基于高折射率液體填充的花瓣形微結(jié)構(gòu)光纖可調(diào)濾模特性*

戴震飛 姜文帆 王玲2) 陳明陽2)? 高永鋒 任乃飛

1) (江蘇大學(xué)光電子與通信技術(shù)研究院,鎮(zhèn)江 212013)

2) (江蘇天興光電科技有限公司,鎮(zhèn)江 212132)

提出一種新型的可調(diào)濾模光纖結(jié)構(gòu),利用纖芯模式與微結(jié)構(gòu)包層形成的超模群之間的耦合實(shí)現(xiàn)選擇性濾模,采用花瓣形包層結(jié)構(gòu)使包層中傳輸?shù)哪Ｊ礁菀桩a(chǎn)生高的泄漏損耗; 提出以液體填充包層介質(zhì)柱,使包層形成的超模群有效折射率區(qū)間可以通過環(huán)境溫度來調(diào)節(jié),從而達(dá)到可調(diào)選擇性濾模目的.利用液體柱的LP11模所形成的超模群,有效增大了其工作帶寬和溫度調(diào)諧范圍.數(shù)值模擬結(jié)果表明,采用長度僅為71.4 mm的濾模光纖,可以使特定的抑制模式損耗達(dá)到20 dB以上,而其他模式損耗均在1 dB以下.提出的光纖可以在少模光纖傳輸系統(tǒng)中作為濾模器使用,以降低模式轉(zhuǎn)換器、復(fù)用器/解復(fù)用器以及光開關(guān)和光路由等的模式串?dāng)_.

1 引言

單模光纖的信息容量通過時分復(fù)用、波分復(fù)用、偏振復(fù)用等技術(shù)獲得了極大的提高,已經(jīng)接近于極限.近年來,采用多芯光纖[1]、少模光纖[2],以不同的模式傳輸不同的信息的方法,即所謂的模分復(fù)用技術(shù)[3],可以成倍地提高光纖的傳輸容量[4].而波分復(fù)用中密集波分復(fù)用已成為長途光信號傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)[5].波長可調(diào)的濾波器,利用連續(xù)改變諧振腔腔長的方法實(shí)現(xiàn)波長的選擇和分配成為了重要配置[6].同樣,在模分復(fù)用系統(tǒng)中也應(yīng)該存在可調(diào)模式的濾模器作為重要配置.

濾模器主要工作方式有： 模式轉(zhuǎn)換濾除和直接濾除.模式轉(zhuǎn)換主要是利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換[7-9],但是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜并且模式間依然存在串?dāng)_.直接濾模的方法近幾年有著更多的關(guān)注和研究.利用低階模的彎曲損耗較小,而高階模的彎曲損耗較大的特點(diǎn),通過彎曲的方法,可以使光纖中的某個或某些高階模產(chǎn)生大的損耗,從而實(shí)現(xiàn)濾模.但如果想要濾除基模或低階模而保留高階模,則難以用這種方法實(shí)現(xiàn).基于以上原因利用多芯光纖[10,11]、雙光纖耦合[12-14]和帶隙光纖[15]來實(shí)現(xiàn)不同模式的濾除,成了濾模的重要結(jié)構(gòu).近年來,基于上述結(jié)構(gòu)又有了新的發(fā)展.基于單模光纖與少模光纖耦合,級聯(lián)組成的雙芯級聯(lián)光纖可以實(shí)現(xiàn)多模式分離[16],但需要傳輸?shù)母唠A模損耗過大.新型多芯光子燈籠可實(shí)現(xiàn)多種模式分離與復(fù)用[17-19],但模場形變嚴(yán)重.基于以上問題,利用帶隙光纖(photonic bandgap fibers,PBF)進(jìn)行濾模成了新的結(jié)構(gòu)選擇,但普通帶隙一般較窄,導(dǎo)致其對高階模的束縛能力較弱,因而高階模的泄漏損耗也往往很大[15].2016年Chen 和Chiang[20]提出新型固體帶隙光纖濾膜結(jié)構(gòu),可以有效濾除基模保留高階模,但濾模損耗不夠大并且無法在線調(diào)控更改濾模對象.

