03.30 光子晶體空心光纖 趙金川學習翻譯

光子晶體空心光纖 趙金川學習翻譯

作者行道趙羌族雄國境江盧華吉瑞鄭舒陶王

https//doi.org/10.1016/j.yofte

亮點

1.提出了一種新型的空心光子晶體光纖，該光纖可以將光子晶體光纖中的光限制和引導在核心的亞波長直徑氣孔中

2.利用衰減場耦合和光波導傳輸的電磁理論，研究了低折射率孔的傳輸機理。

3.獲得了空芯光纖中匹配模面積、高雙折射、單偏振和單模的優良特性。

4.型的混合光子晶體光纖具有固體芯光纖的特點，適用於空心芯光纖的應用。

1.空芯 PCFS 和場強

介紹了多孔結構（如單孔、7孔、19孔、37孔）芯 PCFS 的結構。圖 1.白色圓點和灰色區域代表氣孔和背景材料純二氧化硅分別。這種結構包括波長尺度的包殼孔和亞波長尺度的核心孔。零度與

直徑分別表示包殼孔的螺距（晶格常數）和直徑。此外，零度C與直徑C分別表示芯孔的螺距和直徑。

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2. 下載全尺寸圖像

圖 1.原理圖孔芯 PCFS 的截面。 (a)單孔岩心;(b)7孔岩心;(c)19孔岩心;(d)37孔岩心。

對空芯 PCFS 的導向性能進行了數值模擬。有限元法.用 Comsol 多物理3.4，完全匹配層 (PML)和散射邊界條件準備吸收輻射能並分別降低反射能量。對於與入射邊界正常的波，散射邊界條件是完全透明的。當有效時折射率芯層與包層的差別是足夠小的，單模光纖可以得到[23],[24].信中提出的所有 PCFS 都是單模.在波長1.55μ m模態場 功率分佈不同結構參數的空芯 PCFS圖 2.直徑在0.2～0.9μ m 範圍內的岩心孔數量不同。光強度受核硅和空氣孔的限制，低折射率孔的模場功率比高折射率硅的模場功率大。

圖 2.模態場空芯光子晶體光纖的分佈。 (a)單孔芯 PCF零度=3μ m,直徑/零度=0.5,直徑C=0.2μ m;(b)單孔芯 PCF零度=2μ m,直徑/零度=0.6,直徑C=0.3μ m;(c)單孔芯 PCF零度=1.2μ m,直徑/零度=0.96,直徑C=0.9μ m;(d)裝有7孔的芯 PCF零度=2μ m,直徑/零度=0.96,零度C=0.7μ m,直徑C=0.6μ m;(e)19孔芯 PCF零度=3μ m,直徑/零度=0.96,

零度C=0.69μ m,直徑C=0.58μ m;(f)37孔芯 PCF零度=4μ m,直徑/零度=0.99零度C=0.66μ m,直徑C=0.54μ m

高折射率對比電介質界面，麥克斯韋方程表明，為了滿足電的正常部分的連續性通量密度 直徑,相應的電場強 e必須經歷大的間斷，所以幅度在低折射率方面較高。這些允許建立非常強大的權力消逝的磁心孔內的磁場。另外，核心孔中心的光強比邊緣低，因此核心孔中心的光強比邊緣低。光制導在亞波長核孔中，可歸因於瞬變場耦合。由於核心孔的尺寸較小，使得核心孔內部的消光場衰減最小，並且在整個核心孔內部都能獲得增強的模式場功率。獲得了堆芯孔的亞波長光學輪廓，打破了現有的方法。衍射極限.

製備了直徑0.1μ m 的空氣孔。[13]這樣也可以得到直徑為0.2～0.9μ m 的氣孔。芯層和包層的氣孔是規則的六方排列，通過堆疊方法可以自然形成。公差分析纖維結構說明鐵芯的氣孔可以引導燈在寬帶為孔直徑在0.2～0.9μ m 的範圍內，纖維的製備並不困難。新型空心光子晶體光纖的光傳輸介質和應用領域與實心光子晶體光纖不同。與傳統相比中空纖維分散、損失、雙折射其他光學特性也是完全不同的。

3.空心特性

壓力C與壓力代表模態場PCF 芯孔內功率和總截面功率。鐵芯孔中的模場功率分數壓力C/壓力計算

(1)

