椭圆孔式光子晶体光纤光栅写入特性研究

中北大学　山西省光电信息与仪器工程技术研究中心　　王冠军　谭绪祥　王志斌

椭圆孔式光子晶体光纤光栅写入特性研究

中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心王冠军谭绪祥王志斌

针对当前周期性气孔分布的光子晶体光纤写入光栅时的写入场分布不均匀及高写入散射损耗等不足，本文提出一种用于写入光纤光栅的大椭圆孔式光子晶体光纤结构。当利用该新型结构光纤写入特定的光栅时那，激光束可以高效地通过该椭圆孔包层区域入射到纤芯区域，实现高效率的光纤光栅写入的目的。

光子晶体光纤；光栅写入；椭圆孔；液体填充

1　引言

光纤光栅器件在光通信和光传感领域具有重要作用［1，2，3，4］。光子晶体光纤光栅（photonic crystal fibergrating，PCFG）是一种最新问世的光栅类型［1，2，3］。相比于单模光纤光栅，PCFG具有较宽的反射峰，调整范围宽、可控变量多、易于设计等众多优势。

当前，PCFG的理论分析及制备方法是科研工作者的关注热点［2］。但是，光子晶体光纤内部周期性气孔使得光栅写入时产生了强烈散射，一定程度上影响光栅写入效率与写入质量。目前研究人员也提出一些改进方法，诸如周期性气孔一定数值的折射率匹配液、利用旋转角度写入光栅、缩小周期性分布的气孔参数等。但上述方法也存在诸如填充时间过慢、依赖于特定写入角度或光纤参数、改善效果有限等不足。

针对光栅写入时产生的写入场分布不均匀、高散射损耗问题，本文提出一种新型的光子晶体光纤结构。其特点是用一大椭圆形气孔代替部分小气孔。写光栅时，激光会通过椭圆孔区域传输到纤芯。此结构可以降低由于小气孔产生的散射损耗。若将适当折射率值的液体填充至椭圆型气孔，该液体填充的椭圆孔可将光束聚焦至纤芯区域，起到类似会聚透镜作用。这有助于增强光栅写入效率、改善纤芯区域的写入场分布，增强光栅写入质量。与单模光纤和周期性光纤相比，本文研究结果表明该新型椭圆孔式光子晶体光纤结构写入效率分别是其写入效率的2.4倍和3.4倍，并且若缩小光纤纤芯半径，该倍数还有可能继续提高。

2　仿真建模

仿真分析商用软件OptiFDTD，仿真所用光纤参数借鉴了 ESM-12-01型号光纤。写入波长设定为1550nm。折射率匹配液参数借鉴Cargille Laboratories，Inc产品。为了简化模型，本文仿真过程不考虑光纤外侧面散射损耗、匹配液光吸收损耗、纤芯掺杂区域光吸收损耗的影响。在此基础上，本文研究了椭圆孔结构、匹配液折射率与光子晶体光纤光栅写入效率、写入质量的具体关系。

图1　提出的光子晶体光纤光栅结构图

图1（a）是本文设计的单椭圆孔光子晶体光纤结构图。其特点是存在一个较大的椭圆型气孔。这样，在写入光纤光栅时，激光束散射程度有可能会大幅度降低，进而实现较高的光栅写入效率。另外，当椭圆型气孔填充高折射率液体时，椭圆型气孔可以聚焦写入光束，效果类似于微透镜。此时调整液体折射率值，就相当于改变光束会聚焦点和会聚程度。若设置恰当的折射率，自然可将焦点调整到纤芯区域，从而进一步改善写入场分布，提升光纤光栅的写入效率值。并且新光纤结构仍有大部分微小椭圆孔，这可能使得新型光纤仍具有比较灵活的特性设计潜能。

论文设定光纤参数如下：光纤纤芯半径R分别为6？m、4？m和2？m；椭圆型气孔长轴和短轴半径为25？m、12？m；小孔半径1.84？m；小孔间距8？m。光纤基底材料设定为二氧化硅，其在1550nm光波长时的折射率是1.444024。高斯光源参数可借鉴高斯光传输公式。时域均一的高斯光对应的辐射度可表示为

式中，E为高斯光束电场分布；ω（z）设定为电磁场振幅降到轴向最大强度值1/e处的光斑半径；ω0=ω（0）为激光的束腰宽度；设定的光源半高半宽设为40？m，设定的光束距离光纤纤芯60？m。