近年來,基于液體填充的微結(jié)構(gòu)光纖(microstructures optical fiber,MOF)獲得了廣泛的關(guān)注[21],通過改變外界物理場,如溫度、電場、磁場[22]等方法,可以對填充液體的導(dǎo)光特性(如折射率等)進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的光纖光子器件,其應(yīng)用包括傳感、光開關(guān)、光路由等.2016年液芯高折射光纖光柵的提出[23],實(shí)現(xiàn)了利用液芯調(diào)控實(shí)現(xiàn)在線熱編程,但是液芯傳輸損耗過大.

本文提出一種基于PBF結(jié)構(gòu)的可調(diào)濾模器,改變包層結(jié)構(gòu),增大了濾模效率,并通過在微結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱中填充液體,利用溫度作為外界物理場,使液體折射率發(fā)生改變,從而實(shí)現(xiàn)對光纖中傳導(dǎo)模式的選擇.

2 光纖的結(jié)構(gòu)以及工作原理

圖1為提出的花瓣形帶隙結(jié)構(gòu)光纖.其中,纖芯折射率高于其周圍的背景材料折射率.周圍為微結(jié)構(gòu)包層,其中周期性地排列著三層介質(zhì)柱,柱中填充液體材料,其折射率高于纖芯折射率.液體柱之間模式的耦合形成超模群.微結(jié)構(gòu)包層外側(cè)為外包層,其折射率高于液體介質(zhì)柱中模式的有效折射率,從而破壞超模群的傳輸,形成強(qiáng)泄漏模式.若纖芯中特定模式的有效折射率與超模群相近,則其將與超模群發(fā)生耦合,進(jìn)而形成強(qiáng)的泄漏損耗,從而實(shí)現(xiàn)濾模的目的[24-26].通過調(diào)節(jié)液體的折射率,可改變超模群的有效折射率區(qū)間,從而達(dá)到選擇性濾模的目的[27].

圖1 花瓣形MOF結(jié)構(gòu)Fig.1.Petal-shape structure of MOF.

圖1中結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇如下： 纖芯折射率ncore=1.464,纖芯直徑 dcore=14μm,纖芯周圍的背景材料折射率 nclad=1.45,處于1450—1650 nm波長時,其可以支持LP01,LP11,LP21,LP02四種模式的傳輸.液體柱的周期 Λ=7.75μm,直徑dliquid=4.65μm,其折射率初始值設(shè)為nliquid=1.4927,δ=7.75 μm.為增強(qiáng)液體模式的泄漏損耗,外包層應(yīng)盡量與液體柱接近.為此,這里將包圍最外層液體柱的背景材料層的寬度設(shè)置為 ( δ-dliquid)/2,即有 dpetal=δ,形成類似于花瓣形結(jié)構(gòu).設(shè)入射波長λ=1550 nm.外包層折射率設(shè)為 nouter=1.49,以保證其折射率高于液體柱中模式的有效折射率.

這里主要通過耦合來實(shí)現(xiàn)模式的濾除,下面簡單闡述下耦合的原理.

兩根平行光纖中平行傳播a模式和b模式[28].定義振幅的|A (z)|2,|B (z)|2和a,b兩種模式能量值相同.根據(jù)能量守恒定律：

邊界條件：

證明[29]耦合系數(shù)Kab和Kba關(guān)系：

根據(jù)本征模式公式和(1)—(3)式可得：

K2=|Kab|2在相位匹配條件?=0 時,模式a,b完整能量交換發(fā)生在 π /(2K) 周期.

(4)式、(5)式簡化為

相位不匹配時,模式功率交換忽略不計(jì),相位匹配時,進(jìn)一步考慮模式之間功率交換比率.實(shí)際應(yīng)用中,模式折射率接近或相等,產(chǎn)生模式匹配,耦合發(fā)生.

