗随波的变化

图3是空气孔半径r=2.3micro;m时，限制损耗随波长的变化，随着波长增加限制损耗增加。研究表明，波长介于2micro;m-7micro;m之间时限制损耗低于。Dianov等人从理论上计算了材料损耗，在相当宽的波长范围2.1 micro;m-5.6 micro;m内材料损耗已达到低于1 dB/km^[22]。因此，我们选择研究波长lambda;=5micro;m时的耦合特性。

图4 空气孔半径不同时，耦合长度随波长的变化(a)X偏振模 (b)Y偏振模

图4（a）和（b）是空气孔半径不同条件下耦合长度随波长的变化曲线。波长增加时，模场扩大且双芯之间的耦合更容易，因此，耦合长度随着波长增加而减小。从图4可以得到空气孔的半径r从1.0micro;m到2.3micro;m变化时的耦合长度值。当孔间距=6micro;m及=5.4micro;m时，耦合长度随着空气孔半径r的增加而减小，这是由于随着空气孔半径的增加纤芯在垂直方向上被压缩，进而导致模场横向扩大，使光从一个纤芯传输耦合从到另一个纤芯更容易。研究发现孔间距=6micro;m、=5.4micro;m、空气孔半径r=2.3micro;m、波长lambda;=5micro;m的条件下，双芯光子晶体光纤X偏振模和Y偏振模的耦合长度分别为261micro;m和271.44micro;m。

1. 应用

图5 归一化传输功率与传输距离的关系

此项工作中，我们提出一种两个偏振方向上有不同耦合长度的新型双芯PCF，基于这种特性我们可以构造偏振分束器和偏振耦合器。双芯PCF长度L=m=n,m和n为正整数。对于偏振无关的耦合器，m和n为偶数或奇数；对于偏振相关分束器而言m和n的奇偶性应当相反。

图5给出归一化的传输功率随着距离改变的变化曲线。在孔间距=6micro;m及=5.4micro;m、空气孔半径r=2.3micro;m、波长lambda;=5micro;m的条件下，双芯PCF的X偏振模和Y偏振模耦合长度分别为261micro;m和271.44micro;m。研究表明当L= 26=25=6.786mm时两方向偏振光被分开，也就意味着PCF可以被用作偏振分束器，当L= m=50=13.572mm时PCF可以被用作偏振无关耦合器。

图6 归一化传输功率与波长的关系

图7 消光比与波长的关系

图6是孔间距=6micro;m及=5.4micro;m、空气孔半径r=2.3micro;m、传输长度L=6.786mm时归一化传输功率随波长的变化，波长lambda;范围从4.0micro;m到6.0micro;m。研究发现，所提出的光纤其X偏振模和Y偏振模归一化传输功率随着波长呈周期变化，这一点与传统的定向耦合器相同。图7给出波长lambda;从4.0micro;m到6.0micro;m变化时消光比的变化。在测量的带宽范围内消光比高于-10dB，该带宽范围为180nm（4.9micro;m-5.08micro;m），在波长lambda;=5micro;m时最大的消光比可以达到-64.6dB。

我们通过使用全矢量光束传播法进行数值模拟来证实我们提出的光纤特性^[23]。图8中我们呈现了传播长度Z=0、L/2、L，波长lambda;=5 micro;m硫化砷玻璃中红外双芯PCF两种不同的偏振状态下的电场分布。Z=0时，我们在纤芯B看到一个入射场，然后能量顺利的从纤芯B传输到纤芯A，最终，在Z=261micro;m处X偏振模能量传入纤芯A，在Z=271.44micro;m处Y偏振模能量从纤芯B传入纤芯A。因此，一个足够长的PCF可以被用来制造微型偏振光束分束器和耦合器，对集成光学中的光子设备的发展做了很大的贡献。

图8 波长为5 micro;m时的电场分布 (a)X偏振 Z=0 micro;m (b) Y偏振 Z=0 micro;m (c) X偏振 Z=130.5micro;m

(d) Y偏振 Z=135.72 micro;m (e) X偏振 Z=261micro;m (f) Y偏振 Z=271.44 micro;m

硫化砷系玻璃有高线性和非线性折射率，被广泛应用于制造中红外PCF。从实际角度考虑，影响损耗最重要的因素是杂质，尤其是OH离子。为制造含少量杂质的高纯度硫化砷玻璃，玻璃需要经过加热、蒸馏然后浓缩。现在，双坩埚法被广泛用于制造硫化物玻璃PCF。我们设计的双芯PCF气孔矩形排列且分布规则，这将有利于减少生产过程中材料应力的负面影响。同时，需选择合适的空气填充率以避免大空气孔造成的崩塌。我们研究小组正在制造用于实验和测试的硫化砷玻璃，极有希望得到参数合适的PCF结构。

1. 结论

这篇论文提出了一种硫化物玻璃中红外双芯PCF。通过有限单元法和模式耦合理论，研究了PCF的高偏振保持能力和耦合特性。在孔间距=6micro;m及=5.4micro;m、空气孔半径r=2.3micro;m、波长lambda;=10micro;m的条件下双芯PCF的耦合长度可以达到0.01386，波长lambda;=5micro;m是X偏振模和Y偏振模的耦合长度分别为261micro;m和271.44micro;m。当光纤长度为6.786mm时，可以实现两偏振光束的分离，因此我们可以把这种PCF用作偏振分束器。当光纤长度为13.572 mm时，由于两束偏振光产生耦合，可以被用作偏振独立耦合器。波长lambda;=5micro;m时，消光比可以达到-64.4dB，与波长从4.9micro;m到5.08micro;m变化时达到-10 dB的消光比相比较更优越。总而言之，结合在硫系玻璃中红外双芯PCF的耦合长度和偏振保持特性，使其在制造中红外波段光纤耦合器或者偏振分束器方面有很大的应用价值。

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[12] Varshney S K, Florou

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