一种双零色散光子晶体光纤的高非线性研究

　　0　引言

　　光子晶体光纤(PCF)可在很大的波长范围内实现单模传输[1],具有敏感的结构可调色散特性[2],且在一定的波长范围内具有很高的非线性特性[3]等。本文运用多极法对不同结构的光子晶体光纤进行了数值模拟,发现通过合理地调节结构参数,可以在较宽的波长范围内实现色散平坦的PCF,进而设计了一种具有双零点色散波长的光子晶体光纤。运用分步傅里叶法对其特性进行了模拟测试。

　　1　PCF的结构设计

　　在保持空气孔节距Λ不变的情况下,随着包层空气孔半径的增大,光子晶体光纤的基模的色散系数D将不断增大,而且其零色散波长移向短波区,此时基模的有效模式面积随着包层空气孔半径的增大而减小,相应的非线性系数随着空气孔半径的增大而增大;保持空气孔直径不变的情况下,随着包层孔节距的增大,光纤的色散系数逐渐增大,非线性系数变小。在Λ不变的情况下空气孔尺度的微小变化都可以引起色散系数的明显变化。

　　依据上面的分析可知,可以通过调节光纤结构参数孔径和孔间距来设计出在不同波段具有低平坦甚至超低平坦色散的光子晶体光纤,但是为了增强其非线性效应,应尽量增大孔径d而减小孔间距Λ,也就是尽量增大空气填充率和减小芯径,使其色散平坦区域移至近红外甚至可见光波段。可以设计900 nm附近具有平坦色散和高非线性的光子晶体光纤。其端面图如图1所示。图中,包层空气孔直径d=0.584μm,孔间距Λ=1.2μm,d/Λ=0.487,芯径D=2Λ-d=1.816μm。

　　2　色散特性的数值模拟

　　多极法适合于计算圆柱型空气孔构成的光子晶体光纤,可以同时产生模式传播常数及其有效折射率的实部和虚部,利用其虚部可以计算有限包层空气孔情况下的限制损耗,而利用实部可以计算色散;利用这种方法可以根据设定的输入波长求得其传播常数,因此可以用Sellmeier公式在数值模拟过程中系统地考虑材料色散。光子晶体光纤波导基模的有效半径近似计算公式为[4)。

　　其中,rco为纤芯半径,λ是真空中的波长,nc为纤芯折射率,neff为包层有效折射率,θ是描述纤芯模的入射角。

　　利用多极法对设计出的光纤进行了数值模拟,运用以上三式同时绘制出了色散系数,有效模式面积,非线性系数随波长的变化曲线图,如图2。由图2(a)可以看出,光纤在950 nm附近的近红外波段色散较平坦,在0.885~1.005μm之间的色散值仅为-2~2 ps/(km·nm),有两个零色散点λ01=0.898μm和λ02=0.986μm。由图2(b),光纤的纤芯面积很小,在0.65~1.5μm整个波段上最大值约为3.15μm2,而在0.8~1μm之间则不超过2.0μm2,从而有利于增大光场的能量密度,即使在输入能量不是很大时也可以达到很明显的非线性效应。由图2(c)则可以看出,其非线性系数在0.8~1μm的近红外波段达到了105~150 (W·km)-1,若能在工艺上实现,则可以使规则结构的纯硅光纤的非线性系数值达到一个新水平,从而进一步拓展其应用范围。