這里采用有限元法分析光纖的模式傳輸特性.圖2 給出了纖芯模式的有效折射率和微結(jié)構(gòu)包層的超模群區(qū)間.超模群區(qū)間為超模群中最低階模式的有效折射率的和最高階模式的有效折射率形成的區(qū)間.由于單個液體柱本身可支持LP01,LP11模的傳輸,其超模群也因此分為兩個區(qū)間,折射率較高的區(qū)間是液體柱中為LP01模時,耦合形成的超模群區(qū)間.而折射率較低的區(qū)間是柱中為LP11模時,耦合形成的超模群區(qū)間.在所示波長區(qū)間,LP11模所形成的超模群區(qū)間內(nèi),模式數(shù)量超過50個模式.因而,若纖芯中某個模式的有效折射率落入此區(qū)間,則其將與某個或多個超模發(fā)生耦合,從而發(fā)生模式泄漏.由圖2可知,根據(jù)前述結(jié)構(gòu)參數(shù),在1535—1605 nm波長處,纖芯的LP01模處于LP11超模群區(qū)間時,將與包層超模發(fā)生耦合.

圖2 ncore=1.464 時,圖1中MOF的纖芯4種模式和2個包層超模群區(qū)間的色散特性Fig.2.Dispersion characteristics of the two cladding supermode band and the four core modes for the MOF shown in Fig.1,when ncore=1.464.

圖3為入射波長 λ=1550 nm 時,纖芯中LP01,LP11,LP21和LP02模的模場分布圖.由圖3可見,此時,纖芯LP01模與LP11超模群發(fā)生耦合.利用LP11模的模場在包層擴(kuò)展更顯著的特點(diǎn),超模群與纖芯LP01模的耦合更加強(qiáng)烈,從而增大其泄漏損耗.由于有效折射率與超模群折射率不匹配,其他纖芯模式仍保持在纖芯中傳輸,其模場分布形式與常規(guī)PBF相似.計(jì)算得到四個模式的泄漏損耗分別為488.9,0.015,0.00743 dB/m和0.0168 dB/m,可見,此結(jié)構(gòu)可有效濾除LP01模.

這里通過改變液體折射率的方法,來實(shí)現(xiàn)濾除纖芯其他模式.設(shè)液體為甲苯,光纖基質(zhì)材料為二氧化硅.利用室溫(20 ℃)情況下的塞耳邁耶爾方程[30,31],得到甲苯折射率(nt)和二氧化硅折射率(ns)：

在寬波段1450—1650 nm時,可以得出甲苯折射率變化在0.003以內(nèi),二氧化硅折射率變化在0.0002以內(nèi).相比于二氧化硅,甲苯的折射率隨波長變化更為顯著.為了得到外界溫度場變化條件下的光纖模式傳輸特性,我們需要了解兩種材料的折射率與溫度的變化關(guān)系,由文獻(xiàn)[32]可得：

甲苯折射率與溫度關(guān)系

甲苯熱光系數(shù)

二氧化硅折射率與溫度關(guān)系

二氧化硅熱光系數(shù)

由(9)—(12)式可知,溫度對二氧化硅折射率的熱光系數(shù)要比甲苯的低兩個數(shù)量級.利用上述方程,得到兩種材料的折射率隨溫度變化.在20—65 ℃范圍內(nèi),溶液折射率可以實(shí)現(xiàn)從1.505線性減小到1.4805.因而,改變溫度即可以在纖芯模式有效折射率基本不變的情況下,使包層超模群區(qū)間移動,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對不同模式的濾除.

由圖4可見,液體柱折射率改變后,其超模群區(qū)間也發(fā)生改變,選擇不同的液體折射率,即可使不同的纖芯模式落入超模群區(qū)間.圖4所對應(yīng)的折射率區(qū)間為甲苯在20—65 ℃范圍內(nèi)的折射率變化范圍,因此調(diào)整溫度即可實(shí)現(xiàn)對不同模式的濾除.

圖3 波長 λ=1550 nm 時,纖芯模式的模場分布圖 (a) LP01模; (b) LP11模; (c) LP11模; (d) LP02模Fig.3.Field distributions of the core-mode at the wavelength λ=1550 nm ： (a) The LP01 mode; (b) the LP11 mode; (c) the LP21 mode; (d) the LP02 mode.

