高雙折射單模單偏振太赫茲光子晶體光纖設計

蔣文麗,鄭義

(北京交通大學理學院激光所,北京 100044)

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高雙折射單模單偏振太赫茲光子晶體光纖設計

蔣文麗,鄭義

(北京交通大學理學院激光所,北京 100044)

摘要:利用全矢量有限元法設計了一種非對稱三角晶格SPSM-TPCF(單模單偏振太赫茲光子晶體光纖),該光纖具有高雙折射、寬帶寬、低平坦色散和SPSM傳輸?shù)忍匦浴７治鼋Y果得出,在330μm處,雙折射高達0.036 5,拍長為9.04 mm;x和y偏振模的限制損耗分別為48.01和0.008 13 dB/m;y偏振模的有效模場面積為7 557μm2,數(shù)值孔徑為0.56。在波長326.5～ 359μm范圍內實現(xiàn)SPSM傳輸,且y偏振模損耗始終低于0.1 d B/m;該光纖呈現(xiàn)低平坦色散特性,色散值僅為(-2.14± 0.45)ps/(nm·km)。

關鍵詞:太赫茲光子晶體光纖;雙折射;單模單偏振;色散;有限元法

0　引 言

THz(太赫茲)波是一種位于特殊波段的電磁波,頻率在0.1～10 THz之間,在醫(yī)學成像、無損檢測、國防安全和空間通信[1]等眾多領域均有著廣泛應用。目前,國內外對SPSM(單模單偏振)PCF(光子晶體光纖)的研究多集中在通信波段[2-3]。SPSMPCF能夠消除偏振串擾、偏振模色散以及偏振模式耦合對偏振保持特性的限制,從而應用到長距離通信、傳感及濾波等各種領域[2-8]。關于TPCF(太赫茲光子晶體光纖)的研究很少,且以往的SPSMTPCF不能同時兼顧雙折射、損耗和色散特性。汪靜麗等[9]設計了在1.07～1.36 THz范圍內的SPSM-PCF,但未考慮其色散與損耗;Hou等[10]設計了一種在1.67～1.8 THz范圍內,最低損耗為0.004 dB/m的SPSM-TPCF,但未考慮其色散; Chen等[11]設計了一種中心頻率為1 THz、帶寬為360 GHz的SPSM-TPCF,但損耗高達0.89 dB/cm。

本文通過在兩偏振模中引入偏振相關損耗,使其中一個偏振模呈高損耗狀態(tài),從而達到只有一個偏振模能在光纖中傳輸?shù)哪康?。設計了一種新型SPSMTPCF,并對該光纖的雙折射、拍長、限制損耗、色散、有效模場面積及數(shù)值孔徑進行了模擬,發(fā)現(xiàn)該光纖在THz波段具有寬帶寬、高雙折射、低色散平坦特性和SPSM傳輸?shù)奶攸c,能滿足實際應用需要。

1　結構設計

高雙折射雙偏振光纖是實現(xiàn)SPSM光纖的一種有效方式,所以在設計具有SPSM特點的TPCF之前,首先考慮的是如何能夠獲得較高的模式雙折射。本文通過引入兩個對稱的大圓空氣孔和3個非對稱的橢圓空氣孔來增大光纖的模式雙折射。

所設計的SPSM-TPCF結構如圖1所示。光纖由四環(huán)空氣孔按正六角點陣排列組成,中間去掉一個空氣孔形成纖芯,相鄰兩層空氣孔間距Λ= 300μm,包層空氣孔直徑d1=230μm,纖芯附近兩個大空氣孔直徑d2=296μm,大橢圓空氣孔的橢圓比ρ1=a1/b1=2.5(長軸a1=250μm),距中心的距離L=75μm,兩個小橢圓空氣孔的橢圓比ρ2= a2/b2=4(長軸a2=180μm),距中心的距離H=Λ′/2。光纖包層采用吸收損耗比較小的新型聚合物材料Topas COC(環(huán)烯烴共聚物),其折射率為1.53,空氣孔折射率為1.0。

圖1　SPSM-TPCF橫截面示意圖

圖2　電場分布圖

2　數(shù)值模擬及結果分析

2.1電場分布

圖2為入射THz波長為330μm(0.91 THz)時, x和y方向兩個正交偏振模的電場分布,圖中箭頭代表偏振方向。由圖可見,x和y方向兩個正交偏振模的電場分布皆沿y方向模場延伸,并呈橢圓形,這是因為光纖包層x方向上引入了兩個較大的空氣孔和3個較小的橢圓空氣孔,導致對比兩個正交偏振模,x偏振方向上的有效折射率更小;可見x偏振模更容易向包層擴展,即與x偏振模相比,THz波在光纖中傳輸時,y偏振模限制損耗較小,從而達到SPSM傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.2有效折射率、雙折射及拍長

圖3為光纖的有效折射率neff、模式雙折射B和拍長隨入射THz波長的變化關系。由圖3(a)可以看出,對應相同入射波長,該SPSM-TPCF y偏振模比x偏振模的neff大,兩個正交偏振模之間產(chǎn)生了較大的neff差,從而具有較大的雙折射。x和y偏振模的neff隨入射波長的增大而減小,入射波長為200～ 360μm時,x方向偏振模nxeff快速降低,由1.41減小為1.28。同時,y方向偏振模nyeff由1.43減小為1.31。雙折射隨入射波長的增大先增大后減小,當入射波長為325μm(0.92 THz)時,B最大為0.037,比傳統(tǒng)偏振保持光纖高兩個數(shù)量級,并高于文獻[9]報道的0.0156 5和文獻[7]報道的0.016 4。由圖3 (b)可見,隨著入射波長的增大,拍長先減小后增大,與B的變化趨勢剛好相反,波長為325μm (0.92 THz)時,獲得最小拍長為8.3 mm,即雙折射達到最大0.037。拍長越短,越有利于降低光纖模式耦合的敏感度,保證傳輸光的偏振特性。

