引言 折射率导光型的多孔光纤一般由石英纤芯以(2)
2013-06-09 01:10
导读：中图例1 对应的曲线表示结合两种非对称结构的多孔光纤的双折射随波长变化情况。由于两种不对称结构产生的符号相反的双折射相互作用，使得双折射随
中图例1 对应的曲线表示结合两种非对称结构的多孔光纤的双折射随波长变化情况。由于两种不对称结构产生的符号相反的双折射相互作用，使得双折射随波长的变化趋于平缓，从而在一定的波长范围内实现拍长值基本不变。在短波长区域，光波能很好地束缚在纤芯进行传播，此时靠近纤芯的大圆孔产生的双折射起到主要的作用，因此双折射为正值。
随着波长的增长，纤芯的束缚能力下降，场量开始逐渐扩散到包层，于是矩形晶格产生的负值双折射的作用逐渐增大。从图中可以看出，虽然双折射值仍然随波长增大，但其斜率却逐渐减小。随着波长继续增大，双折射将到达顶点并开始减小。在双折射逐渐增大并到达顶点的过渡区，一定能找到一段斜率与波长本身的增长率相近的曲线，在相应的波长范围内，多孔光纤就能实现拍长基本不随波长变化。
2 计算结果与优化设计
在所示多孔光纤横截面的四个结构参数中，大孔直径d2 和y 方向晶格间距Λy 主要决定了双折射的变化趋势。为了考察d2 和Λy 的变化对双折射的影响，我们分别计算了d1=1.2μm，Λy=2.6 μm 不变情况下d2=1.3、1.4、1.5 μm 时的双折射以及d1=1.2 μm, d2=1.4 μm 不变情况下Λy =2.5、2.6 and 2.7 μm 时的双折射，分别如所示。由于本文中矩形晶格是通过拉伸y 方向间距获得，因此x 方向间距Λx 固定为2 μm。
从中可以看出，在其他结构参数保持不变的条件下，双折射值及其变化率都随着大孔直径的增大而上升，最大双折射点所对应的波长也逐渐增大。这表明d2 的增大能提高大孔产生的正值双折射。另一方面，则表明增大y 方向间距能使双折射曲线呈现出相反的变化趋势，即Λy 的增大加强了矩形晶格长生的负值双折射。由此可见，通过改变d2 和Λy中任何一个参数就能控制双折射的变化规律，从而使拍长在所需的波段内实现良好的平坦效果。若希望在长波长区域获得稳定的拍长，可以通过增大d2 或者减小Λy 来实现。
进一步分析发现，同时调节d2 和Λy 的值不仅能在设定的波段内实现拍长的波长不敏感性，还能根据实际需要改变拍长值的大小。通过优化d1、d2 以及Λy 三个参数，我们分别在1310 nm 和1550 nm 两个波长窗口获得了中心拍长恰好为10 mm 的两条拍长曲线，如所示，两组结构参数如表1 所列。以优化1310 nm 的拍长曲线为例，首先通过同时调节d2 和Λy的值获得了两组在1310 nm 波长窗口具有稳定拍长的结构参数，分别为d1=1.15 μm、d2=1.62μm、Λy=3.06 μm 以及d1=1.15 μm、d2=1.54 μm、Λy=3.02 μm。第一组参数下中心拍长值为8.76mm，略短于10 mm，第二组参数下中心拍长值为11.46 mm，略长于10 mm。以上两组参数确定了d2 和Λy 的优化范围，d2 在1.54－1.62 μm 之间，Λy 在3.02－3.06 μm 之间。在各自的优化范围内同时调节d2 和Λy 的值，一方面使中心拍长值进一步趋近于10 mm，另一方面必须确保波段内拍长的稳定性。最后调节d1 使中心拍长恰好等于10 mm。
传统的块状光学波片通常以相移误差2π/300 作为带宽容限。将优化之后的多孔光纤截取1/4 拍长长度制成四分之一光纤波片，两组光纤波片在各自的波段内对应的工作带宽分别为170 nm 和190 nm，相对带宽大于12％，是普通零级光学波片的3 倍。考虑到两组多孔光纤的1/4 中心拍长长度为2.5 mm，在工艺上截断这样长度的多孔光纤制作光纤波片是可以操作实现的。
理论设计所得的三个结构参数的值都精确到了10－3 μm 以上，考虑到光纤制作工艺过程中产生的结构误差，在表1 中1310 nm 波段对应的结构参数基础上，我们分别计算了d1、d2以及Λy 存在误差时拍长曲线的变化情况。表2 列出了不同相对误差条件下1310 nm 处的拍长值及对应的光纤四分之一波片的工作带宽。
