CN116413849A - 单一偏振单一模式pcf、参数确定方法和性能分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单一偏振单一模式PCF、参数确定方法和性能分析方法，其涉及光纤光学技术领域。PCF的包层区域没有空气孔；PCF的芯部区域包括4行空气孔和3行氮化硅孔，4行空气孔和3行氮化硅孔交替布设形成六边形结构。基于全矢量有限元素法，分析了双折射特性在不同氮化硅孔和空气孔下的变化趋势，并通过优化芯部构造实现了单一偏振单一模式的PCF。对该PCF的消光比、有效折射率、色散、限制损耗和非线性系数等相关性能参数进行讨论。本发明考虑了制作工艺难度设计的单一偏振单一模式PCF，其在最优结构下可以得到较高的双折射和高负色散特性，可应用于偏振调控、光纤传感、色散补偿等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光学技术领域，特别涉及一种单一偏振单一模式PCF结构、及其结构参数确定方法和性能参数分析方法。
背景技术
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)，也称为微结构光纤，于1992年由英国学者Knight等人基于光子晶体的概念首次提出，第一个PCF光纤样品于1996年在英国南安普顿大学成功研制。此后PCF便迅速成为光纤光学领域的一个研究热点。PCF可以通过灵活设计空气孔的大小、几何分布以及填充材料等方式，来实现一些优于普通光纤的性质。比如高双折射性、灵活可调的色散特性、良好的非线性等，使其在光纤传感、色散补偿、无源光器件、光纤激光器等领域都有着极大的应用。
目前，多种不同结构的高双折射PCF已经被设计出来，并广泛应用于偏振调制与光纤传感等领域。2018年，ISIAM等设计一种方形空气孔的PCF，其限制性损耗低至1.7×10- 9dB/m，其双折射为2.8×10-3。2019年，于锦华等报道的内包层椭圆孔PCF在波长1550nm处获得高4.22×10-2的双折射系数和-14ps/(nm·km)的色散值。2020年，Agbemabiese等人设计一种包层含圆形和椭圆形空气孔的PCF，其双折射系数为2.018×10-2，限制性损耗为10- 5dB/m量级。2020年，Sun等设计的PCF在波长1550nm处双折射系数3.72×10-2，色散值低至-1343.46ps/(nm·km)，并且其色散特性呈现平坦趋势。由此可见，通过设计不同结构以及调整相关参数，PCF的性能不断提高，且随着光纤通信的技术不断增长的需求，设计新型的PCF仍是十分重要的。
然而，现有技术中，在设计高双折射PCF时往往关注的是性能参数，比如损耗特性、色散特性、非线性特性等，而忽略了设计专用光纤的重要性，比如单一偏振单一模式的高双折射PCF；且现有技术中对光纤各性能参数的研究大多是仿真理论的研究，而忽略了实际的制作难度。
发明内容
基于此，有必要针对上述背景技术存在现有技术中没有单一偏振单一模式的高双折射PCF和忽略实际制作难度的技术问题，提供一种单一偏振单一模式PCF、参数确定方法和性能分析方法。
本发明实施例提供的一种单一偏振单一模式PCF，包括：
所述PCF的包层区域没有空气孔；
所述PCF的芯部区域包括4行空气孔和3行氮化硅孔，4行空气孔和3行氮化硅孔交替布设形成六边形结构；其中，所述氮化硅孔的直径为0.850Λ，所述空气孔的直径为0.800Λ，Λ为空气孔和/或氮化硅孔之间的单位晶格距离。
本发明实施例提供的一种单一偏振单一模式PCF的参数确定方法，包括：
设置空气孔和/或氮化硅孔之间的单位晶格距离Λ，并根据PCF的制造难度确定空气孔和氮化硅孔的直径变化范围均为0.50Λ～0.85Λ；
