一种风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤.pdf

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1、第2期杨汉瑞等．一种风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤一种风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤杨汉瑞尚思飞孟杰焦圣喜杨燕(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)摘要为满足化工领域中光纤气体传感器、光纤液位传感器和高功率光纤激光器、放大器的设计需求，提出一种风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤。仿真分析其空气孔间距和空气孔直径对光纤性能参数的影响，结果表明：该光纤能够在1．3—2．0肛m工作波长下进行单模传输，并可获得104pm2量级的超大模场面积，且其有效模场面积随波长的变化呈现出平坦的特性；同时，该新型结构大模场光子晶体光纤具有多零色散点。关键词光子晶体光纤传感器风扇型包层

2、大模场空气孔间距空气孔直径多零色散点中图分类号TQ342+．82文献标识码A文章编号1000-3932(2016)02-0187-04随着对光纤的深入研究与发展，越来越多的新型结构光纤应运而生，其中大模场光纤是解决光纤激光器功率提升时的非线性效应和光纤损伤问题的一种最直接有效的方法⋯。为了确保光纤传输激光的光束质量，大模场光纤还需要具备单模传输特性。然而，传统光纤通常难以同时满足大模场和单模传输特性的要求。光子晶体光纤结构组成特殊，能够在确保激光传输质量的同时，实现单模大模场面积，减少光纤中的非线性效应，提高光纤的损伤阈值。1998年，KnightJc等提出光子晶体光纤是一种制造单模

3、大模场光纤的新方法，并首次拉制出模场面积为380tim2的大模场光子晶体光纤旧J。随后，各种形状结构的大模场光子晶体光纤相继出现，光纤的模场面积得到极大提高，其设计和制备方法也呈现出多样化。2007年，DongL等利用泄漏通道结构获得了模场面积达3160¨m2的光子晶体光纤¨J。2009年，FuL等利用应力诱导低折射率差法分别在波长1．03、1．55斗m处获得了高达17400、316001zm2的模场面积H1。2010年，郭艳艳和侯蓝田"1以及周秦岭等¨1分别设计出了模场面积高达2000p．m2的新型全固态八边形大模场低损耗掺镱石英光子晶体光纤和大模场平顶模场光子晶体光纤；同年，耿鹏

4、程等设计出了一种模场面积高达3703斗m2的掺镱七芯光子晶体光纤川。目前，大模场光子晶体光纤已成为实现高功率能量传输、高功率光纤放大器和激光器的理想光纤结构¨“⋯。笔者设计了一种风扇型包层结构的单模大模场光子晶体光纤，分析了其结构参数对性能特性的影响，以期对特殊光纤的结构设计、制作和应用提供新思路。1结构模型与理论基础笔者设计的风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤结构如图1所示，其中，A表示空气孔间距，d表示空气孔直径。包层为易于制作的、等大的圆形空气孔按等边三角形规则排布而成的区域，缺失中心空气孔处(即中间实心处)为纤芯区。由光纤横截面结构可知，该大模场光子晶体光纤的包层空气孔分布类

5、似于风扇叶，故因此而得名。包层空气孔大小的统一性和整体结构的非对称性降低了光纤熔接耦合的难度。使焊接机的选取更为宽泛。图1风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤结构收稿日期：2015-07-20基金项目：吉林市科技发展计划项目(20156404)；东北电力大学博士科研启动基金资助课题(BSJXM-201419)188化工自动化及仪表第43卷笔者采用全矢量有限元数值分析方法对所提出的光纤HE。。模特性进行分析，分别研究风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤的有效模场面积、非线性和色散特性与结构设计参数和传输波长的关系。光纤基模的模场分布属于近高斯分布，其有效模场面积A。附。，)为：式中E——电

6、场矢量；S——光子晶体光纤的横截面积。已知光子晶体光纤的有效模场面积，则其非线性系数y咐为：y一=瓦2,n忑-n2(2)式中n：——硅的非线性折射率系数，n：=3．0×10—20m2／W：A——波长。另外，色散特性也是光子晶体光纤的主要性能指标，定义为：“=i≥站董寒蝥巅证波长，“maD：一土塑掣(3)cdA2’’式中c——真空中的光速；D——光纤的色散；Re(n。盯)——光纤有效折射率的实部，可通过数值仿真得到。2数值模拟与结果分析笔者采用有限元法对图1所示的光子晶体光纤进行分析，结果表明，该结构光纤在工作波长1．3—2．01zm内可实现单模传输。然后又分别对该结构光纤的有效模场面

7、积、非线性和色散特性进行了仿真分析与研究。2．1有效模场面积图2所示为不同结构参数的风扇型包层结构光子晶体光纤的有效模场面积随波长的变化关系。从图2a中可以看出，在波长和A／d一定的情况下，光纤的有效模场面积随空气孔间距A的增大而增大；从图2b中可以看出，在波长和空气孔间距A一定的情况下，光纤的有效模场面积随空气孔直径d的减小而增大。波长／ttmb图2不同结构参数光纤的有效模场面积随波长的变化曲线通过调整设计参数，就可以得到不同量级的模场面积，当取A=lO