圖4 波長1550 nm時,超模群區(qū)間隨液體介質(zhì)柱折射率(溫度)變化曲線Fig.4.Variation of super-mode band with liquid-rod index change at the wavelength 1550 nm.

考慮到液體吸收的影響,通過通光率公式[33]

可以計(jì)算出液體介質(zhì)柱的吸收損耗.圖5分別給出入射波長 λ=1550nm 時,考慮和不考慮液體吸收損耗時纖芯LP01模式和LP11的損耗曲線.可見液體吸收損耗對高損耗的模式影響較小,而對低損耗的模式影響較大.為此,在后面的模式損耗分析中,均包含液體吸收損耗.

圖5 考慮和不考慮液體吸收損耗兩種情況下的纖芯LP01模和LP11模損耗曲線Fig.5.Variation of the core-mode LP01 mode and LP11 mode loss with and without liquid absorption loss.

3 性能分析

3.1 可調(diào)諧濾模的性能分析

以上已經(jīng)闡述了濾模光纖的結(jié)構(gòu)和選擇性濾模的原理,下面我們分析其傳輸性能.根據(jù)圖4結(jié)果,可以得到纖芯四種模式單獨(dú)處于超模群區(qū)間時,液體柱折射率范圍.其對應(yīng)的損耗曲線如圖6所示.當(dāng)LP01,LP11模分別處于超模群區(qū)間時,其損耗可達(dá)300 dB/m以上,而其他模式損耗低于1 dB/m,因而可實(shí)現(xiàn)有效濾模.而LP21和LP02模雖然在分別處于超模群區(qū)間時,損耗更大,可達(dá)380 dB/m以上,但是由于兩種模式的有效折射率比較接近,因而在濾除一個模式的同時,也會使另一模式發(fā)生一定的損耗.例如,當(dāng)液體折射率為1.4860—1.4864時,LP02模損耗小于14 dB/m,而當(dāng)液體折射率為1.4810—1.4816時,LP21模損耗小于9 dB/m.根據(jù)圖4和圖6,我們可以得出四種模式抑制區(qū)間的溫度改變量都在4 K左右,濾模器的工作溫度范圍比較大,因而有較大的容差,利于實(shí)際操作.

圖6 纖芯四種模式單獨(dú)處于超模群區(qū)間時損耗曲線 (a) LP01模; (b) LP11模; (c) LP21模; (d) LP02模Fig.6.The loss of single core-mode on the super-mode band： (a) The LP01 mode; (b) the LP11 mode; (c) the LP21 mode; (d) the LP02 mode.

為了得到工作帶寬,我們分別選取液體折射率為1.4927,1.4892,1.486和1.4812從而分別濾除LP01模、LP11模、LP21模和 LP02模.這里液體折射率的選擇兼顧了抑制模式的損耗須足夠大、其他模式損耗又比較低的要求.四種纖芯模式的損耗曲線如圖7所示.為了實(shí)現(xiàn)有效濾模,要求抑制模式的損耗應(yīng)不小于20 dB,而其他模式的損耗均小于1 dB.可以得出,在工作波長為1540—1555 nm時,抑制模式的損耗都可以達(dá)到280 dB/m以上,同時其他模式的損耗都低于14 dB/m.因此,濾模光纖的長度可以做到僅為71.4 mm,便于制備和集成.

級聯(lián)所提出的結(jié)構(gòu),就可實(shí)現(xiàn)3種模式濾除,保留單一需要傳輸?shù)哪Ｊ?

3.2 兩種包層結(jié)構(gòu)和性能對比

本文提出花瓣形包層結(jié)構(gòu),以增大纖芯模式損耗,減小光纖長度.為此,我們對比了介質(zhì)柱折射率nrod=1.4937時,Chen和Chiang[20]提出的圓形外包層結(jié)構(gòu)光纖與本文提出的花瓣結(jié)構(gòu)光纖的損耗情況.為了便于對比,除外包層形狀外,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同.圖8(a)為圓形外包層結(jié)構(gòu)的LP01模場分布,圖8(b)為花瓣結(jié)構(gòu)光纖的LP01模場分布.

