陈翔 张心贲 祝贤 程兰 彭景刚 戴能利 李海清 李进延

(华中科技大学,国家光电实验室,武汉 430074)

(2012年7月10日收到;2012年8月22日收到修改稿)

1 引言

在现代高速光纤通信系统中,色散已经取代损耗成为光纤通信系统的主要制约因素.由于色散补偿光纤[1]是一种无源器件,可放在光纤线路中任何位置,安装方便,能与标准单模光纤兼容,能得到较小的插入损耗,因此受到普遍的重视,成为当今的研究热点.但普通色散补偿光纤其补偿能力有限,很难实现宽带补偿,并且成本较高,无法兼顾偏振模色散补偿.光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)[2]的出现提供了一种全新的色散补偿方法.PCF由沿着光纤长度方向的一个中心缺陷及多个围绕着缺陷的空气孔构成,近年来,PCF因为其具有在传统光纤中无法达到的独特性能而引起了广泛的关注,其灵活可调的色散特性就是其中一个非常重要的特性,通过改变孔间距Λ和空气占空比d/Λ能够在特定的波段实现正常色散、反常色散[3,4]以及偏振模色散[5].其实际应用如PCF用于超连续谱产生[6,7]、色散平坦PCF[8]、色散补偿PCF[9,10]等.PCF用作色散补偿具有极大的应用潜力.2004年,Gerome等[11]设计了一种同轴双芯色散补偿PCF,该PCF在1550 nm处有很高的负色散系数;2006年,Fujisuma等[12]对同轴双芯PCF在C波段的色散系数与其结构参数的关系进行了分析,并对其结构参数进行了优化.但是这些研究都是在理论模拟的基础上进行的分析,结合实际制备光纤的研究很少报道.本文从理论分析和实际制备两方面对光子晶体光纤结构参数对其色散性能的影响进行了研究,对实际设计和制备色散补偿光子晶体光纤具有非常重要的指导意义.

2 光纤设计

本文设计了一种色散补偿PCF,理论设计光纤横截面如图1(a)所示,灰色和白色区域分别表示二氧化硅和空气,纤芯直径约1.2µm,空气占空比d/Λ和孔间距Λ分别为0.6和1µm,模拟结果表明该光纤在1550 nm处具有很高的负色散系数(-329 ps·nm-1·km-1),相对色散斜率 (relative dispersion slope,RDS)为0.0019,其色散曲线如图1(b)所示,具有很好的宽带色散补偿能力.

图1 (a)PCF横截面;(b)PCF色散曲线

光子晶体光纤由一种材料制备而成,因此材料色散可以不予考虑,只考虑波导色散,所以其色散能由其结构参数决定.为了验证空气占空比d/Λ及孔间距Λ对PCF色散的影响,我们用频域有限差分( finite-difference frequency-domain,FDFD)法对其色散系数进行了模拟[13].

首先,在Λ为1µm保持不变的情况下,模拟了d/Λ从0.6变化到0.9对色散系数的影响,模拟结果如图2所示.

图2 d/Λ改变模拟结果

在1550处,Λ为1µm,d/Λ不同的PCF色散值具体如表1.

表1 Λ=1µm,占空比改变时PCF的色散系数

从图2和表1中可以看出,在Λ不变的情况下,d/Λ改变对色散数值影响很大.当d/Λ从 0.6增加到 0.7时,其在 1550 nm处色 散 值 从-329.52 ps·nm-1·km-1增 加 到-238.32 ps·nm-1·km-1,增长率为 11.6%,当d/Λ从 0.8 增加到0.9时,其在1550 nm处的色散值从-251.77 ps·nm-1·km-1增加到-238.32 ps·nm-1·km-1,增长率为5.3%.这表明,在1550 mm处色散随着d/Λ的增加而增加,同时,d/Λ对色散的影响能力随着d/Λ的增加而减小,因此可以通过调节占空比来调节色散.

在d/Λ不变的情况下,Λ从 1.0µm变化到1.5µm时的色散模拟结果如图3所示.

图3(a)为d/Λ为0.6不变时,Λ由1.0µm变化到1.5µm的色散变化曲线;图3(b)为占空比0.8不变时,孔间距由1.0µm变化到1.5µm的色散变化曲线.在1550 nm处,色散值随Λ的变化如表2.

表2 占空比不变情况下,孔间距改变时PCF的色散系数

从表 2中可知,在d/Λ为 0.6时,Λ从 1.0增 加 到 1.1, 色 散 系 数 由-329.52 ps·nm-1·km-1增长为-204.31 ps·nm-1·km-1,当Λ增长 10%时色散增长率约为 38%;在d/Λ为 0.8时,Λ同样变化,色散系数由-251.77 ps·nm-1·km-1增加到-91.73 ps·nm-1·km-1,增长率为 63.5%.可见,当Λ在1µm附近时,色散系数对Λ变化极其敏感,然而,当Λ逐渐增大时,色散的变化量逐渐减小,表2中可以看出,Λ从1.4µm增加到1.5µm时,色散值的增加远比Λ从1.0µm变化到1.1µm色散值的增加要小.但与此同时,色散的数值已经为正,表明该结构PCF的色散对结构参数的精确要求相当高,制造工艺困难.

图3 d/Λ不变时,Λ改变对色散系数的影响 (a)d/Λ=0.6;(b)d/Λ=0.8

3 光纤的制备与性能

PCF由毛细管堆叠拉制而成,主要包括以下步骤：1)选用合适占空比的套管,经处理后拉制合适直径的毛细管;2)挑选直径一致的毛细管及石英棒集束排列成预制棒;3)对预制棒进行套管,然后拉制光纤.

