英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
单模超平高负剩余色散补偿光子晶体光纤
Samiul Habib , M. Selim Habib , M.I. Hasan , S.M.A. Razzak.
电子与电子工程学院，Rajshahi大学工程技术学院，Rajshahi 6204，孟加拉国.
电子与通信工程学院，Rajshahi大学工程技术学院，Rajshahi 6204，孟加拉国.
摘要：本文设计了一种基于六边形结构的单模光子晶体光纤，在980 - 1580nm波长范围内，实现了剩余色散补偿的目的。设计的光纤在S到L波段的近红外光谱范围内具有平坦的负色散曲线，平均色散为- 138 ps/(nm km)，绝对色散变化量为 12 ps/(nm km)。此外，所提出的光纤在整个通信波长范围内都为单模运行。并且，为了检验光纤色散特性的准确性，研究得到，实际条件对光纤色散最优参数会产生1%-5%的波动影响。
关键词：光子晶体光纤，色散补偿光纤，非线性，V参数。
1 简介
近年来，由于其在光学系统不同领域的新颖光学特性，使得折射率引导型光子晶体光纤(IG - PCFs)[1]得到了深入的研究。在PCFs中，空气孔以周期性的方式沿整个纤维长度排列，从而使纯硅芯周围的低指数覆盖[2]。在PCF中，空气孔周期性排列，并在光纤长度的方向保持一致，这在纯石英纤芯的周围构成一个低折射率区域的包层。通过改变孔的尺寸和包层的几何尺寸，可以利用夹杂的空气孔使纤芯和包层实现可变的折射率对比度。与普通单模光纤相比，PCF提供了更多的设计自由度，它可以灵活地设计各种波导特性，如双折射[3]、非线性[4,5]和色散[6,7]。
为了避免非线性作用，长距离传输系统需要非零色散光纤[8]。在长途传输系统中，一个主要值得考虑的问题是光学连接中的色散，因为它扩展了光脉冲，限制了系统的带宽。为了避免脉冲展宽，必须补偿色散。众所周知，标准单模光纤具有10 - 20 ps/(nm km)的正色散。为了成功地补偿SMF在长距离的正扩散，应采用色散管理技术。减少色散效应的一种可行的方法是在整个频带中使用短长度的具有大负色散值的色散补偿光纤(DCFs) [9]。在密集波分复用(DWDM)中，为了有效地补偿所有频率的色散，DCF应覆盖广谱，并同时提供合适的色散和色散斜率补偿[10]。
到目前为止，许多研究小组已经报告了使用不同的结构PCFs进行色散管理。Varshney等人[11]提出了种平坦负色散的PCF，在S C L波段其平均色散约为98.3 ps/(nm km)，绝对色散变化约为1.1 ps/(nm km)。文献[12]设计的纤维在S C L U波长范围内呈现超平坦的负色散，色散值179 ps/(nm km)且绝对色散变化量2.1 ps/(nm km)，但是平坦范围仅覆盖195 nm文献[13]利用遗传算法，设计了一种纤芯掺Ge的PCF，得到了高负色散值212 ps/(nm km)，在S C L U波段上的绝对色散变化为11 ps/(nm km)。上面提到的光纤有的是波长范围受限，而文献[13]中提到的掺杂的纤芯会导致制造困难。除了六边形结构外，文献[14]中提出一种等角螺旋PCF的设计，平均色散值为212 ps/(nm km)，同时具有0.0221的高双折射率。虽然[14]中的PCF显示出了具有吸引力的负色散和双折射特性，但是利用传统的堆砌-拉制方法难以制造螺旋结构PCF，这对其实际应用造成了限制。最近，文献[8]中的光纤在所有通信波段呈现高的负平坦色散。但是，文献[8]提出的 PCF具有很小的空气孔，这增加了熔接损耗；并且，文章没有对光纤的模式特性进行讨论。在上述工作中，平坦负色散通常为常用的E到L波段，并没有跨越整个近红外区域结果报道。