這裡S表示模式字段坡印廷向量（潮流）。C表示核心的孔區。圖 3顯示壓力C/壓力作為波長在新型空心 PCFS 中具有不同的結構參數。有不同的價值壓力C/壓力在10%到50%之間的變化零度,直徑/零度,零度C以及

直徑C.壓力C/壓力可>50%在寬帶波長範圍內1-1.8μ m 在19孔核心 PCF 與零度=2.4μ m,直徑/零度=0.96,零度C=0.58μ m直徑C=0.45μ m

圖 3.壓力C/壓力作為波長. (a)不同的單孔芯型 PCFS直徑C什麼時候零度=1.2μ m直徑/零度=0.96;(b)不同類型的7孔芯 PCFS零度C與直徑C什麼時候零度=2μ m直徑/零度=0.96;(c)不同類型的19孔芯 PCFS零度C與直徑C什麼時候零度=2.4μ m直徑/零度=0.96

不同於空芯表面模式光子帶隙光纖雖然二氧化硅中存在模場功率分數，但它們不影響約束損失和約束損失。輸出燈強度調諧組織適當的核心孔，可以有相當大的空間限制消逝的場。新型空心光子晶體光纖可以增加在空心空間中傳播的能量。感測材料可以插入。

4.損失

HC-PBFS 或 Kagome PCFS 都是強 PCFS波長依賴導致本質上的狹窄傳輸帶寬.約束損失α是由有效的虛部決定的折射率像

(2)

在 DB/M.因N效率)代表虛部的有效指數 [25],[26].圖 4顯示α作為空芯光子晶體光纖中波長的函數。α寬帶波長範圍1-1.8μ m 足夠低，不受光子空芯帶隙效應、漏模和表面模光子帶隙光纖 [14],[15],[16],[17].在空芯 PCFS 中，空芯 PCFS 的充氣率組織鐵芯比顯微組織包層低，有效指數比包層面積高。因此，空芯 PCFS引導燈通過全內反射可稱為指數引導纖維，它類似於普通的實心 PCF，具有很低的限制損耗。

圖 4.不同結構參數的孔芯 PCFS 的約束損失。 (a)單孔芯 PCFS零度=1.2μ m直徑/零度=0.96;(b)7孔 (藍線)及19孔 (黑線)芯 PCFS。 (為了解釋圖例中對顏色的引用，讀者可以參考本文的 Web 版本。 )

基於光子帶隙效應的空芯光子帶隙光纖漏模比較本徵模空芯 PCFS 對損耗極低的波長不敏感。因此，通過適當的結構參數設計，空芯 PCFS 的傳輸帶寬不受鐵芯孔折射率的影響。所以他們可以應用在表面傳感，流體和散裝材料的傳感。

5.高雙折射特性

那岩心直徑典型的 HC-PCFS 是10-50μ m，因此耦合損耗當連接到標準纖維時是高的。此外它是很難獲得的結構雙折射由於特別的原因導向機構.那發明PCFS 為實現高雙折射光纖提供了一種新穎而有效的方法。然而，高雙折射 PCFS 的核心面積較小，通常直徑小於2μ m[27],[28].耦合損耗太高，無法連接到常規纖維或標準儀器。高雙折射的大模面積光纖對光纖陀螺等光纖器件有很大的吸引力。光纖激光器.在多孔芯 PCFS 中，核心孔可以限制和限制引導燈所以模態場分佈直接受到影響改變直徑或折射率對於一些芯孔，可以得到高雙折射的性能。

圖 5顯示單模大核，高雙折射，多孔核心 PCF 設計在信。在多孔的核心有5層氣孔六角形陣列。中間三柱的氣孔直徑比兩側小。它導致了有效折射率在 X-和 Y-偏振方向上的不均勻分佈，並給出了高雙折射特性。結構參數優化設計零度=4μ m,直徑/零度=0.99零度C=0.662μ m,直徑C1=0.64μ m直徑二度=0.526μ m,模場分佈波長1.55μ m圖 6.雙折射乙=5.8×10唯一的，比傳統的維持偏振的 PCF (NKT LMA-PM-5，乙~1.5×10唯一的)核心區直徑直徑=5μ m，接近常規單模光纖這樣，當連接到標準纖維或儀器時，耦合損耗就可以降低。