基于全矢量有限元素法，通过在0.50Λ～0.85Λ范围内改变空气孔和氮化硅孔的直径，分析PCF的双折射特性的变化趋势，在双折射等高图中确定PCF的单一偏振单一模式区域；
根据单一偏振单一模式区域内氮化硅孔越大，空气孔越小，PCF的双折射越大的特点，设定氮化硅孔的直径为0.850Λ；并选取不同直径的空气孔，通过时域有限差分法计算氮化硅孔和不同直径的空气孔形成结构的基模消光比，将消光比最小时对应的空气孔的直径作为最佳单一偏振单一模式PCF结构对应空气孔的直径。
进一步地，所述单位晶格距离Λ＝0.3μm。
进一步地，所述PCF的双折射确定步骤，包括：
基于全矢量有限元素法，求解PCF结构的本征模式，得到相应模式的等效折射率；
根据等效折射率，确定PCF的双折射值B；
其中，Re表示实部，
分别表示基模的x偏振分量的等效折射率和y偏振分量的等效折射率。
进一步地，所述PCF的单一偏振单一模式区域，包括：
基模的x偏振分量折射率大于包层折射率，且包层折射率大于基模的y偏振分量折射率。
进一步地，所述选取不同直径的空气孔，各空气孔对应的直径包括：0.800Λ、0.725Λ和0.650Λ。
进一步地，所述最佳单一偏振单一模式PCF结构对应空气孔的直径为0.800Λ，且对应的双折射值为2.142×10-3。
本发明实施例提供的一种单一偏振单一模式PCF的色散性能分析方法，包括：
考虑氮化硅的制作难度，设置氮化硅孔的直径为0.850Λ不变；
通过改变空气孔的直径，分析单一偏振单一模式PCF的色散特性；其中，当波长λ＝1.55μm，空气孔直径为0.8Λ时对应的负色散值为-2750ps/(nm-km)。
本发明实施例提供的一种单一偏振单一模式PCF的限制损耗性能分析方法，包括：
考虑氮化硅的制作难度，设置氮化硅孔的直径为0.850Λ不变；
通过改变空气孔的直径，分析单一偏振单一模式PCF的限制损耗特性；其中，当波长λ＝1.55μm，空气孔直径为0.8Λ时对应的限制损耗值为1.57×10-7dB/m。
本发明实施例提供的一种单一偏振单一模式PCF的非线性性能分析方法，包括：
考虑氮化硅的制作难度，设置氮化硅孔的直径为0.850Λ不变；
通过改变空气孔的直径，分析单一偏振单一模式PCF的非线性特性；其中，当波长λ＝1.55μm，空气孔直径为0.8Λ时对应的非线性系数为90.5W-1·km-1。
本发明实施例提供的上述单一偏振单一模式PCF、参数确定方法和性能分析方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明实施例设计一种包层无空气孔的单一偏振单一模式高双折射PCF，此设计的创新点有两个方面：一方面是考虑制作难度，包层不加空气孔；另一方面考虑芯部双折射性的引入，选用了氮化硅孔替换一部分空气孔，并通过调整芯部孔结构，实现了单一偏振单一模式(Single Polarization Single Mode,SPSM)的PCF。结果表明，在波长为1550nm处，该PCF在最佳参数结构下可得到2.142×10-3的高双折射值、-2750ps/(nm-km)的大负色散值、1.57×10-7dB/m的低限制性损耗以及90.5W-1·km-1的高非线性系数；本发明光纤最优结构下可以得到较高的双折射和高负色散特性，可应用于偏振调控、光纤传感、色散补偿等领域。
附图说明
图1为一个实施例中提供的基于氮化硅与空气孔的SPSM-PCF结构示意图；
图2为一个实施例中提供的SPSM-PCF结构双折射等高图；
图3为一个实施例中提供的SPSM-PCF结构的基模电场分布图；
图4为一个实施例中提供的不同空气孔下消光比随z轴的变化曲线图；
