色散補償光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對其色散的影響*

陳翔 張心賁 祝賢 程蘭 彭景剛 戴能利 李海清 李進延

(華中科技大學(xué),國家光電實驗室,武漢 430074)

(2012年7月10日收到;2012年8月22日收到修改稿)

1 引言

在現(xiàn)代高速光纖通信系統(tǒng)中,色散已經(jīng)取代損耗成為光纖通信系統(tǒng)的主要制約因素.由于色散補償光纖[1]是一種無源器件,可放在光纖線路中任何位置,安裝方便,能與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖兼容,能得到較小的插入損耗,因此受到普遍的重視,成為當(dāng)今的研究熱點.但普通色散補償光纖其補償能力有限,很難實現(xiàn)寬帶補償,并且成本較高,無法兼顧偏振模色散補償.光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)[2]的出現(xiàn)提供了一種全新的色散補償方法.PCF由沿著光纖長度方向的一個中心缺陷及多個圍繞著缺陷的空氣孔構(gòu)成,近年來,PCF因為其具有在傳統(tǒng)光纖中無法達到的獨特性能而引起了廣泛的關(guān)注,其靈活可調(diào)的色散特性就是其中一個非常重要的特性,通過改變孔間距Λ和空氣占空比d/Λ能夠在特定的波段實現(xiàn)正常色散、反常色散[3,4]以及偏振模色散[5].其實際應(yīng)用如PCF用于超連續(xù)譜產(chǎn)生[6,7]、色散平坦PCF[8]、色散補償PCF[9,10]等.PCF用作色散補償具有極大的應(yīng)用潛力.2004年,Gerome等[11]設(shè)計了一種同軸雙芯色散補償PCF,該PCF在1550 nm處有很高的負(fù)色散系數(shù);2006年,Fujisuma等[12]對同軸雙芯PCF在C波段的色散系數(shù)與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系進行了分析,并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化.但是這些研究都是在理論模擬的基礎(chǔ)上進行的分析,結(jié)合實際制備光纖的研究很少報道.本文從理論分析和實際制備兩方面對光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對其色散性能的影響進行了研究,對實際設(shè)計和制備色散補償光子晶體光纖具有非常重要的指導(dǎo)意義.

2 光纖設(shè)計

本文設(shè)計了一種色散補償PCF,理論設(shè)計光纖橫截面如圖1(a)所示,灰色和白色區(qū)域分別表示二氧化硅和空氣,纖芯直徑約1.2μm,空氣占空比d/Λ和孔間距Λ分別為0.6和1μm,模擬結(jié)果表明該光纖在1550 nm處具有很高的負(fù)色散系數(shù)(-329 ps·nm-1·km-1),相對色散斜率 (relative dispersion slope,RDS)為0.0019,其色散曲線如圖1(b)所示,具有很好的寬帶色散補償能力.

圖1 (a)PCF橫截面;(b)PCF色散曲線

光子晶體光纖由一種材料制備而成,因此材料色散可以不予考慮,只考慮波導(dǎo)色散,所以其色散能由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定.為了驗證空氣占空比d/Λ及孔間距Λ對PCF色散的影響,我們用頻域有限差分( finite-difference frequency-domain,FDFD)法對其色散系數(shù)進行了模擬[13].

首先,在Λ為1μm保持不變的情況下,模擬了d/Λ從0.6變化到0.9對色散系數(shù)的影響,模擬結(jié)果如圖2所示.

圖2 d/Λ改變模擬結(jié)果

在1550處,Λ為1μm,d/Λ不同的PCF色散值具體如表1.

表1 Λ=1μm,占空比改變時PCF的色散系數(shù)

從圖2和表1中可以看出,在Λ不變的情況下,d/Λ改變對色散數(shù)值影響很大.當(dāng)d/Λ從 0.6增加到 0.7時,其在 1550 nm處色 散 值 從-329.52 ps·nm-1·km-1增 加 到-238.32 ps·nm-1·km-1,增長率為 11.6%,當(dāng)d/Λ從 0.8 增加到0.9時,其在1550 nm處的色散值從-251.77 ps·nm-1·km-1增加到-238.32 ps·nm-1·km-1,增長率為5.3%.這表明,在1550 mm處色散隨著d/Λ的增加而增加,同時,d/Λ對色散的影響能力隨著d/Λ的增加而減小,因此可以通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)色散.

在d/Λ不變的情況下,Λ從 1.0μm變化到1.5μm時的色散模擬結(jié)果如圖3所示.

圖3(a)為d/Λ為0.6不變時,Λ由1.0μm變化到1.5μm的色散變化曲線;圖3(b)為占空比0.8不變時,孔間距由1.0μm變化到1.5μm的色散變化曲線.在1550 nm處,色散值隨Λ的變化如表2.

