不同结构参数对双芯光纤耦合特性的影响

不同结构参数对双芯光纤耦合特性的影响

杨鹏

杨鹏

天元瑞信通信技术股份有限公司陕西西安710075

摘要：如今，整个社会正朝着信息化的方向飞速发展。现在已有的网络正向超高速率、超大容量全光网络发展，因此，当下光通信网络中的重要组成器件急需提升。而光子晶体光纤，是目前最热门的研究方向。光子晶体光纤所具有的种种优点让它的价值远远超越传统光纤，本文从4个参数方面介绍了其对双芯光纤耦合特性的影响。

关键词：双芯光纤耦合、光纤耦合器、耦合

1光纤耦合器和耦合模理论

光纤耦合器，是一种无源器件，目前在光纤传感、光信号处理、光纤测量技术、光通信系统等等技术中经常被使用的基础器件。在光纤耦合器问世以前，还有一种名为波导耦合器的器件，长时间以来由于它的制作过程比较复杂，因此成本比较高，再加上损耗大和耦合效率比较低，光纤耦合器的出现大大改善了这些缺点，从而很快成为耦合器中的主流。

现在已经研发出来的耦合器有保偏光光纤耦合器（包括透镜式、抛光型），这种耦合器随着多年的发展，对它的设计水平不断进步，结构不断改进，制作生产能力越来越强大，因此这种耦合器的性能也越来越好；此外，还有可调光子晶体光纤耦合器，通过采用两根侧面抛光光纤来控制耦合率；光纤光栅耦合器（包括有融合、分离式），是一种把两种技术（光纤光栅、耦合器）相互结合所成的，它同样损耗比较小且前景很广；塑料光纤耦合器、混合波导耦合器等等。

耦合模理论，是为了研究两个以及多个电磁波模式之间耦合的一般规律，换句话说，它研究的是两个或多个波动之间耦合的普遍理论，耦合即可以发生在同一波导（或腔体）中的电磁波模式之间，也可以发生在不同的波导（或腔体）的电磁波模式之间。一般情况下，耦合发生在同一类波动之间，但也可以发生在不同类型的波动之间。

对于光子晶体光纤来说，由于它具有很多优秀的基因，因此常常在此基础设计双芯的光子晶体光纤作为耦合器并广泛使用，在这种双芯光子晶体之中，也具有模式耦合理论，展示一种普通的双芯光子晶体光纤的截面图，这里面的双芯相当于在这个平面里面的两个具有平行位置关系的光波导，在这之中，存在着模式耦合作用。在A芯处，如果有一束光射入并产生能量时，B芯同时也会受到A芯的影响，影响主要体现在B芯的模场分布会受到A芯传输的模场能量的影响，如果在B芯处有光源射入，同样产生能量，并且会反过来影响A芯，具体的影响与之前B芯受到的影响的原因相同，B传输的能量会影响A芯的模场分布，这种相互影响的情况出现就称为双芯光纤的模式耦合。

如果在A芯与B芯之间的间距特变小的情况下，它们就会产生弱耦合形式的模式耦合，当弱耦合发生时，不会影响光场的分布和传播，只会对振幅产生一定的影响。在双芯光子晶体光纤中，如果要出现比较强的耦合，则需要增大耦合系数和耦合长度，耦合长度是决定耦合强度至关重要的因素。

2正六边形光子晶体光纤的初步设计

在光子晶体光纤中，利用所设计的双芯光纤，在两个掺氟芯区外面一圈，各有6个小空气孔将它们两个包围，这6个小孔构成了外面的包层结构，从而可以将进入的光能量限制在这个结构范围内，在以石英材质（折射率n1=1.45）为基地，在最中间区域设计一个椭圆，长轴为0.4*6μm，短轴为0.15*6μm，在椭圆的上下各有一个掺氟低折射率芯区（折射率n2=1.3942），整个背景材料上有周期型排列空气孔的包层，设定孔间距为6μm，空气孔直径为2.4μm，所设计的正六边形光子晶体光纤的截面结构图，其有限元法网格。