圖 5.高雙折射多孔芯 PCF。 (a)橫斷面;(b)核心的放大影像。

圖 6.基本模態場高雙折射 PCF 分佈。 (a)Y 極化;(b)X 極化。

單偏振單模光纖只傳輸偏振基模（其他模式不能在核心中被引導），可以有效地抑制偏振相關損耗，偏振模耦合極化串音效果保證了光學器件的穩定性光傳輸系統 [29],[30],[31].根據多孔芯 PCF 的橫截面圖 5優化結構參數，何時

零度=4μ m,直徑/零度=0.99零度C=0.662μ m,直徑C1=0.64μ m,直徑二度=0.532μ m，核心直徑直徑在1.55μ m 波長下，提出了單偏振單模傳輸特性。模場強度分佈如下圖所示圖 7.由於 X-和 Y-極化方向上空氣孔的直徑不同，在兩個正交方向上存在完全不同的模場分佈。由於 Y 偏振基模的高雙折射特性，使得基模的有效折射率高於包層的基模空間填充模式，並且可以在核心中進行引導。另一方面，X 偏振基模的有效折射率低於包層的基模填充折射率，因此不能侷限於基模內。得到了單偏振單模 PCF。

圖 7.基本模態場單極化分佈單模PCF (a)Y 極化;(b)X 極化。

6.分散性

固芯光子晶體光纖中存在著有趣的色散特性[32],[33],[34].然而，在傳統的 HC-PCF 中，只有一個零色散波長而且要獲得寬帶平面是很困難的色散曲線.在這種新型的空芯 PCFS 中，可以調整更多的結構參數。亞波長組織鐵芯可以改變色散值，顯著地改變零色散波長（ZDW）。根據色散特性隨光纖結構參數的變化通過參數的設計可以得到理想的色散值零度,直徑,零度C以及直徑C.

圖 8給出了不同數值的空芯 PCFS 的近零平坦色散特性。直徑C與直徑/零度.給出了離散值和 ZDWS 隨結構參數的變化規律。通過調整結構參數，可以靈活地改變 ZDWS 在寬波長範圍內的位置和間距。通過精確設計兩個 ZDW 的色散曲線，給出了系統的色散曲線。

直徑C與直徑/零度得到了近零的平坦色散特性。色散參數絕對值直徑寬波長範圍為1.1～1.6μ m，小於4ps/(nm km)。 參考[35]本文還給出了單孔芯 PCFS 中四個 ZDW 在較高充氣率包層中的近零的超平坦色散曲線。

圖 8.近零平坦的色散曲線單孔芯 PCFS 的零度

=2.0μ m直徑/零度=0.6代表不同直徑C.(b)直徑C=0.5μ m 不同直徑/零度.

圖 9給出了空芯 PCFS 的寬帶色散補償特性。通過對結構參數的精確設計可以靈活地調整寬帶波長範圍內的色散和色散斜率值零度,直徑,零度C以及直徑C.得到了波長1～2μ m 範圍內的 Mn700 PS/(Nm · km)的色散值。

圖 9.色散曲線. (a)單孔芯 PCFS零度=1.0μ m直徑/零度=0.96;(b)有7孔的芯 PCFS零度=1.6μ m直徑/零度=0.96

新型混合 HC-PCFS 具有寬帶低損耗高的特點雙折射固體的二零色散特性芯纖維可應用於氣體傳感、激光、非線性光學、量子光學、原子操作等領域。空心纖維.

7.結論

我們提出了一種新型的空心芯型 PCF，其中包層和芯層都是微觀結構。它具有實心和空心 PCFS 的優點。作為實心 PCFS，光制導基於全內反射帶著寬帶，單模和低損耗的特性。作為空心光子晶體光纖，它可以在低折射率和亞波長的空穴中限制和增強光。那模態場由於電場的不連續，在空心體中受到約束和增強e在高索引對比度接口。新傳播機理用消光場耦合法進行了研究。給出了新型光子晶體光纖在空心、寬帶、低損耗、極化和可調色散等特性下的獨特模式分佈。空洞中的衰減波功率分數

壓力C/壓力可以是>50%，和限制損失α寬帶已經夠低了波長範圍1-1.8μ m，不受光子 帶隙空心光子帶隙光纖中出現的效應和表面模。高特性雙折射得到了 HC-PCF 中的匹配模面積、單偏振和單模。研究了 HC-PCF 的雙零色散、寬帶平坦色散和色散補償特性。提出了一種新的衰減波傳感方法。高地場強在空心，加上長的交互長度，為應用程序提供了一種新的方法。光調製輕物質非線性相互作用光纖、量子光學、原子操作等。