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非對稱性對光子晶體光纖偏振相關濾波特性的影響

發布時間:2019-12-18所屬分類:科技論文瀏覽:1

摘要:基于表面等離子共振效應,提出了三種不同非對稱因素引入的金鍍膜偏振相關濾波光子晶體光纖,利用全矢量有限元法研究了光子晶體光纖偏振相關濾波傳輸特性.當非對稱纖芯模單獨作用時,波長1.55m處x與y偏振方向纖芯模損耗分別為5.58dB/cm和461.58dB/cm,

  摘要:基于表面等離子共振效應,提出了三種不同非對稱因素引入的金鍍膜偏振相關濾波光子晶體光纖,利用全矢量有限元法研究了光子晶體光纖偏振相關濾波傳輸特性.當非對稱纖芯模單獨作用時,波長1.55μm處x與y偏振方向纖芯模損耗分別為5.58dB/cm和461.58dB/cm,兩偏振方向損耗比為83;當非對稱金屬表面等離子模單獨作用,且鍍膜厚度為55nm時,其諧振波長1.31μm處x與y偏振方向纖芯模損耗分別為2.02dB/cm和412.91dB/cm,兩偏振方向損耗比高達204,鍍膜厚度19.5nm時其諧振波長1.55μm處x與y偏振方向纖芯模損耗分別為5.29dB/cm和536.25dB/cm,兩偏振方向損耗比為101;當纖芯模和表面等離子模同時引入非對稱因素時,通信波長1.55μm處y偏振纖芯模諧振強度高達802.08dB/cm,而x偏振纖芯模損耗僅為5.57dB/cm,兩偏振方向損耗比為144.數值比較可知,在金屬表面等離子模中或兩種模式同時引入非對稱因素,可獲得兩偏振方向偏振損耗比更高的強偏振相關濾波傳輸特性的光子晶體光纖,該研究對光子晶體光纖偏振相關濾波器及相關偏振器件的設計與應用具有一定參考意義.

非對稱性對光子晶體光纖偏振相關濾波特性的影響

  關鍵詞:光子晶體光纖;非對稱性;表面等離子共振;偏振相關濾波;諧振強度;相位匹配;模式耦合

  0引言光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber,PCF)[1]的包層由軸向結構不變并以波長量級周期性分布的空氣孔組成,具有傳統光纖難以實現的傳輸特性,因而受到學術界和產業界的廣泛關注.隨著PCF研究的不斷深入,光纖研制水平的不斷提高以及各種光電子器件集成化和光纖化的發展,基于微結構光纖器件的研究已成為一個新的研究熱點.保偏PCF[2-4]由于具有較高的線偏振態保持能力而被廣泛應用于環境穩定性較低的偏振依賴光纖通信系統[5-8]、光纖激光器[9]和光纖傳感[10]等領域.隨著光纖填充技術的快速發展,通過在PCF結構中填充金屬材料[11-16]、液晶[17]、半導體材料[18-19]等能夠產生新的傳輸特性,為光通信系統中全光纖網絡向大容量、高速率、低功耗快速發展開辟了一條新的路徑.在PCF結構中填充或者鍍膜金屬材料,當光與金屬相互作用時,光子在金屬和介質界面上會激發出一種特殊的表面波,即表面等離子激元(SurfacePlasonPolaritons,SPPs)[20].當纖芯模與表面等離子模滿足相位匹配條件時就能發生表面等離子共振效應,利用其特性可以設計出不同類型的PCF偏振相關耦合器.Lee.H.W等人[12]基于熔接的新型壓力輔助熔融填充技術,通過實驗實現了在PCF空氣孔中120nm金納米線的填充,同時理論驗證了基于金屬表面等離子共振效應的強偏振相關傳輸特性.Zhang.X等人[13]通過采用涂覆法和化學氣相沉積法在微結構光纖微孔中選擇性金屬鍍膜實現了全光纖偏振器件的制作.Nagaski.A等人[14]研究了在光纖纖芯附近包層空氣孔中分別填充一個到三個金屬絲的PCF偏振相關濾波傳輸特性,發現存在多個諧振響應波長但是其諧振耦合器強度偏小.Xue.J.R等人[15]分析了在包層空氣孔中進行金屬鍍膜并填充液體,理論實現了波長1.311μm處y偏振方向纖芯模諧振耦合器強度為508dB/cm,同一波長處y偏振方向與x偏振方向纖芯模損耗之比僅為25左右.Du.Y等人[16]通過在PCF包層空氣孔填充金屬金研究了PCF偏振相關濾波特性,而波長1.55μm處諧振耦合強度小于100dB/cm.Kaleque.A[21]報道了基于方形陣列的橢圓孔金屬鍍膜PCF,獲得了諧振強度為1221dB/cm的強偏振相關濾波傳輸特性,但方形陣列橢圓孔PCF的制作無疑具有很大的挑戰性,且橢圓孔內金屬鍍膜更增加了制作的難度.近期,Li.M等人[22]設計了金絲填充的偏振相關濾波特性PCF,獲得通信波長諧振強度為330.75dB/cm且兩偏振方向損耗比為175的強偏振相關濾波特性.另外,基于表面等離子共振效應的PCF還可用于光纖傳感器等領域[23].而不同非對稱因素的引入對基于表面等離子共振效應PCF偏振相關濾波特性影響的相關文獻未見報道.

