張慧嘉,徐士杰,郭 娜,楊 鵬,龐 璐,寧 鼎

(中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津 300220)

1 引 言

空芯光子帶隙光纖(Hollow Core Photonic Bandgap Fiber,HC-PBGF)是一種新型微結(jié)構(gòu)光纖,包層為周期性排列的空氣孔結(jié)構(gòu),中間的纖芯為大空氣孔。包層中周期排列的微米級空氣孔構(gòu)成二維光子晶體,產(chǎn)生光子帶隙效應(yīng),阻礙特定頻率的光在包層空氣孔中傳輸。在包層中引入大空氣孔,使光子晶體結(jié)構(gòu)形成缺陷,實現(xiàn)將光限制在缺陷即空氣纖芯中傳輸[1-2]。

由于空芯光子帶隙光纖特殊的導光機制,在傳統(tǒng)單模光纖中起主導作用的瑞利散射和材料吸收對損耗的貢獻極低,因此空芯光子帶隙光纖損耗的理論極限很低。但現(xiàn)有空芯光子帶隙光纖的損耗較大,商用7胞空芯光子帶隙光纖在波長1550 nm的損耗一般為20 dB/km左右[3],限制了空芯光子帶隙光纖在長距離傳輸方面的應(yīng)用?？招竟庾訋豆饫w的損耗主要包括限制損耗和表面散射損耗。經(jīng)過光纖結(jié)構(gòu)優(yōu)化,限制損耗可以降低至以1×10-4dB/km以下,可以忽略[4]。因此在總損耗中,表面散射損耗(Surface Scattering Loss,SSL)占主導地位。通過擴大纖芯直徑可以降低散射損耗,所以采用19胞芯的空芯光子帶隙光纖比采用7胞芯的空芯光子帶隙光纖的損耗要小(在波長1560 nm總損耗可低達1.2 dB/km),但是這個光纖是多模的[5]。

為了在保持低散射損耗的19胞空芯光子帶隙光纖結(jié)構(gòu)的同時改進光纖的單模性,2006年美國OFS實驗室的科研人員提出了在19胞空芯光子帶隙光纖兩側(cè)設(shè)置側(cè)芯,從而19胞空芯光子帶隙光纖中間纖芯里的高階模耦合到光纖包層中耗散掉,從而改進光纖的單模性[6]。2013年他們成功研制出來了上述光纖,改進了19胞空芯光子帶隙光纖光纖的單模性,但是光纖的損耗(7.5 dB/km)比文獻[4]中光纖最低損耗1.2 dB/km要高[7]。

2021年,法國Limoges大學Xlim研究所的研究人員提出了空芯反諧振和光子帶隙復合光纖的結(jié)構(gòu),并進行了基模限制損耗和散射損耗因子F,以及最低限制損耗的高階模的計算[8]。但是他們只根據(jù)光纖基模和高階模的限制損耗大小進行對比,就得出了光纖的單模性,這一點我們認為有可商榷之處。因為對于這種空芯反諧振和光子帶隙復合光纖的總損耗中,表面散射損耗占的比重要比限制損耗更大,如他們分析空芯反諧振和kagome復合光纖的單模性一樣,通過基模和高階模的包括限制損耗和表面散射損耗的總損耗大小對比才能得出光纖的單模性[9]。本文通過對各種結(jié)構(gòu)參數(shù)空芯反諧振和光子帶隙復合光纖基模和高階?？倱p耗的計算,優(yōu)選出了單模性好的光纖結(jié)構(gòu)。

2 空芯反諧振和光子帶隙復合光纖單模性和損耗的計算方法

如圖1所示為我們設(shè)計的光纖結(jié)構(gòu),包層氣孔的間距為4.7 μm,光纖包層有6圈空氣孔,包層空氣填充率f=94 %,在本文中我們稱空芯纖芯中的6個起反諧振作用的空氣孔為內(nèi)包層,內(nèi)包層外面周期性排布的幾圈空氣孔為外包層。

圖1 空芯反諧振和光子帶隙復合光纖的結(jié)構(gòu)

