非對(duì)稱性對(duì)光子晶體光纖偏振相關(guān)濾波特性的影響

發(fā)布時(shí)間：2019-12-18所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：基于表面等離子共振效應(yīng)，提出了三種不同非對(duì)稱因素引入的金鍍膜偏振相關(guān)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(guān)濾波傳輸特性.當(dāng)非對(duì)稱纖芯模單獨(dú)作用時(shí)，波長(zhǎng)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(yīng)，提出了三種不同非對(duì)稱因素引入的金鍍膜偏振相關(guān)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(guān)濾波傳輸特性.當(dāng)非對(duì)稱纖芯模單獨(dú)作用時(shí)，波長(zhǎng)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(dāng)非對(duì)稱金屬表面等離子模單獨(dú)作用，且鍍膜厚度為55nm時(shí)，其諧振波長(zhǎng)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(dá)204，鍍膜厚度19.5nm時(shí)其諧振波長(zhǎng)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(dāng)纖芯模和表面等離子模同時(shí)引入非對(duì)稱因素時(shí)，通信波長(zhǎng)1.55μm處y偏振纖芯模諧振強(qiáng)度高達(dá)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(shù)值比較可知，在金屬表面等離子模中或兩種模式同時(shí)引入非對(duì)稱因素，可獲得兩偏振方向偏振損耗比更高的強(qiáng)偏振相關(guān)濾波傳輸特性的光子晶體光纖，該研究對(duì)光子晶體光纖偏振相關(guān)濾波器及相關(guān)偏振器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有一定參考意義.

　　關(guān)鍵詞：光子晶體光纖;非對(duì)稱性;表面等離子共振;偏振相關(guān)濾波;諧振強(qiáng)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(jié)構(gòu)不變并以波長(zhǎng)量級(jí)周期性分布的空氣孔組成，具有傳統(tǒng)光纖難以實(shí)現(xiàn)的傳輸特性，因而受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)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(fā)展，基于微結(jié)構(gòu)光纖器件的研究已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn).保偏PCF[2-4]由于具有較高的線偏振態(tài)保持能力而被廣泛應(yīng)用于環(huán)境穩(wěn)定性較低的偏振依賴光纖通信系統(tǒng)[5-8]、光纖激光器[9]和光纖傳感[10]等領(lǐng)域.隨著光纖填充技術(shù)的快速發(fā)展，通過在PCF結(jié)構(gòu)中填充金屬材料[11-16]、液晶[17]、半導(dǎo)體材料[18-19]等能夠產(chǎn)生新的傳輸特性，為光通信系統(tǒng)中全光纖網(wǎng)絡(luò)向大容量、高速率、低功耗快速發(fā)展開辟了一條新的路徑.在PCF結(jié)構(gòu)中填充或者鍍膜金屬材料，當(dāng)光與金屬相互作用時(shí)，光子在金屬和介質(zhì)界面上會(huì)激發(fā)出一種特殊的表面波，即表面等離子激元(SurfacePlasonPolaritons，SPPs)[20].當(dāng)纖芯模與表面等離子模滿足相位匹配條件時(shí)就能發(fā)生表面等離子共振效應(yīng)，利用其特性可以設(shè)計(jì)出不同類型的PCF偏振相關(guān)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(shù)，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了在PCF空氣孔中120nm金納米線的填充，同時(shí)理論驗(yàn)證了基于金屬表面等離子共振效應(yīng)的強(qiáng)偏振相關(guān)傳輸特性.Zhang.X等人[13]通過采用涂覆法和化學(xué)氣相沉積法在微結(jié)構(gòu)光纖微孔中選擇性金屬鍍膜實(shí)現(xiàn)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(gè)到三個(gè)金屬絲的PCF偏振相關(guān)濾波傳輸特性，發(fā)現(xiàn)存在多個(gè)諧振響應(yīng)波長(zhǎng)但是其諧振耦合器強(qiáng)度偏小.Xue.J.R等人[15]分析了在包層空氣孔中進(jìn)行金屬鍍膜并填充液體，理論實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)1.311μm處y偏振方向纖芯模諧振耦合器強(qiáng)度為508dB/cm，同一波長(zhǎng)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(guān)濾波特性，而波長(zhǎng)1.55μm處諧振耦合強(qiáng)度小于100dB/cm.Kaleque.A[21]報(bào)道了基于方形陣列的橢圓孔金屬鍍膜PCF，獲得了諧振強(qiáng)度為1221dB/cm的強(qiáng)偏振相關(guān)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(zhàn)性，且橢圓孔內(nèi)金屬鍍膜更增加了制作的難度.近期，Li.M等人[22]設(shè)計(jì)了金絲填充的偏振相關(guān)濾波特性PCF，獲得通信波長(zhǎng)諧振強(qiáng)度為330.75dB/cm且兩偏振方向損耗比為175的強(qiáng)偏振相關(guān)濾波特性.另外，基于表面等離子共振效應(yīng)的PCF還可用于光纖傳感器等領(lǐng)域[23].而不同非對(duì)稱因素的引入對(duì)基于表面等離子共振效應(yīng)PCF偏振相關(guān)濾波特性影響的相關(guān)文獻(xiàn)未見報(bào)道.