本文制备了三种光子晶体光纤,分别编号为PCF1,PCF2,PCF3,其电镜扫描图分别如图4所示.经测量,PCF1,PCF2,PCF3的结构参数分别为：Λ=1.0 µm,d/Λ=0.6;Λ=1.3 µm,d/Λ=0.7;Λ=1.2µm,d/Λ=0.8;光纤直径均为125µm.并根据电镜扫描图所测量的结构参数分别模拟了这3种光纤的色散曲线,结果如图5和图6所示.

图4 三种PCF的电镜扫描图

图5 PCF1和PCF2的模拟及测试结果

图5为PCF1和PCF2的对比模拟结果,实线、划线、点线分别表示结构参数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波段范围内的色散系数.从图5中可以看出,当Λ保持1.0µm不变时,d/Λ从 0.6增加到 0.7时,PCF在1550 nm 处的色 散 系数从-329.5 ps·nm-1·km-1增大为-291.4 ps·nm-1·km-1;而d/Λ保持 0.7 不变,Λ从1.0µm增加到 1.3µm时,PCF在 1550 nm 处的色散系数由-291.4 ps·nm-1·km-1急剧增大为 31.8 ps·nm-1·km-1. 图 6 为 PCF1 和 PCF3的对比模拟结果,实线、划线、点线分别表示结构参数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波段范围内的色散系数.同样从图6中可以看出,当Λ保持1.0µm不变,d/Λ从0.6增加到0.8时,PCF在1550 nm处的色散系数从-329.5 ps·nm-1·km-1变为-251.8 ps·nm-1·km-1,而d/Λ保持 0.8不变时,Λ从 1.0µm增加到1.2µm时,PCF在1550 nm处的色散系数由-251.8 ps·nm-1·km-1急剧增大为 7.8 ps·nm-1·km-1.由此可以推断出,当仅改变d/Λ时,色散系数的变化并不明显,改变Λ时,变化很敏感.我们分别测量了三种PCF在1520—1580 nm波长段的色散系数,色散的测试结果也与计算的色散曲线比较符合.在1550 nm 处,PCF1 的色散系数为-241.5 ps·nm-1·km-1,PCF2 的色散系数为 139.2 ps·nm-1·km-1,PCF3 的色散系数为 10.5 ps·nm-1·km-1,PCF 的色散系数随着Λ的增加而增大.从之前的分析可以得出,d/Λ改变对PCF色散系数的影响并不是很大.三种PCF之间微小的孔间距Λ差异,导致三种PCF的色散系数差别如此之大,从而验证了Λ对色散系数的影响比d/Λ的影响要大得多,实际制造这种光纤非常困难.

图6 PCF1和PCF3的模拟及测试结果

三种PCF中,PCF1比较接近理想设计的结构：Λ=1.0µm,d/Λ=0.6.但是由于拉制过程中对空气孔内气压的控制程度不够,导致内层空气孔的占空比略小于外层空气孔.从实际测试结果来看,这对PCF的色散系数影响并不明显,PCF1在1550 nm处的色散系数为-241.5 ps·nm-1·km-1,具有比较好的色散补偿能力.但是对于高速传输的密集波分复用系统而言,不仅要对色散值进行补偿,同时也要对光纤的色散斜率进行补偿,也就是说,需要对光纤在某波段内的色散同时进行补偿.用色散补偿光纤实现这种全色散补偿时,在被补偿的波段内,需要满足以下条件：

式中LCF为被补偿的光纤的长度;DCF为被补偿的光纤的色散值;LDCF为色散补偿的光纤的长度;DDCF为色散补偿的光纤的色散值.

因此,相对色散斜率RDS定义为

SCF为被补偿光纤的色散斜率;SDCF为色散补偿的光纤的色散斜率;即色散补偿光纤与被补偿光纤的相对色散斜率接近或是相等[14].

常用通信光纤G652在C波段的RDS为0.0036,而PCF1的RDS为0.0018,表明此种光纤具有良好的宽带色散补偿能力.RDS的计算式为

其中D(1530),D(1550),D(1570)分别为光纤在1530,1550,1570 nm的色散值.

结果表明提出的这种PCF结构具有一定的宽带色散补偿能力,并且能够通过调节其结构参数在期望的波长范围内达到特定的色散要求.值得一提的是,其色散对孔间距Λ的变化比占空比d/Λ更为敏感.但是这种PCF制备工艺困难,占空比d/Λ在实际堆叠拉制法中是确定了的,为了精确控制PCF的色散,我们应该更多关注孔间距Λ,色散系数对孔间距Λ非常敏感,然而,在实际制备过程之中,孔间距Λ的大小受到拉制过程中温度和速度的影响是不可控的,但是我们可以通过轻微的改变光纤的直径,精确控制孔间距Λ的大小,从而精确控制PCF的色散系数.

4 结论

通过理论计算和实际测试结果的对比分析,研究了色散补偿PCF的结构参数对其色散的影响,发现色散系数对于孔间距Λ的变化比占空比d/Λ更为敏感,并且随着孔间距Λ的增加,其对色散系数的影响逐渐减小.为了精确控制光子晶体光纤的色散,我们可以在设计色散补偿PCF时增大其孔间距Λ或者在实际拉制过程中调节PCF的直径以达到精确控制孔间距Λ的目的.实际制备出的色散补偿光子晶体光纤,其结构参数为Λ=1.0µm,d/Λ=0.6,其在1550 nm处的色散系数为-241.5 ps·nm-1·km-1,该 PCF 的 RDS 为 0.0018,表明此种光纤具有良好的宽带色散补偿能力,对实际设计和制备色散补偿光子晶体光纤具有一定的指导意义.

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