一种新型圆形掺杂光子晶体光纤负色散特性的分析_阮志强.pdf

第 40 卷 第 1 期量 子 电 子 学 报Vol.40 No.12023 年 1 月CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSJan.2023DOI:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.01.016一一一种种种新新新型型型圆圆圆形形形掺掺掺杂杂杂光光光子子子晶晶晶体体体光光光纤纤纤负负负色色色散散散特特特性性性的的的分分分析析析阮志强,张 磊,赵欣瑜,江兴方(常州大学微电子与控制工程学院,江苏 常州 213164)摘要:针对目前使用的光纤中普遍存在的色散问题，利用有限元法并结合 COMSOL Multiphysics 仿真软件设计了一种双芯圆形液体掺杂的光子晶体光纤。研究结果表明，随着空气孔直径 d1与空气孔层间距 的比值d1/变小，有效折射率的最大变化率和色散逐渐向长波长方向移动；随着中心孔直径 d2变大，有效折射率的最大变化率和色散的最小值也逐渐向长波长方向移动；此外，随着掺杂液体折射率 nL增大，有效折射率的最大变化率和色散的最小值同样逐渐向长波长方向移动。当 =1550 m、d1/=0.7、d2/=0.833 以及nL=1.753 时,可在 1550 nm 处获得 132720 psnm1km1的大负色散值。关 键 词:非线性光学;色散补偿;光子晶体光纤;负色散系数中 图 分 类 号:O431.2文 献 标 识 码:A文章编号:1007-5461(2023)01-00133-06Analysis of negative dispersion characteristics of a novelcircular doped photonic crystal fiberRUAN Zhiqiang,ZHANG Lei,ZHAO Xinyu,JIANG Xingfang(School of Microelectronics and Control Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)Abstract:Aiming at the ubiquitous dispersion problem in optical fibers currently used,a dual-core cir-cular liquid-doped photonic crystal fiber was designed by using the finite element method and COMSOLMultiphysics simulation software.The results show that as the ratio d1/of the air hole diameter d1tothe air hole layer spacing decreases,the maximum change rate and dispersion of the effective refractiveindex gradually move to the long wavelength direction.And with the increase of the central hole diameterd2,the maximum change rate of the effective refractive index and the minimum dispersion value also grad-ually move to the long wavelength direction.In addition,with the increase of the refractive index nLofthe doping liquid,the maximum change rate of the effective refractive index and the minimum dispersion基金项目:国家自然科学基金(41875026),江苏省现代光学技术重点实验室开放研究课题(KJS1405)作者简介:阮志强(1998-),安徽池州人,研究生,主要从事光子晶体光纤色散管理方面的研究。E-mail:导师简介:江兴方(1963-),江苏常州人,教授,主要从事光电信息与光电材料方面的研究。E-mail:收稿日期:20220613;修改日期:20220913通信作者。134量 子 电 子 学 报40 卷rate also show the same changing trend.It is shown that the large negative dispersion value of 132720psnm1km1can be obtained at 1550 nm for =1550 m,d1/=0.7,d2/=0.833,and nL=1.753.Key words:nonlinear optics;dispersion compensation;photonic crystal fiber;negative dispersion coef-ficient0引言随着社会和互联网经济的发展,光纤通信已成为当今通信的主流。但是伴随着人们对信息传输速率和通信量要求的日益增高,限制光纤应用的两大难题(衰减和色散问题)也变得愈发尖锐,尤其是光纤密集型波分复用(DWDM)中的色散问题,极大地限制了光纤传输的容量。由于在同一介质中不同波长光波的传播速度不同,引起脉冲展宽而产生色散,DWDM 系统主要应用于波长 1550 nm 处13,需要利用色散补偿型光子晶体光纤(DCF)来进行色散补偿,从而改善传输效率。近年来,很多研究人员研究了 DWDM 中的色散问题。