光纤光子及光器件研究.docx

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1、光纤光子及光器件研究 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改变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、耦合强度的强弱及改变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：ieio2nienio，ix，y，式中，ie、io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nieiek，nioiok，k2，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改变关系如图3所示。从图中可以看出，x和y偏振方向上的耦合长度改变趋势一

2、样，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；在中心波特长，两个方向上的耦合长度存在极大值，且极大值点相同；耦合长度随波长的改变而发生改变，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

3、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。本文忽视材料色散，只探讨波导色散，其表达式如下：Dcd2neffd2，式中，c为真空中的光速；为波长；neff为基模的有效折射率。色散随波长的改变关系如图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135m处，色散为3000ps（kmnm），在带隙范围的边缘处，该混合导光型双芯PCF限制光传输的实力不强，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精彩散补偿光纤和大负色散光纤，对色散探讨具有肯定的指导意义。 2光器件探讨 2.1定向耦合器 利用双芯PCF制作的用于定向传送和

4、安排光信号的无源光器件称为定向耦合器。在定向耦合器中，光以肯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PAP0cos2（CL），PBP0sin2（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（eo）2k（neno）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；k2为自由空间波矢数；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155!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，

5、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，可以通过调整光纤的长度来定向调整消光比，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 依据混合导光型双芯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165和162时，x偏振方向上的耦合长度随波长的改变关系。由耦合特性分析可知，在带隙范围内，耦合长度不是单调改变的，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

6、165时，存在两个波长1473和1655m，使该光纤的耦合长度为400m，把此时的工作状态记为S。将波长为1473和1655m的光波同时从输入端口输入，则它们的耦合长度相同；对于随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162时，由于光子带隙向短波长方向移动，在波长为1473和1655m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LmLnLc2（m，n为奇偶相反的两个正整数）时，假如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

7、两个不同的端口输出，完成波长分别的功能；假如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；可以通过调整光纤的结构参数，如孔间距、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整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，对于光器件的探讨具有重要的意义和好用价值。 第4页 共4页第 4 页 共 4 页第 4 页 共 4 页第 4 页 共 4 页第 4 页 共 4 页第 4 页 共 4 页第 4 页 共 4 页第 4 页 共 4 页第 4 页 共 4 页第 4 页 共 4 页第 4 页 共 4 页