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1、物理学报Acta PhysSinVo163，No7(2014)074210 1550 nm低损耗单模全固态光子带隙光纤研究术 程兰 罗兴 韦会峰 李海清 彭景刚 戴能利 李进延十 (武汉光电国家实验室，武汉430074) (2013年10月10目收到；2013年11月26日收到修改稿) 全固态光子带隙光纤由于其独特的带隙和色散特性以及易于和传统光纤熔接的优势，引起了国内外研 究人员的广泛关注本文采用等离子体化学气相沉积工艺结合堆叠拉制法制备了全固态光子带隙光纤，并运 用频域有限差分法模拟了其损耗和色散特性该光纤1550 nm处有较低损耗且单模传输，计算得到1550 nm 处的有效模场面积和色散
2、分别为19181 m。和16418 ps(kmnm)，在测试范围1500-1650 niil内损耗小于 O15 dBm结合实验结果，对光纤参数做了进一步模拟优化 关键词：全固态光子带隙光纤，光子带隙，损耗 PACS：4270Qs，4281Cn，4281Dp DOh 107498aps63074210 1引 言 全固态光子带隙光纤【 】fallsolid photonic bandgap fibers，ASPBFs)以其独特的光学和结构 特点成为研究热点典型的全固态光子带隙光纤 由高折射率棒嵌入到均匀背景材料中构成，纤芯为 周期结构中心缺陷【2j由于其不含空气孔或存在 少量空气孔，具有容易拉制并
3、进行结构参数精确 控制的特点相比空芯光子带隙光纤3JASPBFs 避免了表面模 的存在、易于与传统光纤熔接、容 易实现增益掺杂目前ASPBFs己用于激光器、 放大器5-8以及光纤光栅9-13等领域中利用 ASPBFs特有的带隙和带隙内色散特性，可根据 实际应用需要产生特定波长范围内的超连续谱输 出141 61 早期对全固态光子带隙光纤的研究显示，虽然 高阶带隙相对于低阶带隙有较低的限制性损耗，但 高阶带隙弯曲损耗比较大，对变形比较敏感，窄化 传输窗口17由于低阶带隙具有相对较大的带隙 宽度，因此设计具有低的限制性损耗和弯曲损耗且 工作在低阶带隙的全固态光子带隙光纤具有极大 国家自然科学基金(批
4、准号：81100701)资助的课题 t通讯作者Email：ljymailhusteducn 2014中国物理学会Chinese Physical Society 的研究意义 本文制备了第一带隙中心在1600 nm的全固 带隙光纤，从模拟计算和实验测试两方面研究了 光纤的性能结合工艺的可行性，通过理论模拟对 光纤参数进行了优化，为1550 nm低损耗、宽带宽 单模全固态光子带隙光纤制备提供了实验和理论 依据 2光纤的制备与性能 采用等离子体化学气相沉积工艺fPlasma Chemistry Vapor Deposition)制备高掺锗预制棒 折射率分布如图1，其折射率分布为渐变型，掺杂 区相对纯
5、硅背景的最大折射率差为00367，掺杂区 直径与整个预制棒直径的比值为034在拉丝塔上 拉成1 mm左右的毛细玻璃棒18，将毛细玻璃棒堆 积成六边形，中心棒用纯二氧化硅玻璃棒代替，之 后套上套管在拉丝塔上拉丝、涂覆得到ASPBF19】 图2为光纤的电子显微镜图，光纤包层由五层 高折射率棒组成，外径为125 m，在光纤拉制过 程中高折射棒直径与高折射率棒之间间距的比值 dA与掺杂预制棒的占空比近似保持不变，即为 0742101 Mtp：wulixb咖hyaccn 物理学报Acta PhysSinVo163，No7(2014)074210 034，从电子显微镜图读出高折射率棒之间的间距 以为887
