光纤光子及光器件研究
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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