表2 占空比不變情況下,孔間距改變時PCF的色散系數(shù)

從表 2中可知,在d/Λ為 0.6時,Λ從 1.0增 加 到 1.1, 色 散 系 數(shù) 由-329.52 ps·nm-1·km-1增長為-204.31 ps·nm-1·km-1,當(dāng)Λ增長 10%時色散增長率約為 38%;在d/Λ為 0.8時,Λ同樣變化,色散系數(shù)由-251.77 ps·nm-1·km-1增加到-91.73 ps·nm-1·km-1,增長率為 63.5%.可見,當(dāng)Λ在1μm附近時,色散系數(shù)對Λ變化極其敏感,然而,當(dāng)Λ逐漸增大時,色散的變化量逐漸減小,表2中可以看出,Λ從1.4μm增加到1.5μm時,色散值的增加遠(yuǎn)比Λ從1.0μm變化到1.1μm色散值的增加要小.但與此同時,色散的數(shù)值已經(jīng)為正,表明該結(jié)構(gòu)PCF的色散對結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確要求相當(dāng)高,制造工藝?yán)щy.

圖3 d/Λ不變時,Λ改變對色散系數(shù)的影響 (a)d/Λ=0.6;(b)d/Λ=0.8

3 光纖的制備與性能

PCF由毛細(xì)管堆疊拉制而成,主要包括以下步驟：1)選用合適占空比的套管,經(jīng)處理后拉制合適直徑的毛細(xì)管;2)挑選直徑一致的毛細(xì)管及石英棒集束排列成預(yù)制棒;3)對預(yù)制棒進行套管,然后拉制光纖.

本文制備了三種光子晶體光纖,分別編號為PCF1,PCF2,PCF3,其電鏡掃描圖分別如圖4所示.經(jīng)測量,PCF1,PCF2,PCF3的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：Λ=1.0 μm,d/Λ=0.6;Λ=1.3 μm,d/Λ=0.7;Λ=1.2μm,d/Λ=0.8;光纖直徑均為125μm.并根據(jù)電鏡掃描圖所測量的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別模擬了這3種光纖的色散曲線,結(jié)果如圖5和圖6所示.

圖4 三種PCF的電鏡掃描圖

圖5 PCF1和PCF2的模擬及測試結(jié)果

圖5為PCF1和PCF2的對比模擬結(jié)果,實線、劃線、點線分別表示結(jié)構(gòu)參數(shù)Λ=1.0μm,d/Λ=0.6;Λ=1.0 μm,d/Λ=0.7;Λ=1.3 μm,d/Λ=0.7的PCF在1400—1700 nm波段范圍內(nèi)的色散系數(shù).從圖5中可以看出,當(dāng)Λ保持1.0μm不變時,d/Λ從 0.6增加到 0.7時,PCF在1550 nm 處的色 散 系數(shù)從-329.5 ps·nm-1·km-1增大為-291.4 ps·nm-1·km-1;而d/Λ保持 0.7 不變,Λ從1.0μm增加到 1.3μm時,PCF在 1550 nm 處的色散系數(shù)由-291.4 ps·nm-1·km-1急劇增大為 31.8 ps·nm-1·km-1. 圖 6 為 PCF1 和 PCF3的對比模擬結(jié)果,實線、劃線、點線分別表示結(jié)構(gòu)參數(shù)Λ=1.0μm,d/Λ=0.6;Λ=1.0μm,d/Λ=0.8;Λ=1.2μm,d/Λ=0.8的PCF在1400—1700 nm波段范圍內(nèi)的色散系數(shù).同樣從圖6中可以看出,當(dāng)Λ保持1.0μm不變,d/Λ從0.6增加到0.8時,PCF在1550 nm處的色散系數(shù)從-329.5 ps·nm-1·km-1變?yōu)?251.8 ps·nm-1·km-1,而d/Λ保持 0.8不變時,Λ從 1.0μm增加到1.2μm時,PCF在1550 nm處的色散系數(shù)由-251.8 ps·nm-1·km-1急劇增大為 7.8 ps·nm-1·km-1.由此可以推斷出,當(dāng)僅改變d/Λ時,色散系數(shù)的變化并不明顯,改變Λ時,變化很敏感.我們分別測量了三種PCF在1520—1580 nm波長段的色散系數(shù),色散的測試結(jié)果也與計算的色散曲線比較符合.在1550 nm 處,PCF1 的色散系數(shù)為-241.5 ps·nm-1·km-1,PCF2 的色散系數(shù)為 139.2 ps·nm-1·km-1,PCF3 的色散系數(shù)為 10.5 ps·nm-1·km-1,PCF 的色散系數(shù)隨著Λ的增加而增大.從之前的分析可以得出,d/Λ改變對PCF色散系數(shù)的影響并不是很大.三種PCF之間微小的孔間距Λ差異,導(dǎo)致三種PCF的色散系數(shù)差別如此之大,從而驗證了Λ對色散系數(shù)的影響比d/Λ的影響要大得多,實際制造這種光纖非常困難.