6、 pm，与预汁的尺寸基本一致 懈 甚 i 预制棒折射 棼剖 图2 ASPBF的电镜扫描图 21光纤特性模拟 利用频域有限差分20,21】ffinitedifference frequencydomain，FDFD)法结合完美匹配层【 0】 (perfectly matched layer，PML)边界对光纤进行 模拟取背景折射率1457，为了简化计算用阶跃 折射率剖面代替渐变折射率剖面，掺杂区与背景材 料的折射率差An取24，其他参数与制备的光纤 一致，计算得到光纤的复有效折射率和光纤的模场 图依据复有效折射率的实部(， ffc。 。)与波导色散 的关系为 。 ：一 百02effcore， C
7、 可以计算出波导色散，将光子晶体光纤的总色散D 写成材料色散D 和波导色散D 两部分 ： D=D +D (2) 对于熔石英光子晶体光纤而言，材料色散D 由 Sellmeier公式24】来求，即通过(2)式可以求出光纤 的总色散依据复有效折射率虚部(n。iffc)与限制 损耗(CL)的关系25】为 CL(dBkm) 2 8686i000n ffco 。 ， 、 一 一 。 可以计算出限制损耗，f3)式中 的单位是n1 全固态光子带隙光纤的导光机理一般用反 谐振反射式光波导fantiresonant reflecting optical waveguide，ARROW)模型【2(；】来解释该模型表
8、 明：当在某一波长处包层高折射率棒支持新的模 式，在该波长处光纤有较大的传输损耗因此可以 通过计算光纤中高折射率棒的截止波长近似计算 全固态光子带隙光纤的带隙位置，计算得到本文 中光纤包层高折射棒线偏振LP模式截止波长 】如 表1从表l可以看出前三个带隙波长范围分别为 1293 nm；。1，f790 nln；1293 nm和590 nm；750 nln 表l 高折射率棒截止模式(z和”z分别为角向和径向模式标号) T 基 耀 墅l 磊 拦 图3 (网刊彩色)计算得到的限制损耗和20 mASPBF的归 一化传输谱(插图为1550 nln处基模HE11的模场分布图) 模拟前三个带隙的特性发现第一带
9、隙和第二 带隙只能限制住基模HE11，第三带隙除了限制住 基模以外还可以限制二次模光纤基模的限制损 耗如图3中黑线所示，前三个带隙的低损耗峰分别 0742102 物理学报Acta PhysSinVo163，No7(2014)074210 在1630，1020和660 nm附近，1296和790 nm附近 第一、二带隙截止，该结果与利用反谐振反射式光 波导模型近似计算的带隙边界一致1550 nm处基 模HE】1的模场分布如图3插图，虽然有部分光进 入了纤芯周围的六个高折射棒中，但绝大部分的光 还是被限制在低折射纤芯中，计算得到其有效模场 面积为19181 pm2660 nm处的二次模的模场分 旨
10、 皇 搴 箍 姐 布和横电场图如图4其中(a)，(b)，(C)，(d)为模场 图，(e)，(f)，(g)，(h)分别为(a)，(b)，(c)，(d)所对应 的横电场图，计算得到光纤模式与文献f27，28中 略有区别，只能从(e)，(f)判断出(a)，(b)分别对应 着TE01模和HE21模，而从(g)，(t1)不能判断出(c)， (d)分别为何种模式，我们猜测原因是模式进行了 重新组合 ， 一， ， ， ， ， 图4 (网刊彩色)660 niil处LP1 l模场分布和横电场图(上排为模式图，下排为上排对应的横电场图) 图5 (网刊彩色)色散图(黑线表示总色散，红线表示波 导色散，蓝线表示材料色
11、散) 光纤的色散如图5所示，在带隙的边缘有效折 射率变化很快，因此在每个带隙的短波边会出现极 大的正常波导色散，而长波边会出现极大的反常波 导色散石英材料零色散点127 pm，靠近第二带 隙的长波边，第一带隙材料色散为反常色散，第三 带隙材料色散为正常色散，加上材料色散使得第一 带隙总色散的零色散点相对于波导色散向短波方 向移动，第二、第三带隙总色散的零色散点相对于 波导色散向长波方向移动三个带隙总色散的零色 散点分别为735，1074和1494 nm，在1550 nm处光 纤的总色散为16418 ps(kmnm) 22光纤测试 我们使用光予晶体光纤宽带超连续光源，测试 了ASPBF的传输谱，