图5为一个实施例中提供的不同空气孔下色散随波长变化曲线图；
图6为一个实施例中提供的不同空气孔下限制损耗随波长变化曲线图；
图7为一个实施例中提供的不同空气孔下非线性系数随波长变化曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明实施例提出了一种新型光子晶体光纤(PCF)，其光纤包层没有空气孔，光纤芯部氮化硅孔与空气孔交错排列。基于全矢量有限元素法，分析了双折射特性在不同氮化硅孔和空气孔下的变化趋势，并通过优化芯部构造实现了单一偏振单一模式的PCF。之后，对该PCF的消光比、有效折射率、色散、限制损耗和非线性系数等相关性能参数进行讨论。
实施例1：
本发明实施例设计的包层无空气孔PCF的截面图如图1所示，其包层区域没有空气孔，芯部区域由空气孔和氮化硅孔排列组合而成。考虑到空气孔过多会降低芯部有效折射率，在此，去掉了水平方向上氮化硅最外层的空气孔。此外，之所以选择三行氮化硅孔构造，是因为经过仿真分析得知超过三行氮化硅孔的芯部构造具有较高有效折射率，会导致基模的x和y偏振分量均高于包层折射率，无法实现单一偏振PCF。
相邻孔之间的单位晶格距离设为Λ＝0.3μm，考虑到PCF的制造工艺并降低制造难度，空气孔和氮化硅孔的直径变化范围设为0.50Λ～0.85Λ。该结构的材料包括空气、二氧化硅和氮化硅。其中空气的折射率不随波长变化，始终为1，而二氧化硅和氮化硅的折射率随波长变化，因此，两者需用其对应的Sellmeier公式进行计算。这里二氧化硅的折射率可表示为：
式中，λ是入射光波长，单位为μm，A1、A2、A3、B1、B2和B3的值为：A1＝0.6961663、A2＝0.4079426、A3＝0.8974794、B1＝0.0684043、B2＝1162414和B3＝9.896161。当λ＝1.55μm时，
氮化硅的折射率可表示为：
式中，A1、A2、B1和B2的值为：A1＝3.0249、A2＝40314、B1＝0.1353406和B2＝1239.842。当λ＝1.55μm时，
该方程在波长0.310-5.504μm范围内有效。
实施例2：
本发明实施例是将氮化硅孔沿着x轴排列，目的是为了破坏PCF芯部的轴对称性并提升芯部的有效折射率。本研究由于高折射率的氮化硅孔是沿x方向排列，因此芯部的x偏振分量折射率将大于y偏振分量。双折射值B可表示为由以下公式：
其中，Re表示实部，
分别表示基模的x偏振分量、y偏振分量的等效折射率。
基于全矢量有限元素法可以求解出PCF结构的本征模式，并得到相应模式的等效折射率。通过改变结构的孔尺寸，分析了PCF的双折射性质，如图2所示。横轴表示氮化硅孔直径，纵轴为空气孔直径。等高图中两个线之间的是可以实现SPSM的区域(即nx>nclad>ny)，左边是没有模式存在的区域(即nclad>nx>ny)，右边是无法实现单一偏振的区域(即nx>ny>nclad)。
由图2可知，在可以实现SPSM的区域中，氮化硅孔越大，空气孔越小，PCF的双折射越大。本文设定氮化硅孔直径为0.850Λ，选取空气孔分别为0.800Λ，0.725Λ，0.650Λ(对应A、B、C点)的构造进行分析。各构造的基模电场分布如图3所示，可以看出空气孔越小，Ey分量仍会有部分能量集中在芯部的氮化硅孔周围，这将会影响SPSM-PCF的性能。在此，通过时域有限差分法(FDTD)计算三种构造下基模的消光比。消光比的计算公式：
由图4可知，当空气孔的直径为0.800∧时，随着光在PCF中的传播，其对应的消光比最小。因此，本文选择
Dair＝0.80Λ作为SPSM-PCF的最佳构造，此时对应的双折射为2.142×10-3。
