新型保偏光子带隙光纤的研究.pdf

62D 第五届博士生学术年会论文集 新型保偏光子带隙光纤的研究① 方 宏 娄淑琴 郭铁英 姚 磊 李宏雷 简水生 北京交通大学，北京市，100044 摘 要 提出了一种新型的保偏光子带隙光纤，包层中空气孔呈蜂窝结构排布，在芯区引 入一个椭圆形空气孔作为缺陷，由椭圆孔周边电场分布的边界条件引起了较高的模式双折射。 应用全矢量平面波法对该光纤的带隙结构、缺陷模电场分布、双折射特性以及空气孔中场能量 百分含量等进行了详细的计算和分析。结果表明：该结构的光子带陈光纤可以取得10-3量级 的模式双折射，且在一定范围内对中心椭圆孔的尺寸不是很敏感。该结构光纤空气孔中的光 场能量可达到10％以上，为气体传感器、液体传感器以及光谱分析等领域的应用创造了条件。 另外，由于该光纤的实芯结构，其在光纤拉稍以及与传统光纤的接续等方面具有一定的优势。 关键词 导波光学 光子带隙光纤 平面波法保偏光纤 引言 自1996年问世以来，光子晶体光纤一直受到人们的极大关注。根据导光机理的不同，光子晶体光纤主要 分为全反射导光型和光子带隙导光型两类。光子带隙导光型光子晶体光纤也可称为光子带隙光纤，其最大的 特点在于纤芯区域的等效折射率小于包层的等效折射率，由此决定了其导光机理不可能是传统的全反射原 理，而必须借助于包层的周期性结构形成光子带隙来束缚横向光场，光只能在纤芯缺陷处沿纵向传输。 由于其结构设计的灵活性，近年来设计和制作保偏光子晶体光纤逐渐成为一大热点，人们在理论上进 行了大量的分析，不断提出新结构；在实验上，也制作出了多种结构的保偏光子晶体光纤，取得的双折射值 达10一，较传统结构的保偏光纤高出一个数量级。然而，到目前为止，大部分的分析和讨论都是集中在全 反射型保偏光子晶体光纤。近两年，随着光子带隙光纤的研究逐渐被人们重视起来，设计具有保偏特性的 光子带隙光纤也开始被提上日程，K。Saitoh等人提出了一种空芯的保偏光子带隙光纤，并由康宁公司的 XChen等人制作出了类似结构的光纤，取得了很高的双折射。本文首次提出了一种实芯结构的保偏光 子带隙光纤，并使用全矢量平面波法对其进行了详细地分析和讨论，取得了一些有意义的结论。 一、理论模型 (一)全矢量平面波法 全矢量平面波法是目前分析光子晶体光纤，特别是光子带隙光纤最常用的方法之一，其准确性和高 效性在很多文献里已作了详细的证明和比较，以下对其基本理论做简要地叙述。在无源、无损、时不变 媒质中Maxwell方程可写为如下Helmholz方程： ① 国家自然科学基金项月资助。 F×——LF×开(¨一尝玎(n (1) 其中，E(r)为介电常数分布“为角频率．r为真空中的光速。在无限大周期性光子晶体结构中．应用 B[och理论，将模式场展开为无穷多个平面渡的合： Hfn一、^“^F．P“+“ (2) 其tI-．^一1．2。^为平面波的波是，G为例格子欠健，6代表两个％传播方向女+G垂直的欠量。hr．为 磁场H在d方『6J分量的系数。应用Fourier尘换．将介电常数展开为： d．q (3) mj—B6一“一古||19￡(m4 i 。E 其巾．V为元胞体积。将式(2)、(3)代人式(1)得： 驴一0-1州’I．c。朗羔，≯政：：：]=擞：：]m 这样Hclmholz方程就变为了标准的奉征值M题，口J州数值方法求解。 (二)光纤结构及超元胞的选取 本文提出的保偏光于带隙光纤的端面结构如图1所示，其中基底为SiO：，凹中以版色表币，空气孔 以蜂窝型结构排布，幽中以白色圆扎表不．空气扎间距为^，直径为“；在光纤的芯区引^一个椭圆形空 气孔作为缺陷，椭圆扎的长轴为a，矫轴为6。此时包层区的等效折射率大于芯区的等效折射率，所以该 光纤不口』能