在本研究中，我们探讨了在近红外波段设计一种简单的六边形剩余色散补偿光纤(H-RDCF)的可能性。该结构的优点是设计简单、同时具有宽频带、高负色散且具有大非线性系数，这在高比特率传输和非线性光学中起着非常重要的作用。通过仿真可以看出，所设计的PCF在所有电信频段内单模工作，，在波长范围内高负色散值138 PS /（nm·km )，大大高于[8，11-14]中报道。在1550 nm工作波长处，具有高的非线性系数，为33.6W-1Km-1。
2 设计方法
提出的剩余色散补偿光纤设计是基于六边形结构。图1显示了所提出的PCF的气孔分布。H-RDCF光纤包层中，相邻两气孔之间的距离定义为气孔间距Lambda;，气孔直径为d。气孔为五层结构，,两个优化参数分别为dc和Lambda;c。第三环的直径为d3，第一个环气孔直径为dc，其余的环为d。结构中使用的材料是硅，气孔是由六边形的旋转对称排列的。第一层环的空气孔被细分为五个小气孔，用来控制PCF色散的平坦范围。
3 仿真结果与讨论
利用全矢量有限单元方法和完全匹配层(PML)边界条件对H-RDCF结构的模式特性进行了研究。网格面积152.2 mu;m2，划分为约17954个矢量三角形。为了对泄漏进行建模，在边界上没有反射，必须使用有效的边界条件。已知PMLs是最有效的吸收边界条件[2]。用Sellmeier方程定义了硅的折射率，模拟了折射率随波长的变化曲线。利用[2,15]对H-RDCF的色散系数D、有效模场面积Aeff、非线性系数、光纤V参数进行了定义。 Sellmeier 方程如下：
n(lambda;）= （1）
其中n是折射率，lambda;是波长，B1, B2, B3, C1, C2 ,C3是塞尔梅尔系数。由于高阶模的高约束损耗，所提出的PCF是全通信波段的一种真正的单模光纤， [12]。研究发现，光纤在短波长的支持二阶模式。但在1550nm波长下的二阶模式的约束损耗大于7 dB/km。因此，该光纤在整个感兴趣的波长范围内作为单模光纤工作。此外，通过计算PCF[15]的有效V参数，可以证明光纤的单模特性。
图1. H-RDCF的几何结构和气孔分布。(a) H-RDCF的气孔分布。(b)纤芯区域的细节。
波长 [m]
图2.最佳设计参数时，光纤v参数随波长的变化曲线
图3. 1550nm波长时的两种极化模式(x和y偏振)的基模光场分布
已经知道高阶模截止的条件与有效V参数相关，截止条件为Veff ≦pi;。的值相关联。从图2中可以看出，在整个感兴趣范围内都满足Veff小于pi;的条件。图3是1550 nm波长下两种极化模式(x和y偏振)的基模光场分布。可以看出，由于包层区域和纤芯区域较高的折射率差，基模都约束在PCF的中心区域。
通常，真正的色散补偿光纤应该在所有波长范围内具有高的平坦的负色散值。在本研究中，对于基模的慢轴模式(x-极化)，所设计的光纤在从980到1580nm的600nm波长范围内，色散平均值为138 ps/(nm km)， 绝对变化量为12 ps/(nm km)。据我们目前所知，这是波长范围最大的平坦波段。文献近期[8]的最佳值只覆盖330纳米范围， 我们所提出的结构表现出大约两倍于文献[8]的频带宽度。
图4是我们所设计光纤的色散曲线，计算参数为Lambda;= 0.87 mu;m, d/ Lambda; = 0.95, d3/Lambda; = 0.50, Lambda;c = 0.30 mu;m, dc = 0.11 mu;m。通过模拟上述光纤参数的许多组合，得到了最优参数，最后，在每次模拟中只改变其中一个参数，得到期望的结果。
出于实际考虑,值得评估光纤最优参数变化plusmn;1 - 5%时对色散特性的影响。制造pcf–时，直径发生plusmn;1%的变化是可能发生的。因此，直径变化plusmn;2%时仍需要确保色散平坦是非常重要的 [2]。有鉴于此,我们在这项研究中 数值研究了结构参数plusmn;1-5%变化对平均色散和绝对色散变化的影响。计算结果是通过一次改变一个参数来完成的，而所有其他的最佳参数都是固定的。图5展示了参量dc在plusmn;1 - 5%变化时，色散随波长的变化曲线。