实施例3：
在分析SPSM-PCF特性过程中，考虑氮化硅的制作问题，决定固定氮化硅孔直径不变，通过改变空气孔直径来分析PCF的色散、限制损耗和高非线性的变化。
1、色散
讨论包层无空气孔PCF的色散特性。PCF的总色散是由材料色散和波导色散组成，般在分析PCF的色散时，只对波导色散进行分析。波导色散的公式下所示：
式中，D(λ)的单位为ps/(nm-km)，c是真空中的光速，λ是波长，Re[neff]是模式有效折射率的实部。根据式(5)可以求出色散D随着波长λ的变化情况。
由图5可知，当空气孔直径为0.775Λ和0.800Λ时，PCF的色散值随着波长的增大而逐渐减小。在整个减小的过程中，色散值都是负值。当空气孔直径为0.825Λ时，该结构的波长λ在大于1.54μm时，其有效折射率的值几乎接近包层的折射率，从而导致色散出现增大现象。当波长λ＝1.55μm时，空气孔直径为0.8Λ对应的负色散值高达-2750ps/(nm-km)。因此，此PCF达到色散补偿光纤的要求，可以消除传输过程中光纤产生的正色散。当通过改变自身结构参数达到不同PCF所需色散补偿要求时，可以提升通信质量，缩减技术成本，还会对现在光纤通信向更高速发展产生促进，甚至也会对特种光纤普及起到推动作用。
2、限制损耗
讨论包层无空气孔PCF的限制损耗。光纤在实际应用中并不会像模拟仿真中出现无限包层区域，而有限的包层区域就会导致部分光能量外泄到光纤之外，这被称为限制损耗。限制损耗是影响PCF传输性能的重要因素之一。其计算公式下所示：
式中，L(λ)的单位为dB/m，λ是波长，单位为μm。Im(neff)是有效折射率的虚部。本次在求解限制性损耗时，选用全矢量有限元素法进行仿真，整个PCF光纤的直径为5μm，在包层之外设置完美匹配层来吸收溢出的光能量。
由图6可知，对于每种构造，PCF的限制损耗随着波长的增加而逐渐增加。这是因为随着波长的不断增加，芯部对光波的限制作用减弱，模场特性不断变化，进而增加进入包层中的能量，这也导致了限制损耗的增大。此外，该结构的限制损耗也随着空气孔直径的增大而增大，这是因为较大的空气孔会降低芯部和包层的折射率差，同样会降低PCF光纤的收束性。当波长λ＝1.55μm时，空气孔直径为0.8Λ对应的限制损耗值为1.57×10-7dB/m。因此，该结构在远距离传输中表现出一定的应用潜质。
3、非线性特性
非线性特性是研究PCF的重要的特性值之一,光纤的非线性特性是由非线性系数确定的，其公式：
式中，n2是折射率非线性部分中的非线性折射率系数，在这里n2＝2.4×10-15cm2/W，λ是波长，单位为μm。Aeff是光纤的有效模面积，其公式：
式中，E为光纤横截面的电场强度。
由图7可知，当空气孔直径为0.775Λ、0.800Λ，PCF的非线性系数随着波长的增大而减小。另外，当空气孔的直径增大时，PCF的非线性系数反而减小。当波长λ＝1.55μm时，空气孔直径为0.800Λ对应的非线性系数为90.5W-1·km-1，众所周知，普通光纤的非线性系数在2W-1·km-1左右，因此，此PCF得到高非线性系数，在超连续谱、光开关以及光纤器件制作等有极大应用价值。
综上所述，本发明实施例设计的新型PCF，其包层无空气孔，芯部是由空气孔和氮化硅孔排列组合而成的六边形结构。借助全矢量有限元素法，对该结构的有效折射率、双折射、色散、限制损耗和非线性进行研究分析。仿真结果表明：当空气孔直径为0.800，波长为1.55μm时，该结构可以获得2.142×10-3的高双折射值，-2750ps/(nm-km)的大负色散值，1.57×10-7dB/m的低限制损耗以及90.5W-1·km-1的高非线性系数。因此，该结构在偏振控制、色散补偿、非线性光学器件等领域有着潜在的应用价值。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种单一偏振单一模式PCF，其特征在于，包括：
