光子晶体光纤弯曲损耗特性研究

（商洛学院电子信息与电气工程学院,商洛,726000）

光子晶体光纤弯曲损耗特性研究

李书婷

（商洛学院电子信息与电气工程学院,商洛,726000）

光子晶体光纤是一种新型光纤，由于它的性能优良，成为研究领域的热点。本文先对光子晶体光纤进行了介绍，分析了光子晶体光纤弯曲耗损理论，最后对光子带隙型晶体光纤的弯曲耗损进行了测试研究。结果表明光子带隙型晶体光纤抗弯曲耗损比传统的单模光子晶体光纤能力强。

PCF；弯曲损耗；研究

0 引言

光子晶体光纤是基于光子晶体技术发展而来的新型光纤。光子晶体光纤通常是由具有空气孔周期排列结构的单一石英介质材料构成，因为其结构上的特点，又被称为微结构光纤或多孔光纤。依据导光机制的不同，可以将光子晶体光纤分为三类：全内反射型光子晶体光纤（TIR-PCF）、光子带隙型光子晶体光纤（PBGF）和混合导光型光子晶体光纤（HG-PCF）。

光子晶体光纤（PCF）以其独特的性质和在光通信、传感及非线性光学等领域的应用前景而引起了国内外的广泛关注。集成光学器件和小型光纤器件中经常需要将光纤弯曲，而光纤的弯曲特性也可用做某些物理量的传感测量，因此研究光纤的弯曲损耗及相关的物理现象对于其实际应用具有重要意义。

1 光子晶体光纤

全内反射型光子晶体光纤又称折射率引导型光子晶体光纤，一般由石英和空气构成，其横截面结构具有周期性。它的纤芯一般为石英，通过在包层中引入空气孔，使纤芯折射率大于包含了空气孔的包层的有效折射率。此种光纤的导光机制与传统光纤一样，是全内反射型。这种光子晶体光纤对结构的周期性要求较小，制备工艺难度较低，近些年来发展迅速。

光子带隙型晶体光纤的包层有效折射率大于纤芯折射率，使光纤无法满足全内反射的条件，只能利用带隙效应以进行光波传导，其导光机制是光子禁带效应。带隙型光子晶体光纤在二维光子晶体中引入缺陷，当频率处于光子带隙中的光进入光纤时，光子晶体的禁带作用使光在缺陷中才能传播，频率处于光子带隙之外的光被禁止传播。1998 年，通过在纤芯处引入一个额外的空气孔，Knight 等人研制成功了第一根带隙型光子晶体光纤。1999 年，Cregan 等人首先成功拉制出了一根空气芯中传导光的带隙型光纤，从而使光纤光学研究发生了巨大的变化。

混合导光型光子晶体光纤是在传统光子晶体光纤的包层空气孔中填充两种折射率不同的介质，使包层中局部区域的有效折射率大于光纤纤芯的折射率，而其他部分的有效折射率小于光纤纤芯的折射率，通过这样的方法，使得在光纤中存在全内反射型和带隙型两种不同类型的导光机理的共同作用，从而同时具有全内反射和带隙效应两种导光机制。

2 光子晶体光纤弯曲测试的理论分析

传统光纤产生弯曲损耗的原因是弯曲时引起形变，改变了光纤对称的几何结构和纤芯与包层的相对折射率，从而影响到纤模场的横向分布，并破坏了光波沿光纤传输的全反射条件，导致光能泄漏至包层甚至外层介质．PCF也会同样因为上述原因产生损耗，特别当光纤弯曲小于临界半径时损耗将迅速增大。将单模光纤的损耗理论进行改进可适用于TIR-PCF．高斯光束沿光纤传输时光强随损耗系数和弯曲长度的关系为：

式中弯曲损耗系数α为

3 光子晶体光纤弯曲测试的试验结果分析

本文中主要分析了光子带隙型晶体光纤的弯曲损耗特性的结果。

带隙型光子晶体光纤在纤芯引入空气孔缺陷，从而使光场被限制在光子带隙内传输，并且传输模式的有效折射率必须满足＜1，其中为波矢量与光纤轴线的夹角，为空气折射率。所以只有存在于空气折射率线和带隙上边缘之间的模式（包括纤芯模式和表面模式）才可在带隙型光子晶体光纤内传输，其中纤芯模式的大部分能量存在于空气纤芯内，而表面模式被限制在纤芯附近，其大部分能量都分布在纤芯周围的石英区域。

表面模式被证实是影响带隙型光子晶体光纤限制损耗的重要因素。因其能量大部分在石英材料内，波长增大时，表面模式的有效折射率迅速减小，相比之下基模有效折射率的变化很小，所以表面模式有可能与基模发生交叉，使损耗达到极大。由此可以推断，表面模式似乎也是影响弯曲损耗的重要因素。但数值模拟分析却得出如下结论：对同一波长，弯曲对表面模式有效折射率的影响很小，不会在弯曲半径变化上与基模发生耦合，所以表面模式对弯曲损耗的影响基本可以忽略。

带隙型光子晶体光纤的包层模式存在于带隙的上下边缘附近，其有效折射率可大于也可小于基模。光纤弯曲时，随着弯曲半径的减小，能量主要分布在弯曲外侧的包层模式有效折射率增大，能量主要分布在弯曲内侧的包层模式有效折射率减小。这两种不同的包层模式都可能与基模发生耦合而产生弯曲损耗振荡。由此可推断出，带隙型光子晶体光纤中也存在弯曲损耗振荡现象，并且振荡是由两种不同的包层模式共同作用的结果。光子带隙型晶体光纤PCF的弯曲耗损结果以及传统单模光纤弯曲耗损的比较如图1、图2所示。

图1 光子带隙型PCF的弯曲耗损

图2 传统单模光纤弯曲耗损

4 结束语

光子晶体光纤的奇异特性是一些传统光纤所没有的。作为传光介质，在光子带隙中传输信息，具有超低损耗、超低非线性、超低色散，是未来光通信的理想材料。本文利用有效折射率模型对光子晶体光纤的弯曲损耗特性进行了系统的理论研究研究表明PCF的弯曲损耗具有不同于普通光纤的特点．即除了长波损耗边带外还具有短波损耗边带进一步的分析发现．PCF的弯曲损耗特性与其结构参量密切相关：填充比越大的PCF，弯曲损耗越小，低损耗窗U越宽：PCF的低损耗窗口中心的位置主要决定于其跨距．跨距越大的PCF，其低损耗窗口中心的波长越大：PCF的临界弯曲半径既与填充比有关，也和跨距有关。

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Photonic crystal fiber bending loss Characteristics

Li ShuTing
(Shool of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo,726000，China)

Photonic crystal fiber is a new fiber, due to its excellent performance,has become a hot research field.This article first photonic crystal fibers were introduced to analyze the test photonic crystal fiber bending loss theory,the bending loss last crystal photonic bandgap fiber were.The results show that the photonic band gap crystal fiber bending loss better than conventional single-mode photonic crystal fiber capacity.

PCF;bending loss;research

陕西省教育厅自然科学基金项目(批准号: 2010JK530); 商洛学院科研基金资助项目(批准号: 09sky012)