关键字 |
| 布喇格光纤、色散、有效面积、非线性光子晶体。 |
介绍 |
| 光纤的发展发挥了重要作用的信息技术(IT)革命过去三十年。光纤已经被广泛应用于骨干网络和接入网络,以支持不断增长的IT基础设施。其他重要应用领域的光纤是医学成像,梁运送药品、诊断、传感、放大、激光加工的新类和实现光学组件和激光[1]。然而,在传统的单模式光纤、光学特性限制了单模式光纤带宽当前使用的波长。在前两年,大部分的研究光纤是针对减少损失,发展了以不可思议的速度增量改善制造过程。自那时以来,一个重要的一部分研究集中设计新的光纤与修改后的结构调整和改进等光学性质的损失,非线性和色散和偏振效应。研究人员认识到,材料内的正常形态结构建造——大幅修改其光学性质。这种结构化的材料被称为光子晶体和使用光子晶体形成的纤维被称为光子晶体光纤(pcf) [2]。 |
| 光子晶体的概念最初是由Sajeev约翰[3]和等距重现1987年[4]。他们证明了光的指导可以完全限制在一个周期安排理想的无损的电介质,在特定波长,无论传播方向和极化。这种光抑制由于周期性的排列称为光子带隙(PBG)。百事装瓶集团的能源或频率范围光在光子晶体完全阻塞。当光的频率范围的光子能带结构事件,它完全反映。然而,如果一个周期性结构中引入缺陷,光传播通过缺陷由于光子能带不允许光线进入周期性排列。然后,它引导到结构的光波导将引导。当一个带隙存在无论传播方向和极化,它被称为完全光子带隙[5]。最初,这个词使用光子晶体材料的能带。之后,它成为了一个常见的术语指的是任何形式的周期安排电介质或金属,有或没有光子带隙。 A photonic crystal with a photonic bandgap is now more commonly known as photonic band gap material. Photonic Crystals can be classified into three categories depending on the geometry of the structure, i.e. one-dimensional (1D), two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) structures [5]. In one dimensional photonic crystal, two alternating dielectric layers are arranged periodically in one direction only, while the structure is uniform in other two directions. Light propagating in perpendicular direction towards the layers experiences successive reflection and transmission at each boundary between adjacent layers. When the layer thickness and refractive indices of the materials are carefully chosen such that, waves reflected from each boundary are in phase and waves transmitted are out of phase. This causes the transmitted wave components to cancel out each other, and only the reflected components add up together and the light is totally reflected. This works only for a range of wavelengths. Bragg mirror is a simplest example of one dimensional photonic crystal [6, 7, 8]. |
| 布拉格纤维是基于一维光子晶体,形成的一个低指数核心包围的交替包覆高和低折射率层。光局限于核心的圆柱形布拉格反射互层。在这样的布拉格纤维,百事装瓶集团是通过光指导机制。布拉格纤维也可以由高指数核心包围的交替包覆低收入和高折射率层。在这样的布拉格光纤,光指导是通过修改全内反射机制(9、10)。 |