根据仿真结果可以看出, 当包层的气孔参数不变，第层环细分的气孔直径dc对色散曲线的形状有微小的影响，但是光纤的基模模场基本不变。Dc值plusmn;2%的变化可以导致色散平均值变化plusmn;7%，而绝对色散变化量增加100%。
波长 [m]
图4 最优化设计参数时600nm波长范围内的宽带平坦负色散曲线。
波长 [m]
图5 dc在plusmn;1%~plusmn;5%范围变化时色散随波长变化的曲线(实线描述了因参数增加而引起的色散曲线，而虚线描述了衰减曲线)。
波长 [m]
图6 Lambda;c从plusmn;2%变化到plusmn;4%时的色散曲线。
图6是纤芯中心第一层空间距(Lambda;c)发生plusmn;2 - 4%的变化时，计算得到的色散曲线。了从图6中可以看出，Lambda;c的变化对波长范围内色散曲线的平坦度影响不大。
Lambda;c变化plusmn;2%时，整个波段平均色散变化小于plusmn;0.5%。
现在，研究气孔间距Lambda;从plusmn;1%plusmn;2%变化时对色散的影响，。从图7中看到，当气孔间距在上述范围内变化时，并没有影响色散色散曲线的斜率。
从实际应用角度考虑，在制备过程中，对所提出光纤的核心区域的亚波长空气孔进行适当的控制是至关重要的。光纤通常是用传统的标准堆叠-拉制技术来制造的[8]。近年来，光纤制造工艺的发展使得可以使用上述方法在纤芯区域内实现直径约为110 nm的亚波长空气孔的 [8]。因为我们提出的光纤结构核心区域最小的气孔直径为220纳米(大于[8]的报道)，所以可以采用堆叠法制作。
波长 [m]
图7 气孔间距从plusmn;1%到plusmn;2%的变化时的色散曲线
在最优参数下，有效面积和非线性系数作为波长函数，如图8所示。有效模场面积是光纤基模所覆盖的区域的量度，随着工作波长的增加基模的宽度增大，从而有效面积增加，反之亦然。波长约1550 nm时，我们的PCF的有效模式面积约为2.77mu;m2，与之对应的非线性系数为33.6 W-1 Km-1，高于文献[15]中的报道。与[8,12]相比，由于我们提出的结构有效面积较小，具有较高的非线性系数，使得光纤适合用于非线性光学的应用。
波长 [m]
图8 最佳参数条件下，有效模场面积和非线性系数随波长的变化曲线。
一个好的DCF设计必须在整个工作波长范围内具有低约束损耗。我们设计的光纤在气孔层数Nr = 7时，约束损耗可低至0.014 dB/km。此外，在不影响色散形状的情况下，插入额外的气孔环，可以进一步减少这种损失[16]。
设计方案的两个明显优点是:首先，设计参数数目合理，有两种气孔直径和包层气孔间距。第二，在600nm波长范围内具有负的色散值。另一个值得考虑的问题是所设计光纤和传统的SMFs之间的耦合不匹配。该光纤的有效模面积为2.77mu;m2。由于H-RDCF的有效面积较小，连接损耗通常会更高。几乎任何结构的PCFs与SMFs之间的无熔接互连技术都是基于Leon-Saval等[17]所报道。因此，我们认为我们的光纤可以与现有的技术相结合而不产生重大的冲突。
4 结论
综上所述，文中报道了一种真正的单模超平坦负色散的H-RDCF，并同时具有非常高的非线性。该H-RDCF可以提供近红外波段从980到1580 nm波长范围的平坦负色散，同时在1550 nm处有高达33.6W-1 Km-1的非线性系数。灵敏度分析表明，参数dc对平均色散的影响是最明显的，而其他参数对色散的影响是不显著的。因此可以得到这样的结论，上述双重优点使得该光纤可以用于高比特率传输网络、在医学领域应用的宽带光源和非线性光学领域中。
[参考文献]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