  本文分析了非對稱因素的引入對PCF偏振相關濾波特性的影響,分析和比較了非對稱因素單獨在PCF纖芯模和表面等離子模引入、以及同時在這兩個模式中引入時產生的偏振相關濾波特性,得到三種類型的通信波段強偏振相關濾波特性PCF.數值分析與比較可知,在PCF纖芯模中單獨引入非對稱因素,其通信波長處兩偏振方向損耗比為83;在PCF的SPPs模中單獨引入非對稱因素可獲得通信波長1.31μm兩偏振方向損耗比高達204;在兩種模式同時引入非對稱因素可獲得通信波長1.55μm諧振強度高達802.08dB/cm,且對應的兩偏振方向損耗比達到144.因此在SPPs模中引入非對稱因素是獲得PCF強偏振相關濾波特性的更好方案,文中所分析的PCF偏振相關濾波傳輸特性為單波帶PCF偏振相關濾波器的研究和應用提供了重要的參考依據.

  1理論模型

  圖1(a)~(c)分別為在纖芯模引入非對稱因素、SPPs模中引入非對稱因素、以及纖芯模和SPPs模同時引入非對稱因素的PCF端面圖,將這三類PCF分別命名為PCF1、PCF2、PCF3.其包層都由三角陣列的孔間距為Λ=2.2μm、孔徑d=1.4μm的5層空氣孔組成,纖芯附近兩增大孔孔徑為d2,在包層區域孔徑為d1的兩空氣孔中進行金屬鍍膜,其中金屬鍍膜厚度為t.圖1(b)和(c)顯示了兩對稱鍍膜孔垂直向纖芯區域移動距離為s,纖芯區域引入一小空氣孔dc,小空氣孔的引入可以有效地降低纖芯導模有效折射率,促進纖芯模和SPPs模的相位匹配,增加兩種模式的諧振耦合強度,從而提高特定波長處的兩偏振方向損耗比,且諧振響應最大半高全寬值(FullWidthatHalfMaximum,FWHM)更小,獲得了通信波段處更強的偏振相關濾波傳輸特性.

  光纖基底材料由純石英材料組成,包層豎直方向兩空氣孔鍍膜材料為金屬金,模擬計算時考慮了石英和金屬的材料色散,分別由石英材料Sellmeier方程[24]和金屬材料金的Drude-Lorentz模型[20]來描述.基于多物理耦合分析軟件ComsolMultiphysics的有限元法分析PCF的諧振耦合特性,三種PCF模型的最外層都引入一個完美匹配層作為吸收層,有效地吸收各種入射輻射能量且不產生能量反射,并在最外圍采用散射邊界條件,進一步消除外界反射波的影響,從而可以更準確地模擬出無限空間內光波的傳播常數和損耗.通過有限元法模擬得到PCF纖芯基模和各階表面等離子模的有效傳播常數,利用傳播常數的虛部可計算出光纖纖芯模式限制損耗,即

非對稱性對光子晶體光纖偏振相關濾波特性的影響

  式中λ是光的傳輸波長,Im(neff)是模式有效折射率的虛部,光纖損耗單位為dB/m.