| 在本文中,我们设计了一种高指数核心布拉格纤维。这是一个圆柱对称微结构光纤具有高指数的核心(硅在我们的例子中)被制成的多层熔覆交替层二氧化硅和低折射率介质。进一步,我们使用依赖于纤维特征模态分析和计算各种光学特性,如色散和有效面积。 |
相关工作 |
| High-index-core布拉格光纤[11]是一个圆柱对称微结构光纤具有高指数核心(通常是硅)包围交替层制成的多层包覆二氧化硅和低折射率介质。标准布拉格纤维相比,在低指数核心指导没有得到,但在硅芯像失踪PCF的中部洞。因为产生的色散光纤几何存在在所有情况下(甚至引导光线在空气中),我们的目标是为了弥补几何纤维分散的材料色散材料对应模式传播的地方。一个合适的设计几何参数在布拉格纤维,导致几乎为零ultraflattened色散(12、13)或导致新的可调平色散特性[14]。同样,一个零色散波长[15]或非常大的负色散[16]值可以实现单模圆柱对称的分层的纤维。使用非凡的色散性质由于布拉格光纤几何,我们可以适当的材料色散补偿硅,然后达到一个很好的控制分散行为。 |
纤维设计 |
| 我们使用二氧化硅为核心和air-silica层设计光纤的包层区域。石英纤维已成为非常受欢迎的由于低损失由于生产精制加工过程和低成本大规模通信网络[17]。由于其巨大的传播范围(0.21μm - 3.7μm)和大部分的光学仪器和设备设计在这个范围内,它总是很方便与硅基纤维。基本上,它非常方便使用石英纤维由于以下原因[18]: |
| 1。高度纯硅可以非常经济由于简单和高效的流程获得硅硅有丰富。 |
| 2。二氧化硅的传播范围很广(实际300 nm - 2500 nm)的光谱范围从可见近红外波长。 |
| 3所示。很容易得出硅成光纤由于其物理和化学性质。二氧化硅的软化温度很高(~ 1600°C)高的转变温度(~ 1150°C),它显示了非常缓慢的粘度的变化与温度变化量。这些特性使其适用于纤维。硅还显示了良好的抗湿度,从而恶化和气候条件的变化非常缓慢[17]。 |
| 标准布拉格纤维相比,光指导在高指数的核心布拉格纤维不是指数低的核心,但在硅芯中部像hole-missing pcf。因为产生的色散光纤几何存在在所有情况下(甚至引导光线在空气中),我们的计划的目的是为了弥补几何纤维分散的材料色散材料对应模式的传播(硅在我们的例子中)。因此,用卓越的色散性质由于布拉格光纤几何,我们可以适当的材料色散补偿硅,然后达到一个很好的控制分散行为。 |
| 多层结构的几何特点是核心半径,rc,低指数层厚度,ra和highindex层厚度、rb。折射率交替n2和n1、n2 < n1。事实上,我们选择了石英的折射率和空气n1和n2,分别。 |
| 半径的核心= 1.15μm。 |
| 空气环的宽度= 0.3μm |
| 固体环的宽度= 0.5μm |
仿真和结果 |
衰减 |
| 衰减是最重要的属性之一的光纤。在长途通信系统中发挥着重要作用。在熔融石英,最小的损失~ 0.2 dB /公里在1550海里(19日2)。内在损失[2]在布拉格纤维用αdB和以dB /公里,可以表示为 |
| αdB = /λ4 + B +αOH +αIR |
| 在哪里 |
| 瑞利散射系数, |
| B:缺陷损失, |
| αOH:哦吸收损失, |
| αIR:红外吸收损失。 |
| 虽然,布拉格纤维的瑞利散射系数几乎是一样传统的纤维,减少粗糙的纤维可以降低瑞利散射系数。OH-absorption主导损失损失和缺陷的损失在布拉格纤维。通过改善纤维的腐蚀和抛光过程会导致减少缺陷造成的损失粗糙度在制造过程中由于划痕。OH-absorption损失是由于哦杂质渗透到布拉格纤维在制造过程中核心区域。脱水过程可以用来减少OH-absorption损失[2]。 |
| 熔融石英衰减~ 0.2 dB /公里的光谱范围1300 - 1600 nm。这种衰减增加而变化的波长短和长波长。波长较短的一侧,它增加由于瑞利散射而在长波长方面,由于声子吸收增加。 |
分散 |
| 布喇格光纤的色散D[20]可以从有效指数计算的基本模式,内夫波长范围使用 |
 (1) |
| 其中c是光速在真空中。 |
| 色散D,也表示为糖尿病和波导色散材料色散,Dw。 |
| D = Dm + Dw (2) |
| 硅的材料色散可以来源于谱石英的折射率。大部分硅的折射率(21、22)可以表示为Sellmeier方程由情商。3和taμble给Ai和李的拟合系数的值。 |
 (3) |
