基于大容量数据的PCF的研究

2017-12-15李晶,毕利

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：基模折射率光栅

李晶, 毕利

(1.广东轻工职业技术学院实验实训管理中心,广州 510300； 2.宁夏大学信息工程学院,银川 750000)

·计算机技术应用·

基于大容量数据的PCF的研究

李晶1, 毕利2

(1.广东轻工职业技术学院实验实训管理中心,广州 510300； 2.宁夏大学信息工程学院,银川 750000)

目前大数据发展需要对信息传输能力要求越来越高，而在光纤通信中可见光范围的光子禁带光子晶体依然没有很好的解决，基于取样光纤光栅(SFG)、传输矩阵理论研制了新型光子晶体，采用两种不同的介电常数材料进行交替排列的周期性结构，通过SFG传输理论得到设计结构反射系数、透射系数。模拟分析和测试实验都得出以下一致的结果：设计的光子晶体结构出现多个反射峰，光栅长度的增加导致反射率明显增大，反射峰数目随着光栅长度的增加而变多，反射峰的间隔不发生变化；当增加调制深度时，带宽明显增加；反射谱随着折射率调制量增加，使得反射峰数目增加，以及反射率的显著增加，带宽明显变宽。研究结果对于光子晶体的推广应用具有明显的理论和实际意义。

光子晶体；取样光纤光栅；传输矩阵理论；反射峰

0 引言

上世纪末，Painchaud提出的梳状滤波技术，使得取样光纤光栅(Sampled Fiber Grating，SFG)又一次成为了研究热点[1-3]。他们提过光栅长度量级的光纤光敏特点，降低SFG需要的最大折射率调制幅，在同样的光纤上写入了中心波长不相等的取样光栅(Sampled Grating，SG)[4]。这之后SFG技术有了飞速的提高，实现了共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio，CMMR)非常小的光纤光栅，典型的有美国芝加哥大学Hongpu团队进行的折射率调制相位周期取样的方法[5-7]，他们采用只对相位取样而不改变调制强度在光栅变化的技术，充分实现了应用完全光栅的光敏性优势，通过纯相位取样的方法，SG效率提高很多倍[8-11]；国内典型的有北京大学团队采用温度补偿的经典电子学方法，将光纤光栅的波长温度系数减小到0.05 pm/℃的水平，他们制作的SFG的共模抑制比达到了-40 dB以下，损耗极小[12-14]。在SFG技术快速发展的同时，光子晶体光纤(Photonic Srystal Fiber，PCF)在近10年间也逐渐成为了光子器件的基本单元，是周期非对称空气孔设计的新型材料。光子晶体经历了本世纪初迅速发展后近年来归于平静，主要是存在以下几个方面的困难[15-18]：可见光范围的光子禁带光子晶体依然没有很好的解决，典型的就是3D光子晶体；外加电磁场控制达到可调节PCF的目的，依然没有处理好，可以说怎样实现外加电流、电压实现成为光子晶体能否成为光子器件基础器件成败关键。

针对上述2个方面的现状和问题，本文将SFG和PCF进行有机组合，采用SFG实现近似的大尺寸缺陷的1D的2元PCF，通过有规律引入多个较大缺陷，实现类SFG的新型PCF。测试结果表明设计的PCF可以解决好电流、电压外加光子晶体的问题。研究结果对于光子晶体的推广应用具有明显的理论和实际意义。

1 新型光子晶体设计与模型分析

1.1 SFG传输分析

SFG与典型的对称FG基本相同，但不同的是，相移SFG是在均匀的FBG(布拉格光栅)的某点增加相移，这样就会在反射谱钟出现1个或者是多个的窗口，上述窗口的数目是由光栅相移点决定，这样在正常的光纤反射谱表现为梳状结构，在反射的窗口中会打开一个个的通道，本文采用的SFG结构如图1所示。

图1 采用的SFG结构

在图1结构中，p为结构的光栅长度，q为结构的光栅间隔长度，d为结构的取样周期，其满足d=p+q，采用k=L/d表述的是结构的取样点，采用p/d表述的是结构的占空比。采用sinc函数对SG的梳状谱进行调制，sinc函数能够表述为：

(1)

上述方程中，L为结构的整个光栅长度，AB为常数，当p/d表述满足一定条件就可以将其对应于平面光栅，于是在每一个取样点钟FBG的传输矩阵能够表述为：

(2)

于是整个取样点能够表述为

F=Φ×f

(3)

采用的SFG反射率可以表述为

(4)

采用的SFG透射率可以表述为

(5)

1.2 新型的SFG光子晶体

基于SFG以及传输矩阵理论设计的基本结构如图2所示，采用的是A、B两种不同的介电常数材料进行交替排列的1D周期性结构，A、B的介电常数分别为εa、εb，设计结构的周期d=a+b，a、b则分别表述的A、B两种材料的厚度。光频率为ω的光入射到图2所示的周期结构，采用1.1节的SFG传输矩阵理论模型，得到设计的新型SFG光子晶体结构反射系数r和透射系数能够表述为如下模型：

(6)

(7)