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

　　1理論模型

　　圖1(a)～(c)分別為在纖芯模引入非對(duì)稱因素、SPPs模中引入非對(duì)稱因素、以及纖芯模和SPPs模同時(shí)引入非對(duì)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(qū)域孔徑為d1的兩空氣孔中進(jìn)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(duì)稱鍍膜孔垂直向纖芯區(qū)域移動(dòng)距離為s，纖芯區(qū)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(dǎo)模有效折射率，促進(jìn)纖芯模和SPPs模的相位匹配，增加兩種模式的諧振耦合強(qiáng)度，從而提高特定波長(zhǎng)處的兩偏振方向損耗比，且諧振響應(yīng)最大半高全寬值(FullWidthatHalfMaximum，F(xiàn)WHM)更小，獲得了通信波段處更強(qiáng)的偏振相關(guān)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(jì)算時(shí)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(gè)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(chǎn)生能量反射，并在最外圍采用散射邊界條件，進(jìn)一步消除外界反射波的影響，從而可以更準(zhǔn)確地模擬出無限空間內(nèi)光波的傳播常數(shù)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(shù)，利用傳播常數(shù)的虛部可計(jì)算出光纖纖芯模式限制損耗，即

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

　　2數(shù)值模擬與結(jié)果分析

　　為了分析非對(duì)稱因素的引入對(duì)PCF偏振相關(guān)濾波特性的影響，當(dāng)纖芯模和SPPs模都無非對(duì)稱因素時(shí)，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(shí)，d1逐漸變大時(shí)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(zhǎng)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(shí)部隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律，其插圖為基階到三階SPPs模的模場(chǎng)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(fā)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(diǎn)，由圖2(b)可知，三階SPPs模式與纖芯模式的相位匹配點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的諧振耦合強(qiáng)度極其微弱，其產(chǎn)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(dāng)SPPs模式和纖芯模式結(jié)構(gòu)都是對(duì)稱時(shí)，兩偏振方向纖芯模式的諧振響應(yīng)波長(zhǎng)重合，降低了兩偏振方向諧振耦合強(qiáng)度之比，不利于單偏振相關(guān)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(qiáng)度逐漸變大，這是由于當(dāng)鍍膜孔外徑越大，金屬鍍膜產(chǎn)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(fā)生諧振耦合，產(chǎn)生更強(qiáng)的諧振耦合強(qiáng)度.隨著d1的逐漸變大，諧振響應(yīng)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，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(shù)不受鍍膜孔外徑的影響.

　　2.1僅在纖芯模引入非對(duì)稱因素的PCF

　　圖3為僅在纖芯模中引入非對(duì)稱因素時(shí)，光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shí)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(shù)，SPPs模由于偏離纖芯區(qū)域而不受d2改變的影響.因此，纖芯模與SPPs模的諧振波長(zhǎng)隨著d2的增大而逐漸分開并向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng).而當(dāng)d2=d=1.4μm時(shí)的兩偏振方向纖芯模諧振波長(zhǎng)重合且與圖2分析一致.由圖3(b)可知，諧振耦合強(qiáng)度隨著d2的增大而變大，且當(dāng)d2=2.56μm時(shí)，在波長(zhǎng)1.55μm處y偏振方向纖芯模與SPPs模發(fā)生了表面等離子共振效應(yīng)，使y偏振方向纖芯模損耗高達(dá)461.58dB/cm，而同一波長(zhǎng)處x偏振方向纖芯模與SPPs模未發(fā)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(guān)濾波特性，實(shí)現(xiàn)了通信波長(zhǎng)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(zhǎng)處未發(fā)生諧振耦合以極低的插入損耗繼續(xù)傳輸?shù)钠�振相關(guān)濾波傳輸特性.除了需要獲得較強(qiáng)的諧振耦合強(qiáng)度以外，較小的諧振響應(yīng)FWHM值是單波帶PCF偏振相關(guān)濾波特性另一個(gè)重要的指標(biāo)參數(shù).僅在纖芯模中引入非對(duì)稱因素時(shí)，諧振響應(yīng)FWHM值為65nm.因此，需要進(jìn)一步降低其諧振響應(yīng)最大半高全寬值，才能獲得更好的PCF窄帶帶阻偏振相關(guān)濾波特性.

