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1特性分析
1.1耦合特性
光在两个纤芯中传播,其能量随着传输距离的变化而在两纤芯间周期性地转移,光传输的过程即为能量转移的过程。由模式耦合理论可知,双芯光纤耦合特性、耦合强度的强弱及变化规律可以用耦合长度来表示,耦合长度越短,耦合效应越强;耦合长度越长,耦合效应越弱。耦合长度定义如下:βie-βio=λ2nie-nio,i=x,y,式中,βie、βio和nie、nio分别为i偏振方向上偶模和奇模的传播常数和有效折射率,且nie=βie/k,nio=βio/k,k=2π/λ,λ为真空中的波长。本文设计的混合导光型双芯PCF的耦合长度随波长的变化关系如图3所示。从图中可以看出,x和y偏振方向上的耦合长度变化趋势一致,且y偏振方向上的耦合长度始终大于x偏振方向上的耦合长度;在中心波长处,两个方向上的耦合长度存在极大值,且极大值点相同;耦合长度随波长的变化而发生变化,在极大值的右侧表现为单调下降特性,在极大值的左侧表现为单调上升特性;y偏振方向上的耦合长度最大为440!m,x偏振方向上的耦合长度最大为410!m。由耦合长度可知,本文设计的混合导光型双芯PCF具有较短的耦合长度,因此,耦合效应较强。
1.2色散特性
光信号以不同频率成分进行传输,在传输过程中会引起光脉冲展宽和信号畸变,即色散,从而影响光传输的距离。在长距离传输中,需增加中继器来弥补色散带来的影响。不仅如此,色散对参量放大、孤子传输和超连续谱的产生等也会有重要影响。色散主要分为波导色散、材料色散和模式色散。本文忽略材料色散,只研究波导色散,其表达式如下:D=-λc·d2neffdλ2,式中,c为真空中的光速;λ为波长;neff为基模的有效折射率。色散随波长的变化关系如图4所示。从图中可以看出,混合导光型双芯PCF具有大负色散特性,色散斜率相对较大;在波长λ=1.35μm处,色散为-3000ps/(km·nm),在带隙范围的边缘处,该混合导光型双芯PCF限制光传输的能力不强,泄漏到包层中的能量越多,其色散值也越大。利用此特性可以制作出色散补偿光纤和大负色散光纤,对色散研究具有一定的指导意义。
2光器件研究
2.1定向耦合器
利用双芯PCF制作的用于定向传送和分配光信号的无源光器件称为定向耦合器。在定向耦合器中,光以一定的初始功率输入到输入端,然后沿着纤芯A和纤芯B传输,当光传输到输出端口时,在两个输出端口消光比分别为PA/P0=cos2(CL),PB/P0=sin2(CL),式中,PA和PB分别为端口A和端口B的输出功率;P0为输入端口的总功率;L为耦合长度;C为耦合系数,且有C=(βe-βo)/2=k(ne-no)/2;"e、"o和ne、no分别表示为偶模、奇模的传播常数和有效折射率;k=2π/λ为自由空间波矢数;λ为真空中的波长。利用该混合导光型双芯PCF制作的定向耦合器,在波长1.55!m时的归一化传输能量如图5所示。由图可知,当耦合区域长度为204!m时,耦合器的消光比为50%,光在两个纤芯传播的能量各占50%;当耦合区域长度为408!m时,光能量由一个纤芯全部转移到另外一个纤芯。因此,可以通过调节光纤的长度来定向调节消光比,从而可以制作成消光比可调的定向耦合器。
2.2波长选择器
根据混合导光型双芯PCF的耦合特性,本文设计的光纤可以制作成具有两种功能状态的波长选择器,其工作原理如图6所示。图中,实线和虚线分别表示高折射率柱的有效折射率n2为1.65和1.62时,x偏振方向上的耦合长度随波长的变化关系。由耦合特性分析可知,在带隙范围内,耦合长度不是单调变化的,存在极大值,在极大值两侧先表现为单调上升特性,后表现为单调下降特性,因而存在两个不同的波长使耦合长度相同。当n2为1.65时,存在两个波长1.471和1.655μm,使该光纤的耦合长度为400μm,把此时的工作状态记为S。将波长为1.471和1.655μm的光波同时从输入端口输入,则它们的耦合长度相同;对于任意长度的耦合器而言,两个波长的光波在输出端口的分光比都相同,从而实现了双波长等分光比选择器功能。当n2为1.62时,由于光子带隙向短波长方向移动,在波长为1.471和1.655μm处,耦合器的工作状态由S转变为S1和S2,对于S1和S2两种状态,两个波长对应的耦合长度不再相等,分别为Lc1和Lc2。当耦合器长度L=mL=nLc2(m,n为奇偶相反的两个正整数)时,如果两个波长的光波由同一个端口输入该耦合器,则两个波长的光波将会在两个不同的端口输出,完成波长分离的功能;如果两个波长的光波由两个不同的端口输入该耦合器,则两个波长的光波将会由同一个输出端口输出,完成波长合波的功能,处于S1和S2状态下的耦合器是一个双波长的波分复用或解复用器。
3结束语
本文在模式耦合理论和仿真的基础上,通过分析混合导光型双芯PCF的耦合特性及色散特性得知,本文设计的混合导光型双芯PCF具备良好的耦合特性和大负色散特性;可以通过调节光纤的结构参数,如孔间距Λ、包层气孔直径d、大空气孔直径d1和高折射率柱的有效折射率等来调节光纤的耦合特性和色散特性;基于混合导光型双芯PCF制作的定向耦合器和波长选择器,对于光器件的研究具有重要的意义和实用价值。
作者:肖颖 董传培 单位:重庆金美通信有限责任公司