其中θ表述的是新型光子晶体的光波入射角度，ε、μ则分别表述的是新型光子晶体的对应介质的介电常数、磁导率。

图2 新型SFG光子晶体结构

2 结构特性分析

2.1 基模的模场分析

图3所示分析了在590 nm可见光入射条件下的基模电磁场分布，其分析基于的主要是PCF关于轴对称的，基模具有2相互垂直偏振态、传输常数相同，故只对其中一个单元分析就能了解其模式特性。从图3可以看出，结构的基模电、磁场对光场限制局域明显，具有较强的光子局域化；波长不变情况下，空气填充率越大的PCF基模的有效面积明显更小，相反依然。上述结果说明本文设计的结构具备了实现作为光子器件单元的基础，能够通过控制空气填充率实现PCF控制。

(a)基模电场x分量(b)基模电场y分量(c)基模磁场x分量的分布(d)基模磁场y分量的分布

图3 结构的可见光基模分布

2.2 结构的参数特性分析

在参数特性分析前，首先设定以下参数T=0.8，L=60 mm，取样周期：P=1.2 mm，占空比随着波长关系见图4所示。由图4可得出，在其余参数不变时，随着调制折射率的变大，反射谱的反射率会明显增大，光谱的带宽也会增大。然而此时光子晶体通道并没有发生变化，数目也无增加。于此同时分享占空比影响，得出占空比的提高，反射波长的折射率会增大，光谱的带宽也会同样的增大。上述结果为实行光子晶体的应用提供了参数参考。

图4 折射率和占空比参数分析

进一步分析光栅长度的影响，这里采用的占空比为0.6，取样周期：P=1.2 mm，折射率采用调制强度表述为3×10-5，其结果详细见图5。由图5的结果可以发现，随着总长度的提高，旁瓣效应明显在减小，光谱的带宽也明显在减小，光谱的反射率也明显在减小。上述结果与本文的理论模型基本一致，且结果为光子晶体的应用提供了参数参考。

图5 光栅长度对光谱的影响

3 测试实验验证

这里对设计结构进行实验分析，采用的反射峰中心波长用1 600 nm，调制深度范围是10-3～10-5。

3.1 光栅长度L的测试验证

实验参数如下：实验应用的感光高折射率区采用a是540 nm，实验应用的未感光高折射率区采用b也是540 nm，感光和未感光的叠加10段之后，设计引入10.7 μm的缺陷制作成取样光栅，取样部分长度是22 μm，折射率的调制单元采用0.002，实验采用的采样率应用是0.5，光栅长度L测试结果见图6所示，其周期数为M、长度L不同。由图6可以发现，光栅长度的增加会导致结果反射率明显增大，与理论分析结果一致；反射峰数目随着光栅长度的增加而变多，且反射峰的间隔也没有发生变化，这也与理论分析结果一致；当增加调制深度时，带宽也会增加，与理论分析结果一致。

3.2 折射率调制测试验证

图7所示进一步进行了折射率调制量的测试分析，其不同就是调制量(a)采用0.001、(b)采用0.005；其他实验条件与3.1相同，周期采用400。从图7的结果可以发现，反射谱随着折射率调制量增加，反射峰数目增加，反射率显著增加，带宽模型变宽，反射峰间隔没有产生变化，与理论分析结果一致。且在数调节的过程中，设计的光子晶体的中心波长也没有出现漂移现象，这时因为引入取样光栅的特性后造成的(取样光栅只有引入啁啾后才会引起中心波长向主反射两端漂移)。

(a) L=8.6 mm,M=300

(b) L=18.2 mm，M=600

(a) 采用0.001

(b) 采用0.005

4 结语

本文基于取样光栅设计了新型的光子晶体结构，测试与理论分析结果均表明，结构出现了多个反射峰，光栅长度的增加会导致反射率明显增大，反射峰数目随着光栅长度的增加而变多，且反射峰的间隔也没有发生变化；当增加调制深度时，带宽也会增加，反射谱随着折射率调制量增加，反射峰数目增加，反射率显著增加，带宽模型变宽。理论和测试的一致性，说明设计结构的合理性，这为实现新型光子器件提供了新的器件模型。

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AStudyofPCFBasedonLargeCapacityData

LIJing1,BILi2

(1. Experimental and Training Management Center, Guangdong Industry Polytechnic, Guangzhou 510300, China; 2. College of Information Engineering, Ningxia University, Ningxia 750000, China)

At present the visible light range of photonic crystal bandgap is not well solved, based on the sampled fiber bragg grating (SFG) and the transfer matrix theory, a new type of photonic crystal was designed by alternately periodically arranging two materials with different dielectric constants. Reflection coefficient and transmission coefficient of the structure were obtained by SFG transmission theory. Simulation analysis and test results yielded consistent results. The conclusion is as follows: the photonic crystal structure holds multiple reflection peaks, the number of reflection peaks and reflectance increase obviously by the increase of grating length, but the interval of reflection peak does not vary. When the modulation depth increases, bandwidth also increases obviously. Reflection spectrum increases with the amount of refraction index modulation, and reflection peak number also increases, as well as the wideness of bandwidth. The research results holds theoretical and practical significance for application of photonic crystals.

photonic crystals; sampled fiber bragg grating; transfer matrix theory; reflection peak