所述PCF的包层区域没有空气孔；
所述PCF的芯部区域包括4行空气孔和3行氮化硅孔，4行空气孔和3行氮化硅孔交替布设形成六边形结构；其中，所述氮化硅孔的直径为0.850Λ，所述空气孔的直径为0.800Λ，Λ为空气孔和/或氮化硅孔之间的单位晶格距离。
2.一种如权利要求1所述的单一偏振单一模式PCF的参数确定方法，其特征在于，包括：
设置空气孔和/或氮化硅孔之间的单位晶格距离Λ，并根据PCF的制造难度确定空气孔和氮化硅孔的直径变化范围均为0.50Λ～0.85Λ；
基于全矢量有限元素法，通过在0.50Λ～0.85Λ范围内改变空气孔和氮化硅孔的直径，分析PCF的双折射特性的变化趋势，在双折射等高图中确定PCF的单一偏振单一模式区域；
根据单一偏振单一模式区域内氮化硅孔越大，空气孔越小，PCF的双折射越大的特点，设定氮化硅孔的直径为0.850Λ；并选取不同直径的空气孔，通过时域有限差分法计算氮化硅孔和不同直径的空气孔形成结构的基模消光比，将消光比最小时对应的空气孔的直径作为最佳单一偏振单一模式PCF结构对应空气孔的直径。
3.如权利要求2所述的单一偏振单一模式PCF的参数确定方法，其特征在于，单位晶格距离Λ＝0.3μm。
4.如权利要求2所述的单一偏振单一模式PCF的参数确定方法，其特征在于，所述PCF的双折射确定步骤，包括：
基于全矢量有限元素法，求解PCF结构的本征模式，得到相应模式的等效折射率；
根据等效折射率，确定PCF的双折射值B；
其中，Re表示实部，
分别表示基模的x偏振分量的等效折射率和y偏振分量的等效折射率。
5.如权利要求2所述的单一偏振单一模式PCF的参数确定方法，其特征在于，所述PCF的单一偏振单一模式区域，包括：
基模的x偏振分量折射率大于包层折射率，且包层折射率大于基模的y偏振分量折射率。
6.如权利要求2所述的单一偏振单一模式PCF的参数确定方法，其特征在于，所述选取不同直径的空气孔，各空气孔对应的直径包括：0.800Λ、0.725Λ和0.650Λ。
7.如权利要求2所述的单一偏振单一模式PCF的参数确定方法，其特征在于，所述最佳单一偏振单一模式PCF结构对应空气孔的直径为0.800Λ，且对应的双折射值为2.142×10-3。
8.一种如权利要求1所述的单一偏振单一模式PCF的色散性能分析方法，其特征在于，包括：
考虑氮化硅的制作难度，设置氮化硅孔的直径为0.850Λ不变；
通过改变空气孔的直径，分析单一偏振单一模式PCF的色散特性；其中，当波长λ＝1.55μm，空气孔直径为0.8Λ时对应的负色散值为-2750ps/(nm-km)。
9.一种如权利要求1所述的单一偏振单一模式PCF的限制损耗性能分析方法，其特征在于，包括：
考虑氮化硅的制作难度，设置氮化硅孔的直径为0.850Λ不变；
通过改变空气孔的直径，分析单一偏振单一模式PCF的限制损耗特性；其中，当波长λ＝1.55μm，空气孔直径为0.8Λ时对应的限制损耗值为1.57×10-7dB/m。
10.一种如权利要求1所述的单一偏振单一模式PCF的非线性性能分析方法，其特征在于，包括：
考虑氮化硅的制作难度，设置氮化硅孔的直径为0.850Λ不变；
通过改变空气孔的直径，分析单一偏振单一模式PCF的非线性特性；其中，当波长λ＝1.55μm，空气孔直径为0.8Λ时对应的非线性系数为90.5W-1·km-1。
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