　　2.2僅在SPPs模中引入非對(duì)稱因素的PCF

　　圖4為僅在SPPs模式中引入非對(duì)稱因素，即包層兩個(gè)鍍膜空氣孔位置改變對(duì)PCF偏振相關(guān)濾波特性的影響.為了獲得更強(qiáng)的纖芯模式諧振耦合強(qiáng)度，圖4(a)顯示了纖芯空氣孔的引入對(duì)PCF諧振耦合強(qiáng)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(diǎn)隨著纖芯小空氣的引入而發(fā)生了紅移，實(shí)芯PCF的相位匹配點(diǎn)為1.28μm，其對(duì)應(yīng)的諧振耦合強(qiáng)度和FWHM值分別為74.7dB/cm和60nm.與實(shí)芯PCF諧振耦合相比，在纖芯區(qū)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(zhǎng)移至1.33μm，且其對(duì)應(yīng)的諧振耦合強(qiáng)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(jìn)纖芯模和SPPs模的相位匹配，增加了兩種模式的諧振耦合強(qiáng)度同時(shí)降低了諧振響應(yīng)FWHM值.另外，文獻(xiàn)[25]報(bào)道了纖芯引入0.2μm空氣孔滿足PCF拉制實(shí)現(xiàn)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(shí)，包層兩對(duì)稱金鍍膜孔位置不改變(s=0)和向纖芯方向豎直移動(dòng)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(shù)不受鍍膜孔位置改變的影響，而當(dāng)兩對(duì)稱鍍膜孔向纖芯方向移動(dòng)0.4μm時(shí)，在表面等離子模中引入非對(duì)稱因素，產(chǎn)生了非對(duì)稱的兩偏振方向的表面等離子模.圖4(c)顯示了當(dāng)s=0.4μm時(shí)，y偏振方向諧振波長(zhǎng)移至通信波長(zhǎng)1.31μm處，對(duì)應(yīng)的y偏振方向諧振耦合強(qiáng)度達(dá)到了412.91dB/cm;而通信波長(zhǎng)1.31μm處對(duì)應(yīng)的x偏振方向損耗僅為2.02dB/cm，從而獲得了通信波長(zhǎng)1.31μm處兩偏振方向諧振耦合強(qiáng)度比達(dá)到204的強(qiáng)偏振相關(guān)濾波特性的PCF，其偏振相關(guān)耦合強(qiáng)度比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[15]所報(bào)道的通信波長(zhǎng)處僅為25左右的諧振耦合強(qiáng)度比，而且文中所提出的光纖具有更簡(jiǎn)單的端面結(jié)構(gòu)，更適合用于窄帶單偏振相關(guān)濾波器件的研究.

　　為了更進(jìn)一步分析表面等離子模對(duì)偏振相關(guān)濾波特性的影響，分析了鍍膜厚度的改變對(duì)兩偏振方向纖芯模諧振耦合的影響.在圖4的基礎(chǔ)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(shù)，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(diǎn)移至長(zhǎng)波長(zhǎng)處.當(dāng)鍍膜厚度為0.0195μm時(shí)，y偏振方向纖芯模與y偏振方向SPPs模的在通信波長(zhǎng)1.55μm處產(chǎn)生表面等離子共振效應(yīng).由圖5(b)可知，通信波長(zhǎng)1.55μm處，y偏振纖芯模諧振耦合強(qiáng)度達(dá)到536.25dB/cm，相應(yīng)波長(zhǎng)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(dá)101;鍍膜厚度為0.055μm時(shí)諧振波長(zhǎng)1.31μm處y偏振方向諧振耦合強(qiáng)度達(dá)到了412.91dB/cm，對(duì)應(yīng)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(jié)果一致.因此，通過調(diào)節(jié)鍍膜厚度，可獲得不同通信波長(zhǎng)處的強(qiáng)偏振相關(guān)濾波傳輸特性.當(dāng)鍍膜厚度分別為0.055μm和0.0195μm，對(duì)應(yīng)諧振波長(zhǎng)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(duì)稱因素時(shí)產(chǎn)生的諧振響應(yīng)FWHM值，在表面等離子模中引入非對(duì)稱因素能夠獲得更小的諧振響應(yīng)FWHM值.可知，在PCF表面等離子模中引入非對(duì)稱因素能夠形成較好的偏振相關(guān)濾波傳輸特性.

　　期刊推薦：《光子學(xué)報(bào)》是中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主辦并編輯、中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所承辦、科學(xué)出版社出版的學(xué)術(shù)月刊。1972年創(chuàng)刊。宗旨是展示光子學(xué)研究領(lǐng)域的新理論、新概念、新思想、新技術(shù)和新進(jìn)展，反映代表本學(xué)科前沿并具有國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平而為國(guó)際上關(guān)心的最新研究成果。有投稿需求的作者，可以直接與期刊天空在線編輯聯(lián)系。