3　仿真结果及分析

下面首先分析了调整填充液体折射率值时的写入光束能量分布及变化情况。从图2可以看出，当n等于1.444024RIU（即二氧化硅材料折射率时），光纤结构等效于无椭圆孔。此情况下，高斯光束中心部分在经过椭圆型气孔后未发生明显改变，相反高斯光束两侧区域受到气孔结构的影响，会发生一定程度的散射。而当设定填充的流体折射率为1.55RIU时（如图3所示），椭圆孔作用将类似于一个微聚焦透镜，高斯光束在纤芯掺杂区域后面有一焦点。分析认为是由于液体折射率和基底材料的区别还不够明显，使得焦距响应较长。考虑到增加液体折射率和基底材料的差别可以缩小微透镜焦距。图4设定填充液体折射率值为1.58RIU，可以看到此情况下光束焦点已经后移至纤芯掺杂区域中心。此情况下，高斯光束能量高度集中在纤芯区域，这将有助于提高光纤光栅写入效率。从图4中也可以看出纤芯最大峰值能量密度也由1.55RIU时的0.06上升至0.076，这有助于同时提高写入光束的峰值能量密度。此处0.06和0.076为任意单位，为相位值。而由于会聚光束能量大部分分布在纤芯的中心部位，所以若缩小纤芯半径，写入效率与能量密度还可以继续增加。若进一步调整液体折射率至1.70RIU（如图2（d）所示），椭圆孔所产生的等效微透镜焦距则进一步缩小。在图5中，会聚点已过纤芯。此情况下，离焦的纤芯区光强略有下降，但是优点是光场分布相对均匀，这有利于优化纤芯区域场分布的均匀性。

图2 n=1.444024R IU时光栅写入效果

图3 n=1.55RIU时光栅写入效果

图4 n=1.58RIU时光栅写入效果

图5 n=1.70RIU时光栅写入效果

在上述分析基础上，本文对于纤芯掺杂区域的场分布进行面积分，所用到的积分公式如下：

图6初步分析了调整液体折射率时对写入场能量的改善效果，可知光栅写入效果与填充的液体折射率密切相关，设定纤芯半径是6μm、同时注入液体折射率是1.444024RIU时（等于二氧化硅材料），场分布面积分值达5.7e-13AU。填充液体折射率值为1.55RIU时，场能量达9.7e-12（AU）。显示由于椭圆孔的聚焦效果增强了光栅写入效率。而当填充液体折射率值为1.55RIU时，场强最大值为1.03e-12（AU），之后增加液体折射率值时场分布面能量积分值反而开始降低。当折射率高于1.8RIU时，该场分布面积分值低于6.76e-13（AU）。表明此情况下光栅写入效率改善效果十分有限。

图6　纤芯区域能量和光栅写入效率分析

本文同时也分析了周期性气孔PCFG、单模光纤光栅的写入效果，所用到的光纤结构参数与最后，本文也研究了椭圆孔长轴参数对写入效率的影响。将椭圆孔长轴半径从25μm缩小至20μm，所得到的写入场面积分值和流体折射率之间的关系如图7所示。可知当椭圆长轴半径为20μm时，写入场面积分值最高情况所需的流体折射率值已移至1.70RIU。分析认为，改变椭圆孔结构等价于变换微透镜曲率，从而导致焦距位置发生变化。所以调整椭圆孔参数后，将焦点调整值纤芯区域所需的液体折射率值相应变化改变。最终需要结合具体光纤椭圆孔结构来选择合适的填充液体。

上面相同。分析数据表明，纤芯半径为6μm、4μm或2μm时，周期性气孔型光子晶体光纤最大能量值积分分别为 3.0211e-13、1.2689e-13、1.5756e-14。单模光纤写入场总能量分别为4.2208e-13、1.8859e-13、4.7230e-14。在纤芯半径为6μm时，本文提出的新型光纤的光栅写入效率将是单模光纤光栅和周期性光纤光栅写入效率的2.4倍和3.4倍。另外也可以看出，缩小光纤纤芯半径，写入效率倍数可继续提高。所以，本文提出的椭圆孔型光子晶体光纤对提高写入能量场峰值功率密度和光栅效率有很大作用。

图7　不同椭圆参数时的写入场分布对比

4　总结

针对光子晶体光纤光栅写入过程中的写入场分布不均匀、高散射损耗问题，本文提出一种新型的光子晶体光纤结构。该新型光纤结构有助于降低散射损耗。而当椭圆气孔加入适当的液体匹配液时，该椭圆孔也可以起到会聚透镜的作用，这有助于继续增强光栅写入效率。与单模光纤和周期性光纤相比，本文研究结果表明该新型椭圆孔式光子晶体光纤结构写入效率分别是其写入效率的2.4倍和3.4倍，并且若缩小光纤纤芯半径，该倍数还有可能继续提高。

本研究得到了国家青年基金（61405127）、山西省青年基金（2014021023-1）、国家博士后基金（2014M562202）的资助。

［1］张春书.光子晶体光纤填充和光子晶体光纤光栅的研究［D］.南开大学博士学位论文，2012.

［2］朱涛.特种长周期光纤光栅基础研究［D］.重庆大学博士学位论文，2008.

［3］刘耀辉.光子晶体光纤光栅传感特性的研究［D］.南京邮电大学博士学位论文.2011.

［4］徐中南.光纤光栅特性和光子晶体光纤熔接损耗研究［D］.国防科技大学博士学位论文，2011.

百科

国家自然科学基金青年项目（No.61405127），山西省青年基金 （No.2014021023-1），国家博士后基金（No. 2014M 562202）。

王冠军，1983出生，博士，讲师，硕士生导师，研究方向：光纤传感。