  2數值模擬與結果分析

  為了分析非對稱因素的引入對PCF偏振相關濾波特性的影響,當纖芯模和SPPs模都無非對稱因素時,引入PCF中纖芯模與SPPs模的諧振耦合特性.圖2為Λ=2.2μm,t=0.05μm,d2=d=1.4μm時,d1逐漸變大時PCF纖芯模式與SPPs模式有效折射率以及纖芯模式損耗隨波長的變化.圖2(a)分析了纖芯模與表面等離子模有效折射率實部隨波長的變化規律,其插圖為基階到三階SPPs模的模場分布圖.由圖可知,基階、一階SPPs模與纖芯模由于相位不能滿足匹配條件而未能發生諧振耦合.另外,二階、三階表面等離子模與纖芯模都存在相位匹配點,由圖2(b)可知,三階SPPs模式與纖芯模式的相位匹配點所對應的諧振耦合強度極其微弱,其產生的峰值損耗小至可以忽略.因此,以下主要分析二階SPPs模與纖芯模的諧振耦合.由圖2可知,當SPPs模式和纖芯模式結構都是對稱時,兩偏振方向纖芯模式的諧振響應波長重合,降低了兩偏振方向諧振耦合強度之比,不利于單偏振相關濾波傳輸.隨著鍍膜孔外徑d1逐漸變大,纖芯模與SPPs模諧振耦合強度逐漸變大,這是由于當鍍膜孔外徑越大,金屬鍍膜產生的表面等離子模式與纖芯模式越接近,使兩種模式更容易發生諧振耦合,產生更強的諧振耦合強度.隨著d1的逐漸變大,諧振響應波長向長波長方向移動,這是由于SPPs模式有效折射率傳輸隨著d1的增大逐漸增大,而纖芯模式傳播常數不受鍍膜孔外徑的影響.

  2.1僅在纖芯模引入非對稱因素的PCF

  圖3為僅在纖芯模中引入非對稱因素時,光纖結構參數Λ=2.2μm,t=0.05μm,d=1.4μm,d1=1.86μm固定不變,d2由1.4μm增大到2.56μm時PCF兩偏振方向纖芯模與SPPs模式的諧振耦合.如圖3(a)所示,纖芯附近d2的增大降低了兩偏振方向纖芯模式傳播常數,SPPs模由于偏離纖芯區域而不受d2改變的影響.因此,纖芯模與SPPs模的諧振波長隨著d2的增大而逐漸分開并向長波長方向移動.而當d2=d=1.4μm時的兩偏振方向纖芯模諧振波長重合且與圖2分析一致.由圖3(b)可知,諧振耦合強度隨著d2的增大而變大,且當d2=2.56μm時,在波長1.55μm處y偏振方向纖芯模與SPPs模發生了表面等離子共振效應,使y偏振方向纖芯模損耗高達461.58dB/cm,而同一波長處x偏振方向纖芯模與SPPs模未發生諧振耦合,其損耗低至5.58dB/cm,獲得了1.55μm處損耗比為83的高偏振相關濾波特性,實現了通信波長處y偏振方向纖芯模由于高損耗被濾除,而x偏振纖芯模由于在通信波長處未發生諧振耦合以極低的插入損耗繼續傳輸的偏振相關濾波傳輸特性.除了需要獲得較強的諧振耦合強度以外,較小的諧振響應FWHM值是單波帶PCF偏振相關濾波特性另一個重要的指標參數.僅在纖芯模中引入非對稱因素時,諧振響應FWHM值為65nm.因此,需要進一步降低其諧振響應最大半高全寬值,才能獲得更好的PCF窄帶帶阻偏振相關濾波特性.