四種模式損耗的對比如圖9所示.從圖9(a)中可以看出,花瓣結(jié)構(gòu)的損耗明顯更大.特別地,其LP01模的損耗在波長為1550 nm時比圓形結(jié)構(gòu)大100倍,達(dá)到了488 dB/m.在1550 nm波長處,LP01模的損耗最大,而LP21模的損耗最小,對于花瓣結(jié)構(gòu)和圓形結(jié)構(gòu)光纖,兩者的損耗比分別為 65066∶1,60003∶1.可見,采用花瓣結(jié)構(gòu)可以在保證抑制模式和其他模式保持足夠大的損耗差情況下,有效減小光纖的長度,有利于液體介質(zhì)的填充和溫度控制.

圖7 不同液體折射率時,四種纖芯模式的損耗曲線 (a) n liquid=1.4937 ; (b) n liquid=1.4892 ; (c) n liquid=1.486 ; (d) n liquid=1.4812Fig.7.The loss of four core-mode with various liquid index： (a) nliquid=1.4937 ; (b) nliquid=1.4892 ; (c) nliquid=1.486 ;(d) n liquid=1.4812.

圖8 不同結(jié)構(gòu)光纖的LP01模的模場分布 (a)圓形結(jié)構(gòu); (b)花瓣結(jié)構(gòu)Fig.8.Field distributions of LP01 mode with various circle structures： (a) Circle structure; ( b) petal-shape structure.

3.3 兩種包層超模群性能對比

本文以液體柱的LP11模所形成的超模群作為耦合區(qū)間.下面分析其與LP01模所形成超模群區(qū)間的不同之處.

如圖4所示,LP11模所形成的超模群區(qū)間更寬,同時其超模的斜率曲線更小.以纖芯LP01模傳輸為例,使其分別處于兩種超模群區(qū)間,對比損耗.LP01超模群區(qū)間設(shè)置nliquid=1.472,LP11超模群區(qū)間設(shè)置nliquid=1.492,Loss-band為當(dāng)取光纖長度為71.4 mm時,抑制模式損耗達(dá)到20 dB時所對應(yīng)的工作區(qū)間.如圖10所示,相比于介質(zhì)柱LP01模所形成的超模群區(qū)間,介質(zhì)柱LP11模所形成的超模群區(qū)間可以在更寬的溫度和波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對纖芯LP01模式的濾除.其主要原因是,LP11模的能量耦合進(jìn)包層中更多,因而更容易與相鄰介質(zhì)柱的模式發(fā)生耦合.

圖9 兩種MOF的模式損耗對比 (a) LP01模和LP11模損耗曲線; (b) LP21模和LP02模曲線Fig.9.Loss of two MOF： (a) Loss band of the LP01 mode and LP11 mode; (b) loss band of the LP21 mode and LP02 mode.

圖10 纖芯 LP01模式在雙超模群時的兩種超模群區(qū)間LP01模損耗 (a)波長為1550 nm,溫度改變量相同; (b)溫度相同,波長改變Fig.10.Dependence of the loss of the core LP01 mode locating in different two super-mode region： (a) With same temperature variation at wavelength 1550 nm; (b) with various wavelength at the same temperature.

4 總 結(jié)

我們提出一種新型的可調(diào)濾模MOF,利用纖芯模式與微結(jié)構(gòu)包層模式之間的耦合實(shí)現(xiàn)選擇性濾模,采用花瓣形包層,使包層中傳輸?shù)哪Ｊ礁桩a(chǎn)生高的泄漏損耗.以液體填充包層介質(zhì)柱,使包層形成的超模群有效折射率區(qū)間可以通過改變環(huán)境溫度來調(diào)節(jié).利用液體柱的LP11模所形成的超模群有效增大了其工作帶寬和溫度調(diào)節(jié)范圍.提出的光纖可以在少模光纖傳輸系統(tǒng)中作為濾模器,以解決模式轉(zhuǎn)換器、復(fù)用器/解復(fù)用器以及光開關(guān)和光路由等的模式串?dāng)_問題,并可實(shí)現(xiàn)在線可調(diào)濾除模式,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特定模式信號的下載與上傳.