通过Comsol对其进行模式分析，通过仿真计算，可以看出所设计的双芯光纤的能量分布集中在两个掺氟的芯区周围，并且集中能量的两个芯区的距离比较分散。

接下来，我即将通过改变所设计的光纤中的基本参数，比如改变孔距pitch，小孔的直径d以及最中间椭圆型小孔的长轴、短轴的长度等参量，来分析一下在设定几组不同的参数情况下对双芯光纤耦合特性的影响。

3不同的孔间距pitch对耦合特性的影响

在目前的光子晶体光纤中，孔距的大小不同会让其产生结构上的不同，并影响光纤的制作难度和生产价格成本，在初始设定的pitch为6μm的基础上，再将其分别设置为5μm和7μm，通过对它们的仿真和参数扫描，分析一下在不同孔距下耦合长度、光能量的的变化，它们的仿真能量图。

通过计算得出的在不同的孔间距下，X偏态下的耦合长度与光能量的比较曲线图，从中可以看出，在其他的结构参数都不变的情况下，孔间距的改变会影响耦合长度，并且随着波长的增加，其耦合长度也会随之增长，而孔间距越小，耦合长度变化的幅度也更快，在1.30μm-1.50μm波长的范围内，pitch为6的情况下耦合长度变化不明显，通过它们的光能量对比可以看出，孔间距的大小与光能量的大小成反比关系，越小的孔间距下，对应的光能量则越大。

在Y偏态下，不同孔间距所对应的耦合长度，可以看出随着波长的增加耦合长度也随之增加，增长的速度同样是更小的孔间距下速度越快，但在相同的波长情况下耦合长度小于X偏态，它们的光能量同样是孔距小的光纤比较大，但随着波长的增加，光能量逐渐减少。

4不同的空气孔直径对耦合特性的影响

在分析了不同孔间距的情况带来的影响之后，接下来将要分析空气孔直径的变化对光纤的耦合特性产生的影响，在参数中设定小孔的直径d与孔间距pitch两个参数的比为f,将f的值分别改变为0.4、0.45和0.5，在不改变其他任何参数的情况下，其分别对应的仿真能量图，分析在这三种不同的空气孔直径下，耦合长度与光能量的变化。

通过对设定的小孔直径与空气孔不同比例来进行计算，所得出的结果可以看出，在X偏振态的不同条件下，耦合长度随着波长的增加而增长，较小的d/pitch所对应的耦合长度也会比较小，而d/pitch的比值越大，它们所对应的耦合长度也会越长，在1.30μm-1.50μm波长的范围内，f为0.4的情况下耦合长度变化不明显，可以看出，如果空气孔的直径越大，那么其所具有的光能量也会越大。而在Y偏振态下，则与X偏振态相反，小孔直径与孔间距的比值越大所对应的耦合长度越小，并且越小的比值下对应的光能量越大。

5不同的双芯直径对耦合特性的影响

在研究了空气孔间距、小空气孔直径的不同而对耦合特性以及光能量的分布产生的差异之后，接下来我需要分析以下本次设计的光纤的芯区参数改变对耦合长度的影响，芯区结构的设计是整个光纤在设计的过程中非常重要的一个步骤，前文提到，本次做的光纤有两个掺氟的芯区，现在即将通过改变这两个芯的直径大小，来研究它所产生的不同影响。

6不同的中心椭圆大小对耦合特性的影响

在分析了孔距、小孔直径和两个芯的直径变化对所设计的光纤的耦合特性之后，接下来，需要试着去改变中心的椭圆调制区大小结构来继续分析其对耦合长度、光能量大小的影响。将中心的空气孔设计成椭圆型，可以对双芯光纤的偏振特性进行非常有效的调制，首先改变椭圆型的长轴，将fa定义为椭圆的长轴a与孔间距pitch的比，并分别令它们的比值为0.4、0.45和0.5，在确定了短轴长度为0.15并且其他参数都不变的情况下，对它们进行仿真，所得到的仿真之后的能量图，从中可以看出中间的椭圆孔在逐渐变长。

结束语

通过上面的分析结果，可以很清楚的表明，改变光纤中的参数，包括有孔间距的大小、小孔直径的大小、一对掺氟的两个芯的直径的大小以及中心椭圆的长、短轴的长短，都会对光纤的耦合特性产生很明显的影响。

参考文献

[1]薛莹.等离子体格子孤子[D].上海交通大学,2014.