| 图3显示了二氧化硅的分散特性计算从情商。3和表。它是零的波长称为零色散波长(~ 1288纳米二氧化硅)。在这个波长,指数也改变了它与波长不同。更短的波长,指数随波长增加但对波长超过ZDW,波长指数增加而增加。分散D时,低于零,色散是正常色散D是高于零,色散称为反常色散。 |
| 我们有广泛的研究了不同高指数核心布拉格光纤的色散特性的设计。我们希望调整的色散纤维通过操纵多层熔覆的几何形状。总色散,D,可以作为第一近似,材料色散、Dm、几何波导色散,Dg,使用D = Dm + Dw的近似表达式。Dw的评估是由考虑到材料的折射率是波长无关的。因此,对波长的依赖来自纤维几何。固定二氧化硅分散和之间的相互作用可调波导色散允许我们控制这种新结构的色散特性。因为这个原因我们有系统地研究了依赖Dw的几何参数,rc, ra和rb。我们跟随这一设计过程是基于上述近似表达式为D,可以获得近似值rc, ra和rb提供所需的恒定的色散剖面。,然后从近似值rc,风湿性关节炎,rb,我们可以调整这些参数来获得预期的分散行为。使用这个过程,我们研究了不同silica-air光纤的色散特性设计ZDWμm周围850海里和1.55。 We would like to emphasize that all results refer to the fundamental mode. |
| 图4显示了折射和组指标,群延迟,和材料,波导和总色散高指数的核心布拉格纤维。由于连续和快速减少模态指数低于700纳米纤维作为显示在图4 (a),光纤色散的增加迅速,该集团指数迅速下降。零色散波长,指数和群延迟改变它们与波长不同的方式(图4 (a)和(b))。光纤中零色散波长是设计(ZDWs)约1.55 0.8μmμm如图4所示(c),这独特的地位的ZDWs纤维使其适用于电信和nontelecom应用程序。经济和紧凑的光学来源也可以在这些波长使整个系统使用这种纤维非常便宜。这Highindex——核心布拉格纤维旨在实现ultraflattened分散行为异常区域。值得注意的是,这种ultraflattened行为是保存在一个大波长窗口扩展几个几百纳米。 |
| 图5显示了模态场监禁的纤维,它可以清楚地看到,光纤单模大多数电场集中在核心区域,只存在一个峰值电场概要文件。由于光纤的单模特性,它是一个潜在的候选人在可见和近红外通信应用的应用程序。 |
有效面积 |
| 有效面积的核心中起着非常重要的作用在决定一个光纤的非线性特性。较低的有效面积是有用的在实现所需的非线性效应在低输入功率。相关的有效面积也可以现场- w,大小2 Aeff =πw2。 |
| 核心Aeff光纤的有效面积,被定义为, |
 (8) |
| 外星人在哪里横向电场矢量和S表示纤维横截面[19]。随着直径的增加通风,模式变得严格限制;这将导致减少有效面积和限制损失。然而,有效面积增加或减少的数量很不敏感的通风眼环而监禁损失显著降低通风眼环的数量增加。 |
| 在布拉格纤维,一个非常高的指数对比可以通过减少核心大小。这把光硅芯和引导模式是强烈的限制。由于核心的高场强,光纤的非线性特性增强。给出了非线性系数γ |
 (9) |
| 2 n是非线性折射率的材料。有效面积Aeff扮演着一个重要的角色在pcf的非线性现象。 |
| 布拉格纤维提供更紧模式约束的可能性比传统光纤由于高硅核心指数差异和air-silica包层,从而有效面积小。图6 (a)展示了光纤的有效面积的变化与波长。有效维护功能配置,因此光纤有效面积的增加迅速增加与波长,同时有效的非线性折射率的二氧化硅也降低(图6 (b))。因此,在上面的波长1.6μm非线性随波长的增加而迅速减小。但在低于1.6μm,非线性折射率以及有效面积高非线性光纤的成为一个潜在的候选人等非线性应用supercontinuum生成和光学参量放大。位置ZDW低于1.6μm添加到纤维是否适合μmμm 0.8和1.55的应用程序。 |
结论 |
| 在这份报告中,我们设计并讨论了色散特性,有效面积的高指数核心布拉格纤维与ultraflattened在反常色散区和dispersion-compensating特征在正常区域。设计纤维周围ZDWsμmμm 0.8和1.55。所有这些特点使纤维适合各种电信和nontelecom应用程序在可见光区域。 |
数据乍一看 |
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引用 |
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