Page 26 - 网络电信2018年4月刊下

一种新型高双折射光子晶体光纤的特性研究

荣耕辉，伊小素 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院

摘要：设计了一种新型结构的光子晶体光纤，建立了对应的数学模型并采用全矢量有限
元法对该结构的模场强度、有效折射率、双折射、色散特性和限制损耗进行了分析。研究表
明，该光纤在1550nm处可以获得高达7.66×10－3的双折射和低至12Ps/（nm·Km）的色散
值，同时在800～1600nm波长范围内，始终保持1.498×10－6Db/m以下的极低限制损耗，可用
于制造极低色散值的保偏光纤。
关键词：光子晶体光纤；高双折射；全矢量有限元法

引言 本文提出了一种新型的高双折射光子晶体光纤，通过调整
光子晶体光纤（PCF）是一种由二维光子晶体组合而成的新 结构参数，实现了在1550nm波长处高达7.66×10-3的双折射和
型光纤，其包层是按照一定规律分布的空气孔阵列，在中心区 低至12Ps/（nm·Km）的色散值，同时在1300～1600nm的波长范
域添加一个被破坏的缺陷形成纤芯 [1-2] 。根据导光机理的不同， 围内，始终保持1.498×10-6以下的极低限制损耗，且结构简
光子晶体光纤可以分为两大类：一种是全内反射型光子晶体光 单、易于实际生产，可用于制造极低色散值的保偏光纤。
[3]
纤，另一种是光子带隙型光子晶体光纤 。与传统光纤相比，
光子晶体光纤具有很多优良的性能，比如：无截止单模传输、 一、基本理论
高双折射、灵活的色散特性、大模场面积和高非线性度等 [4-8] 。 目前，光子晶体光纤的数值计算方法主要有有效折射率
这些优良的性能使得光子晶体光纤在用于设计新型高性能光学 法、平面波展开法、时域有限差分法、多极法和有限元法等
器件及整合不同光学器件时有非常出众的表现。 [12] 。综合考虑计算精度和运算量，本文采用有限元法对所设
双折射率是衡量光纤x、y方向传播系数差值的重要物理 计的光子晶体光纤进行计算仿真。有限元法的优势在于能灵活
量，一般通过打破光纤结构的圆对称性来实现相对较大的双折 适应不同形状的空气孔分布结构并能迅速求解。文中我们使用
射率，传统光纤因受导光结构限制往往不能达到很高的双折 COMSOL对光子晶体光纤进行仿真计算 得到了不同模式下的传播
射，但光子晶体光纤灵活的结构特性可以很好地解决这一问题 常数，通常是复数形式，通过其实部可以计算光子晶体光纤的
[9] 。通过改变包层空气孔的形状、直径和排列方式可以轻松地 双折射及色散特性，而通过其虚部可以分析光子晶体光纤的限
实现远高于传统光纤的双折射率。2000年，英国bath大学最早 制损耗特性。
拉制出高双折射光子晶体光纤，通过破坏单方向上一排空气孔 利用有限元法计算光子晶体光纤相关数值时，首先将求解
的方法增大了x、y方向的差异性 [10] 。此后的十几年间，各种 区域划分为有限个微小单元，利用每个小单元的差值得到各个
高双折射光子晶体光纤层出不穷，2016年，吴宵宵等人设计了 小单元内的求解方程，组合成为方程组后，得到本征方程，求
一种石墨烯薄层结构的光子晶体光纤，双折射率甚至达到了 解该本征方程即可得到整个区域的场分布。求解过程主要有以
0.13，但其色散特性与损耗特性并不理想 [11] 。一味追求高双折 下4个步骤：
射率并不能在实际生产生活中有具体应用，因此综合考虑双折 1）建立分析模型。首先需要建立光子晶体光纤的横截面模
射率、限制损耗、色散曲线已经成为设计新型光子晶体光纤的 型，确定材料折射率、波长及边界条件。在求解时，无法做到
方向。 无限大空间的模式求解，所以通常采用理想电导体边界条件和

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