圖3　有效折射率、雙折射和拍長隨波長的變化

2.3限制損耗及其差值

圖4為限制損耗和兩正交模損耗差隨入射波長的變化關系,二者均采取半對數(shù)坐標軸。由圖可見, x、y方向偏振模的限制損耗隨著入射波長的增大迅速增大,入射波長為280～360μm時,y方向偏振模的限制損耗由5.243×10-5dB/m增大到0.11 dB/m,x方向偏振模的限制損耗由0.017 dB/m增大到203.7 dB/m。在相同波長下,x方向偏振限制損耗明顯比y方向大很多,二者的差值隨入射波長的增大而呈指數(shù)式增長,限制損耗差值由280μm對應的0.017 dB/m增大到360μm對應的203.6 dB/m。入射波長為330μm(0.91 THz) 時,x和y偏振的限制損耗分別為48.01和 0.008 13 dB/m。入射波長為340μm(0.88 THz) 時,x和y偏振的限制損耗分別為116.9和0.02 dB/m。相比y偏振模,x偏振模能夠在很短距離內被衰減掉,從而實現(xiàn)SPSM傳輸。根據(jù)SPSM帶寬定義,即一個偏振模衰減至少為30 dB/m,而與其垂直的偏振模衰減小于0.1 dB/m[10],該SPSMTPCF能夠在326.5～359μm共32.5μm帶寬范圍內實現(xiàn)SPSM傳輸,且y偏振限制損耗始終低于0.1 dB/m。

2.4色散、有效模場面積及數(shù)值孔徑

圖5為TPCF的波導色散、有效模場面積和數(shù)值孔徑NA隨波長的變化關系。由圖5(a)可見,波導色散隨入射波長的增大而減小,且在整個波長范圍內非常平坦;280μm波長處的波導色散值為-0.679 ps/(km·nm),360μm波長處波導色散為-2.595 ps/(km·nm),具有較低且平坦色散的特性,其色散平坦度為1.916 ps/(km·nm),該特性在通信系統(tǒng)中應用非常廣泛。

圖4　限制損耗及其差值隨波長的變化關系

光纖的有效模場面積與光纖的非線性系數(shù)、彎曲損耗等密切相關,是表征光纖性能的重要參數(shù)。由圖5(b)可見,有效模場面積隨入射波長的增大而增大,當波長從200μm增大到360μm時,有效模場面積從3.914×104μm2增大到9.403×104μm2。由圖5(c)可見,光纖的NA隨入射波長的增大先增大后減小,在320μm波長處達到最大為0.56。

3　結束語

本文提出的非對稱三角晶格TPCF具有高雙折射、低平坦色散和SPSM傳輸特性。入射THz波長在326.5～359μm范圍內時,y偏振模損耗始終<0.1 dB/m。入射波長為330μm(0.91 THz) 時,該光纖雙折射達到最大,為0.036 5,拍長為9.04 mm;x偏振模限制損耗高達48.01 d B/m,y偏振模限制損耗僅為0.008 13 d B/m。入射T Hz波長為340μm(0.88 THz)時,x和y偏振模限制損耗分別為116.9和0.02 dB/m,與y偏振模的限制損耗相比,x偏振模僅能在光纖中傳輸很短距離,即被衰減掉,進而只有y方向的偏振模能夠遠程傳輸,y偏振模的NA為0.56,有效模場面積為7 557μm2,同時具備低色散平坦特性,對今后SPSM-TPCF的設計具有很大的借鑒意義。

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Design of High Birefringence Single-Polarization Single-Mode Terahertz Photonic Crystal Fibers

JIANG Wen-li,ZHENG Yi (Institute of Laser,School of Science,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Abstract:An asymmetric triangular lattice-based Single Polarization Single Mode Terahertz Photonic Crystal Fiber(SPSMTPCF)is designed by using the full-vector Finite Element Method(FEM),which is characteristic of high birefringence,wide bandwidth and low-flat dispersion.The analytical results show that its birefringence is as high as 0.036 5 at the wavelength of 330μm,the beat length is 9.04 mm and the confinement losses of the x-and y-polarization modes are 48.01 dB/m and 0.008 13 dB/m respectively.In addition,the effective mode field area of the y-polarization is 7 557μm2,the numerical aperture is 0.56,the SPSM transmission is realized in the wavelength range of 326.5～359μm,in which the confinement loss of the y-polarization mode is always below 0.1 dB/m and this fiber is dispersion-flattened,with the dispersion value as low as (-2.14±0.45)ps/(nm·km).

Key words:TPCF;birefringence;SPSM;dispersion;FEM

中圖分類號:TN818

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0022-03

收稿日期:2015-08-25

基金項目:國家“九七三”計劃資助項目(2010CB327604);北京市自然科學基金資助項目(4092032)

作者簡介:蔣文麗(1990-),女,山東煙臺人。碩士研究生,主要研究方向為太赫茲源與功能器件。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.007