12、测试光纤长度为20 H1为了 去掉高折射率棒中的包层模式，在测试光纤的两端 都熔接了05 H1的单模光纤，输出端通过光谱仪进 行数据采集，光谱仪采集数据的步长为2 nIn将测 试传输谱和模拟的损耗谱进行对比，归一化传输谱 如图3蓝线所示，从500到2400 nn波长范围内在 660，1000和1600 nYll附近存在有三个明显的传输 带，1600 nm处的传输带比较宽，直到1530 nm还 能保持高效的传输，模拟和测试结果相当符合 为了进一步研究1550 nm附近的传输性能，采 用截短法测试100m光纤的损耗谱如图6在测试 范围1500-1650 Flm内损耗小于015 dBm，损耗 随波长
13、增加呈减小趋势损耗的进一步减小可以通 过改进制作工艺 如增加酸洗和烘干等工艺，从而 减少杂质吸收，在制作预制棒时尽量选取外径一致 的玻璃棒，以避免光纤结构缺陷带来本征损耗在 测试范围15O0 1650 nIi1，光纤绕一圈f弯曲半径 10 mm)，引起的宏弯附加损耗小于01 dB，和常规 通讯光纤相当，可见光纤的抗弯曲的性能比较好 0742103 物理学报Acta PhysSinVo163，No7(2014)074210 I 吕 拦 图6 1550 nm附近的损耗谱 3光纤参数优化 ASPBFs带隙的宽带和位置不随高折射率棒 层数的变化而变化，光纤损耗随着层数的增加而减 小29计算得到当高折射
14、棒层数增加到六层和七 层f其他参数与前面的模拟一致)时第一带隙的限 制损耗如图7，对比包层只有五层高折射率棒时的 计算结果，可以看出当包层层数增加时限制损耗显 著减小，当高折射棒层数增加到六层或者七层时， 带隙的低损耗峰附近600 nm的范围内损耗比五层 时的损耗4和024小由于增加高折射棒的层 数基本上不会增加制作工艺的难度，采用这种方式 能有效的降低光纤损耗 羞 蠢 垂 图7 (网刊彩色)高折射率棒层数不同时的限制损耗 ASPBFs的带隙位置由高折射率棒性质决定， 增加高折射棒的折射率和尺寸都会使带隙红移3o 为了使光纤的带隙中心更接近1550 nm，可以降低 高折射率棒的折射率或者减小高
15、折射棒的尺寸考 虑到光纤拉丝过程中尺寸的控制比预制棒制作过 程折射率分布的控制要容易，采用了减小高折射棒 的尺寸的方法计算得到微调高折射率棒直径时限 制损耗的变化f图8)计算时采用两种材料的折射 率和高折射率棒之间的间距与前面的计算过程一 致，高折射率棒层数取五层，高折率棒直径分别为 302，296，290和283 pm其中302 m是开始计 算光纤特性时的参数虽然高折射率棒直径变小会 使光纤的纤芯相对变大，但模拟过程中光纤在第一 带隙始终保持基模传输，可以看出随着高折率棒直 径的减小，低损耗中心移向短波边，低损耗中心的 损耗减小当高折射棒直径取283 pm时，低损耗 中心在1550 nm 昌 磊 图8 (网刊彩色)高折射率棒直径不同时的限制损耗 4结 论 本文制作了第一带隙中心在1600 nm附近的 全固带隙光纤，模拟计算和实验测试结果都表明该 光纤在1550 rliTl处损耗比较低，在第一带隙该光纤 只能传输基模，1550 nm处的有效模场面积和色散 分别为19181 pm 和16418 ps(kmnm1，模场面 积比通讯单模光纤大，色散相当根据模拟计算结果 对结构参数参数进行优化，增加高折射棒层数到六 层或者七层，其带隙中心损耗分别低于五层的4 和024，当掺杂区与背景材料的折射率差An为 24时，为了使光纤