圖6 PCF1和PCF3的模擬及測試結(jié)果

三種PCF中,PCF1比較接近理想設(shè)計的結(jié)構(gòu)：Λ=1.0μm,d/Λ=0.6.但是由于拉制過程中對空氣孔內(nèi)氣壓的控制程度不夠,導(dǎo)致內(nèi)層空氣孔的占空比略小于外層空氣孔.從實際測試結(jié)果來看,這對PCF的色散系數(shù)影響并不明顯,PCF1在1550 nm處的色散系數(shù)為-241.5 ps·nm-1·km-1,具有比較好的色散補償能力.但是對于高速傳輸?shù)拿芗ǚ謴?fù)用系統(tǒng)而言,不僅要對色散值進行補償,同時也要對光纖的色散斜率進行補償,也就是說,需要對光纖在某波段內(nèi)的色散同時進行補償.用色散補償光纖實現(xiàn)這種全色散補償時,在被補償?shù)牟ǘ蝺?nèi),需要滿足以下條件：

式中LCF為被補償?shù)墓饫w的長度;DCF為被補償?shù)墓饫w的色散值;LDCF為色散補償?shù)墓饫w的長度;DDCF為色散補償?shù)墓饫w的色散值.

因此,相對色散斜率RDS定義為

SCF為被補償光纖的色散斜率;SDCF為色散補償?shù)墓饫w的色散斜率;即色散補償光纖與被補償光纖的相對色散斜率接近或是相等[14].

常用通信光纖G652在C波段的RDS為0.0036,而PCF1的RDS為0.0018,表明此種光纖具有良好的寬帶色散補償能力.RDS的計算式為

其中D(1530),D(1550),D(1570)分別為光纖在1530,1550,1570 nm的色散值.

結(jié)果表明提出的這種PCF結(jié)構(gòu)具有一定的寬帶色散補償能力,并且能夠通過調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)參數(shù)在期望的波長范圍內(nèi)達到特定的色散要求.值得一提的是,其色散對孔間距Λ的變化比占空比d/Λ更為敏感.但是這種PCF制備工藝?yán)щy,占空比d/Λ在實際堆疊拉制法中是確定了的,為了精確控制PCF的色散,我們應(yīng)該更多關(guān)注孔間距Λ,色散系數(shù)對孔間距Λ非常敏感,然而,在實際制備過程之中,孔間距Λ的大小受到拉制過程中溫度和速度的影響是不可控的,但是我們可以通過輕微的改變光纖的直徑,精確控制孔間距Λ的大小,從而精確控制PCF的色散系數(shù).

4 結(jié)論

通過理論計算和實際測試結(jié)果的對比分析,研究了色散補償PCF的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其色散的影響,發(fā)現(xiàn)色散系數(shù)對于孔間距Λ的變化比占空比d/Λ更為敏感,并且隨著孔間距Λ的增加,其對色散系數(shù)的影響逐漸減小.為了精確控制光子晶體光纖的色散,我們可以在設(shè)計色散補償PCF時增大其孔間距Λ或者在實際拉制過程中調(diào)節(jié)PCF的直徑以達到精確控制孔間距Λ的目的.實際制備出的色散補償光子晶體光纖,其結(jié)構(gòu)參數(shù)為Λ=1.0μm,d/Λ=0.6,其在1550 nm處的色散系數(shù)為-241.5 ps·nm-1·km-1,該 PCF 的 RDS 為 0.0018,表明此種光纖具有良好的寬帶色散補償能力,對實際設(shè)計和制備色散補償光子晶體光纖具有一定的指導(dǎo)意義.

[1]Gruner-Nielsen L,Wandel M,Kristensen P,Jorgensen C,Jorgensen L V,Edvold B,Palsdottir B,Jakobsen D 2005J.Lightwave Technol.23 3566

[2]Russell P S J 2006J.Lightwave Technol.24 4729

[3]Yang S,Zhang Y J,Peng X Z,Lu Y,Xie S H 2006Opt.Express14 3015

[4]Jiang L H,Hou L T 2010Acta Phys.Sin.59 1095(in Chinese)[姜凌紅,侯藍田2010物理學(xué)報59 1095]

[5]Ritari T,Niemi T,Ludvigsen H,Wegmuller M,Gisin N,Folkenberg J R,Petterson A 2003Opt.Commun.226 233

[6]Jing Q,Zhang X,Ma H F,Huang Y Q,Ren X M 2012Opt.Laser Technol.44 1660

[7]Dudley J M,Genty G,Coen S 2006Rev.Mod.Phys.78 1135

[8]Saitoh K,Koshiba M,Hasegawa T,Sasaoka E 2003Opt.Express11 843

[9]Shen L P,Huang W P,Chen G X,Jian S S 2003IEEE Photonic.Tech.L 15 540

[10]Wang Z A,Ren X M,Zhang X,Xu Y Z,Huang Y Q 2007J.Opt.APure Appl.Opt.9 435

[11]Gerome F,Auguste J L,Blondy J M 2004Opt.Lett.29 2725

[12]Fujisawa T,Saitoh K,Wada K,Koshiba M 2006Opt.Express14 893

[13]Pourmahyabadi M,Nejad S M 2009Iranian J.Electr.Electron.Eng.5 170

[14]Li S G,Liu X D,Hou L T 2004Acta Phys.Sin.53 1880(in Chinese)[李曙光,劉曉東,侯藍田2004物理學(xué)報53 1880]