趙原源

（燕山大學理學院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

光子晶體光纖（PCF）近些年在理論和制備工藝上都得到了快速的發(fā)展。雖然關(guān)于PCF理論模擬方面已有大量報導[1-3]，但是絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)都比較復雜，尤其是高非線性PCF要求芯徑較小，包層的空氣占有率較大，這樣就造成了拉制光纖時很容易形成塌陷，制備工藝很難實現(xiàn)或拉制出來后結(jié)構(gòu)誤差較大，使得實際拉制出來的光纖無法達到要求[4-5]。普通的石英單模光纖的非線性系數(shù)為1.1W-1·km-1，而高非線性PCF的非線性系數(shù)是普通石英光纖的幾十甚至幾百倍，而且PCF的色散特性具有較大的設計靈活性，適當?shù)恼{(diào)整光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獲得較平坦的色散特性，同時由于包層與纖芯較大的折射率差，使波導色散增加，零色散波長可以移至短波長波段。目前具有高非線性系數(shù)和可控的色散特性的PCF已被廣泛應用于光通信、全光再生、光相干層析激光頻率測量等領(lǐng)域[6-8]，因此如何能夠設計出結(jié)構(gòu)簡單的而且非線性系數(shù)又比較高的PCF就成為一個關(guān)鍵性問題[9]。本文利用多極法對設計的幾種PCF進行了數(shù)值模擬，這種光纖最大的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，便于拉制，用普通的堆積拉絲方法就能制作出誤差很小的PCF，而且這種光纖的非線性系數(shù)理論上能夠達到125W-1·km-1，通過實驗的方法測量了幾種包層結(jié)構(gòu)符合設計的光纖，發(fā)現(xiàn)這些光纖的非線性譜圖與理論符合的較好[10]。

1 理論模型

本文設計了一種結(jié)構(gòu)相對簡單的PCF（截面如圖1所示），并利用多極法分析研究了這種PCF的色散和非線性特性，得出了基模的色散系數(shù)及非線性系數(shù)和空氣孔直徑d及孔間距 這些結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。詳細分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對PCF的色散和非線性的影響。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 模場分布

圖2的計算結(jié)果表示設計的PCF 在通信波段λ=1.55μm處基模的波印廷矢量及縱向電場分布。包層空氣孔層數(shù)N=3，中間缺失一層，孔間距為，孔直徑為d。

2.2 色散特性

一般的，P C F 的總色散D(λ)主要包括材料色散Dm(λ)和波導色散DW(λ)。圖3 表示當 分別為0.70,0.75,0.80,0.85的PCF的總色散系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果。從色散系數(shù)D隨波長λ的變化關(guān)系可知：隨著空氣填充率的增加，單模光纖的零色散波長向短波方向移動，所以可以采用增大包層空氣填充率的方法將零色散波長向短波方向移動。進一步可知 =0.85時的零色散波長位于0.83μm附近，如果繼續(xù)增大空氣填充率，可以使其零色散波長更短。零色散波長的位置對于光纖中光孤子的形成以及其它非線性效應均有很大的影響，根據(jù)PCF的色散位移特性，可以靈活地設計色散位移光纖。另外 增加到0.85時，出現(xiàn)了第二零色散點，并且第二零色散點也是向著短波方向移動，這樣理論上可以通過調(diào)節(jié) 的值把PCF的第二零色散點調(diào)到0.8μm附近，滿足超連續(xù)譜等方面的應用。

2.3 非線性特性

圖4模擬的是 取不同的數(shù)值時基模的非線性隨波長變化的關(guān)系，從圖中可以看出PCF的非線性系數(shù)隨波長增加而減小，且隨著 的增加曲線整體上移，說明隨著空氣占空比率的增加，PCF的非線性效應明顯升高。當=0.85時，在λ=1.55μm的通訊波段PCF的非線性系數(shù)可以達到870W-1·km-1以上，為其在超連續(xù)譜方面的應用奠定了基礎(chǔ)。

3 實驗結(jié)果

選取3根包層結(jié)構(gòu)和設計基本一致的光子晶體光纖進行了超短脈沖傳輸?shù)膶嶒?，這三根光纖的 分別等于0.75,0.80,0.85。實驗中用的是120fs激光脈沖進行傳輸，泵浦波長800nm，脈沖的平均功率為0.6W。圖5(a)、(b)、(c)是三種光纖的非線性光譜實驗圖。通過對三幅光譜圖的比較可以看出隨著 的增加，光纖的非線性效應越來越強，尤其是當 增加到0.85時光纖表現(xiàn)出來的在各個波段的非線性譜線更加豐富，這和理論模擬的結(jié)果非常吻合。光子晶體光纖的非線性主要表現(xiàn)在頻譜的最初的展寬是由自相位調(diào)制引起的，同時由于三階色散和脈沖內(nèi)拉曼散射的共同作用使得頻譜變得不對稱（如圖5（a）所示）。隨著光纖的非線性系數(shù)增高，頻譜不斷地向兩邊展寬，(如圖5（b）)形成了高階孤子，由于孤子的能量的量子化，高階孤子分裂成紅移的基礎(chǔ)孤子和藍移的非孤子輻射，形成的基礎(chǔ)孤子有不同的中心波長，因此展寬了頻譜。另外與圖3光纖的色散特性比較可以看出，當泵浦波長離光纖的零色散點越來越近時，光纖的二階色散就會減小，各種豐富的非線性效應使得光脈沖頻譜得到極大展寬。由圖3和圖5可以看出泵浦波長處于光纖的正常色散區(qū)，因此由自相位調(diào)制所引起的頻率啁啾與正常色散相互作用產(chǎn)生頻率旁瓣，而且離光纖的零色散點越遠產(chǎn)生的光譜就越窄，但是平坦性較好。

4 結(jié)語

本文采用多極矢量法對自行設計的高非線性光子晶體光纖進行了數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參量可以設計出不同色散特性和非線性的高非線性光子晶體光纖，這種光纖最大的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)比較簡單，便于拉制。并且通過理論和實驗證明了包層的占空比 達到0.85時對光纖的色散和非線性帶來很大的影響，同時發(fā)現(xiàn)泵浦的中心波長對于形成的超連續(xù)譜的寬窄和平坦性有關(guān)，為基于高非線性光子晶體光纖的光纖器件的選材和應用提供理論和實驗依據(jù)。