圖2(a)為計算的光纖基模模場分布圖,圖2(b)為計算的光纖高階模模場分布圖。

圖2 計算的光纖基模模場圖與光纖高階模模場圖

對于光纖的單模性,我們通過比較光纖高階模和基模的損耗比例,來評估光纖的單模性,空芯反諧振和光子帶隙復合光纖的總損耗(Total Loss,TL)由表面散射損耗和限制損耗(Confinement Loss,CL)組成。光纖的限制損耗可由模式折射率的虛部得到[10]:

αcl=40×3.14×106×Im(n)/(ln(10)×λ)

(1)

表面散射損耗的計算公式為[10]:

αssl=η×F

(2)

式中,F為歸一化分界面場強,表征在纖芯中傳輸?shù)哪雠c空氣—石英邊界發(fā)生交疊的程度;η為修正因子,通過散射損耗的測量值和F因子擬合得到η的經(jīng)驗值,在傳輸波長為1550 nm時為300。F因子定義為[11]:

(3)

3 內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D和內(nèi)包層氣孔壁厚度t對空芯反諧振和光子帶隙復合光纖單模性的影響

在傳統(tǒng)的空芯反諧振光纖中,包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D(d為內(nèi)包層氣孔直徑,D為光纖空芯纖芯直徑)對光纖單模性有重要影響。本文中我們對空芯反諧振和光子帶隙復合光纖的內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D對光纖單模性的影響進行了研究。

如圖3～5所示,我們分別計算了當空芯纖芯中6個反諧振氣孔的石英壁厚為t=500 nm時,在波長1550 nm內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D從0.1到0.8變化時光纖基模(FM)和第一高階模(HOM)的限制損耗(CL)、表面散射損耗(SSL)和總損耗(TL)。從圖5中可知,當d/D=0.68(圖5中豎線的位置)時,光纖階?？倱p耗比基模總損耗高2個數(shù)量級,光纖可實現(xiàn)很好的單模性,且基模損耗為5.2 dB/km,也能實現(xiàn)一個較低的基模損耗。

圖3 波長1550nm時光纖基模和第一高階模的限制損耗隨內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D的變化關(guān)系

圖4 波長1550 nm時光纖基模和第一高階模的散射損耗隨內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D的變化關(guān)系

圖5 波長1550 nm時光纖基模和第一高階模的總損耗隨內(nèi)包層氣孔歸一化內(nèi)徑d/D的變化關(guān)系

接下來,計算了在d/D=0.68時,波長1550 nm時,調(diào)整6個反諧振氣孔的石英壁厚分別為t=200 nm、500 nm和1000 nm時,光纖基模(FM)和第一高階模(HOM)的限制損耗(CL)、表面散射損耗(SSL)和總損耗(TL)的情況,分別如表1～3所示。從表2中可知,當t=500 nm時,光纖單模性和基模損耗為最優(yōu)。

表1 t=200 nm時基模和第一高階模損耗對比

表2 t=500 nm時基模和第一高階模損耗對比

表3 t=1000 nm時基模和高階模損耗對比

最后,計算了在d/D=0.68,t=500 nm時,在波長1500～1590 nm范圍光纖的基模和第一高階模的總損耗,如圖6所示,可知此結(jié)構(gòu)的光纖在波長1500～1590 nm范圍內(nèi)第一高階模的總損耗遠高于基模的總損耗,有良好的單模性和低的總損耗。

圖6 在波長1500～1590 nm范圍內(nèi)光纖的基模和第一高階模的總損耗

4 結(jié) 論

本文通過對空芯反諧振和光子帶隙復合光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選找到了可同時實現(xiàn)很好的單模性和較低損耗的光纖結(jié)構(gòu),克服了19胞空芯光子帶隙光纖雖然損耗較低,但為多模的缺點,十分適合作為如光纖陀螺所需的低損耗單模光纖。隨著空芯反諧振和光子帶隙復合光纖制備技術(shù)的進步成熟,相信此種光纖將會越來越多的應(yīng)用于各種用途。