Maji 等4于 2016 年设计了一种双芯的正方形包层的光子晶体光纤,发现其可在范围 1400 1600 nm 内实现有效的宽带色散补偿,色散系数可达到2000 psnm1km1左右;Zhang 等5为实现有效色散补偿,开创性地设计了正八边形的光子晶体光纤,其在传输波长 1550 nm 处的负色散可以达到 1434.9 psnm1km1左右。本文运用有限元法对圆形结构的液体填充光子晶体光纤进行了色散补偿研究,针对波长 1550 nm 窗口的色散补偿进行了详细的数值计算与模拟。1光纤结构与色散计算方法本研究所设计的圆形双芯光子晶体光纤横截面结构如图 1 所示,包层是分布在纯硅背景下的直径为d1的空气孔构成的圆形格点。从中心向外的第一层、第二层、第四层、第五层和第六层按圆形排列,旋转角度分别为 60、30、14.4、12和 10,表示空气孔层层间距,内芯为直径为 d2的掺杂区,折射率nL=1.753,外芯是移去第三层的空气孔的纯硅环。表征透明光学材料中随波长变化的折射率时通常采用 Sellmeier 公式6(也称为 Sellmeier 方程或 Sellmeier 色散公式),其典型的形式为n()=1+jBj22Cj,(1)式中:n 为折射率,为波长,Bj和 Cj为依据经验决定的 Sellmeier 系数7。可以通过 Sellmeier 公式计算出纯硅环的折射率为7n=1+B122C1+B222C2+B322C3,(2)式中:B1、B2和 B3分别为0.696166300、0.407942600和0.897479400,C1、C2和C3分别为0.00467914826、0.0135120631 和 97.9340025。应用有限元数值分析方法811,结合 COMSOL Multiphysics 软件对所提出光子晶体光纤进行分析,只需要确定光纤的电磁参量和几何参量并输入对应波长,就能计算出光子晶体光纤的波导色散,可以表示为第 1 期阮志强等:一种新型圆形掺杂光子晶体光纤负色散特性的分析135D=cd2neffd2,(3)式中:c 为真空中的光速,为工作波长,neff为有效折射率。光子晶体光纤的材料色散由 Sellmeier 方程给出6,总色散为材料色散和波导色散之和。图 1圆形掺杂光子晶体光纤横截面Fig.1Cross section of circular doped photonic crystal fiber2光纤的负色散特性及仿真分析所设计双芯结构的光子晶体光纤之所以能产生负色散,是因为这种结构的光子晶体光纤支持两个超模,即基模和二阶模12。当工作波长小于某一波长 0时,电场基本上集中在内芯传播,如图 2(a)所示;当工作波长大于某一波长 0时,电场主要集中在外芯传播,如图 2(b)所示;而当工作波长在 0附近时,电场在内芯与外芯之间都有分布,如图 2(c)所示。这种传播现象使得光纤的有效折射率在 0处发生转折,从而产生负色散。图 2三个传输区间的电场能量分布图。(a)耦合前;(b)耦合后;(c)耦合时Fig.2Electric field energy distribution diagram of three transmission intervals.(a)Before coupling;(b)After coupling;(c)When coupling2.1空空空气气气孔孔孔直直直径径径 d1对对对色色色散散散的的的影影影响响响固定空气孔层间距=1550m,固定中心孔直径d2(d2/=0.833),中心掺杂液体折射率nL=1.753。改变空气孔直径 d1与空气孔层间距 的比值 d1/,可以得到有效折射率和波长的关系 图 3(a)以及136量 子 电 子 学 报40 卷色散与波长的关系 图3(b)。由图 3(a)可见:当、d2和 nL固定不变时,随着 d1/的变小,有效折射率的最大变化率逐渐向长波长方向移动,这表明两区间的耦合波长值逐渐变大;由图 3(b)可见:随着 d1/值的减小,色散的最小值向长波长区域移动,d1/=0.70 时在波长 1550 nm 处可以得到约为 131960psnm1km1的大负色散值。图 3改变空气孔直径得到的(a)有效折射率和(b)色散Fig.3(a)Effective refractive index and(b)dispersion obtained by changing air hole diameter2.2中中中心心心孔孔孔直直直径径径 d2对对对色色色散散散的的的影影影响响响固定空气孔层间距 =1550 m,d1/=0.7,nL=1.753。改变 d2的大小,可以得到有效折射率与波长的关系 图 4(a)以及色散与波长的关系 图 4(b)。由图 4(a)可见:当固定、d1和 nL,随着 d2的变大,有效折射率的最大变化率逐渐向长波长方向移动,这说明两个传输区间的耦合波长值变大;由图 4(b)可见,随着 d2的变大,色散的最小值向长波长方向移动,d2/=0.833 时在波长 1550 nm 处可以得到约为132720 psnm1km1的大负色散值。图 4改变中心孔直径得到的(a)有效折射率和(b)色散Fig.4(a)Effective refractive index and(b)dispersion obtained by changing diameter of the central hole2.3中中中心心心掺掺掺杂杂杂液液液体体体折折折射射射率率率 nL对对对色色色散散散的的的影影影响响响固定 =1550 m,d1/=0.7,d2/=0.833,改变 nL的大小可以得到有效折射率与波长的关系 图5(a)以及色散与波长的关系 图 5(b)。由图 5(a)可见:当固定、d1和 d2时,随着 nL的增大,有效折第 1 期阮志强等:一种新型圆形掺杂光子晶体光纤负色散特性的分析137射率的最大变化率逐渐向长波长方向移动,这说明两个传输区间的耦合波长值变大;由图 5(b)可见:随着 nL的增大,色散的最小值向长波长方向移动,nL=1.753 时在波长 1550 nm 处可以得到约为 1319