  2.2僅在SPPs模中引入非對稱因素的PCF

  圖4為僅在SPPs模式中引入非對稱因素,即包層兩個鍍膜空氣孔位置改變對PCF偏振相關濾波特性的影響.為了獲得更強的纖芯模式諧振耦合強度,圖4(a)顯示了纖芯空氣孔的引入對PCF諧振耦合強度的影響.由圖4(a)可知,由于纖芯小空氣的引入降低纖芯模式有效折射率而不影響SPPs模式有效折射率,兩種模式的相位匹配點隨著纖芯小空氣的引入而發生了紅移,實芯PCF的相位匹配點為1.28μm,其對應的諧振耦合強度和FWHM值分別為74.7dB/cm和60nm.與實芯PCF諧振耦合相比,在纖芯區域引入dc=0.2μm的小空氣孔較大地增大了纖芯模的諧振耦合損耗,諧振耦合波長移至1.33μm,且其對應的諧振耦合強度和FWHM值分別為164.4dB/cm和30nm.因此,纖芯微小空氣孔的引入促進纖芯模和SPPs模的相位匹配,增加了兩種模式的諧振耦合強度同時降低了諧振響應FWHM值.另外,文獻[25]報道了纖芯引入0.2μm空氣孔滿足PCF拉制實現的最小空氣孔條件.圖4(b)和(c)顯示了Λ=2.2μm,d1=d=1.4μm,t=0.055μm,dc=0.2μm時,包層兩對稱金鍍膜孔位置不改變(s=0)和向纖芯方向豎直移動s=0.4μm后纖芯模與SPPs模的諧振耦合情況.

  由圖4(b)可知,纖芯模式傳播常數不受鍍膜孔位置改變的影響,而當兩對稱鍍膜孔向纖芯方向移動0.4μm時,在表面等離子模中引入非對稱因素,產生了非對稱的兩偏振方向的表面等離子模.圖4(c)顯示了當s=0.4μm時,y偏振方向諧振波長移至通信波長1.31μm處,對應的y偏振方向諧振耦合強度達到了412.91dB/cm;而通信波長1.31μm處對應的x偏振方向損耗僅為2.02dB/cm,從而獲得了通信波長1.31μm處兩偏振方向諧振耦合強度比達到204的強偏振相關濾波特性的PCF,其偏振相關耦合強度比遠遠大于文獻[15]所報道的通信波長處僅為25左右的諧振耦合強度比,而且文中所提出的光纖具有更簡單的端面結構,更適合用于窄帶單偏振相關濾波器件的研究.

  為了更進一步分析表面等離子模對偏振相關濾波特性的影響,分析了鍍膜厚度的改變對兩偏振方向纖芯模諧振耦合的影響.在圖4的基礎上改變鍍膜厚度為0.0195μm,由圖5(a)可知,金屬鍍膜厚度的改變幾乎不影響兩偏振方向纖芯模式傳播常數,而表面等離子模式折射率隨著鍍膜厚度t的減小而增大,因此隨著鍍膜孔厚度t的減小,兩偏振方向纖芯模與兩偏振方向表面等離子模的相位匹配點移至長波長處.當鍍膜厚度為0.0195μm時,y偏振方向纖芯模與y偏振方向SPPs模的在通信波長1.55μm處產生表面等離子共振效應.由圖5(b)可知,通信波長1.55μm處,y偏振纖芯模諧振耦合強度達到536.25dB/cm,相應波長處x偏振方向纖芯模式損耗僅為5.29dB/cm,兩偏振方向損耗比高達101;鍍膜厚度為0.055μm時諧振波長1.31μm處y偏振方向諧振耦合強度達到了412.91dB/cm,對應的x偏振方向損耗僅為2.02dB/cm,兩偏振方向損耗比高至204,與圖4(b)顯示結果一致.因此,通過調節鍍膜厚度,可獲得不同通信波長處的強偏振相關濾波傳輸特性.當鍍膜厚度分別為0.055μm和0.0195μm,對應諧振波長1.31μm和1.55μm處的FWHMs值分別為21nm和43nm,相比僅在纖芯模引入非對稱因素時產生的諧振響應FWHM值,在表面等離子模中引入非對稱因素能夠獲得更小的諧振響應FWHM值.可知,在PCF表面等離子模中引入非對稱因素能夠形成較好的偏振相關濾波傳輸特性.

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