一种风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤

杨汉瑞 尚思飞 孟 杰 焦圣喜 杨 燕

(东北电力大学自动化工程学院,吉林 吉林 132012)

一种风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤

杨汉瑞 尚思飞 孟 杰 焦圣喜 杨 燕

(东北电力大学自动化工程学院,吉林 吉林 132012)

为满足化工领域中光纤气体传感器、光纤液位传感器和高功率光纤激光器、放大器的设计需求，提出一种风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤。仿真分析其空气孔间距和空气孔直径对光纤性能参数的影响，结果表明：该光纤能够在1.3～2.0μm工作波长下进行单模传输，并可获得104μm2量级的超大模场面积，且其有效模场面积随波长的变化呈现出平坦的特性；同时，该新型结构大模场光子晶体光纤具有多零色散点。

光子晶体光纤 传感器 风扇型包层 大模场 空气孔间距 空气孔直径 多零色散点

随着对光纤的深入研究与发展，越来越多的新型结构光纤应运而生，其中大模场光纤是解决光纤激光器功率提升时的非线性效应和光纤损伤问题的一种最直接有效的方法[1]。为了确保光纤传输激光的光束质量，大模场光纤还需要具备单模传输特性。然而，传统光纤通常难以同时满足大模场和单模传输特性的要求。

光子晶体光纤结构组成特殊，能够在确保激光传输质量的同时，实现单模大模场面积，减少光纤中的非线性效应，提高光纤的损伤阈值。1998年，Knight J C等提出光子晶体光纤是一种制造单模大模场光纤的新方法，并首次拉制出模场面积为380μm2的大模场光子晶体光纤[2]。随后，各种形状结构的大模场光子晶体光纤相继出现，光纤的模场面积得到极大提高，其设计和制备方法也呈现出多样化。2007年，Dong L等利用泄漏通道结构获得了模场面积达3 160μm2的光子晶体光纤[3]。2009年，Fu L等利用应力诱导低折射率差法分别在波长1.03、1.55μm处获得了高达17 400、31 600μm2的模场面积[4]。2010年，郭艳艳和侯蓝田[5]以及周秦岭等[6]分别设计出了模场面积高达2 000μm2的新型全固态八边形大模场低损耗掺镱石英光子晶体光纤和大模场平顶模场光子晶体光纤；同年，耿鹏程等设计出了一种模场面积高达3 703μm2的掺镱七芯光子晶体光纤[7]。目前，大模场光子晶体光纤已成为实现高功率能量传输、高功率光纤放大器和激光器的理想光纤结构[8～10]。

笔者设计了一种风扇型包层结构的单模大模场光子晶体光纤，分析了其结构参数对性能特性的影响，以期对特殊光纤的结构设计、制作和应用提供新思路。

笔者设计的风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤结构如图1所示，其中，Λ表示空气孔间距，d表示空气孔直径。包层为易于制作的、等大的圆形空气孔按等边三角形规则排布而成的区域，缺失中心空气孔处(即中间实心处)为纤芯区。由光纤横截面结构可知，该大模场光子晶体光纤的包层空气孔分布类似于风扇叶，故因此而得名。包层空气孔大小的统一性和整体结构的非对称性降低了光纤熔接耦合的难度，使焊接机的选取更为宽泛。

图1 风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤结构

笔者采用全矢量有限元数值分析方法对所提出的光纤HE11模特性进行分析，分别研究风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤的有效模场面积、非线性和色散特性与结构设计参数和传输波长的关系。

光纤基模的模场分布属于近高斯分布，其有效模场面积Aeff(PCF)为：

(1)

S——光子晶体光纤的横截面积。

已知光子晶体光纤的有效模场面积，则其非线性系数γPCF为：

(2)

式中n2——硅的非线性折射率系数，n2=3.0×10-20m2/W；

λ——波长。

另外，色散特性也是光子晶体光纤的主要性能指标，定义为：

(3)

式中c——真空中的光速；

D——光纤的色散；

Re(neff)——光纤有效折射率的实部，可通过数值仿真得到。

2 数值模拟与结果分析

笔者采用有限元法对图1所示的光子晶体光纤进行分析，结果表明，该结构光纤在工作波长1.3～2.0μm内可实现单模传输。然后又分别对该结构光纤的有效模场面积、非线性和色散特性进行了仿真分析与研究。

2.1有效模场面积

图2所示为不同结构参数的风扇型包层结构光子晶体光纤的有效模场面积随波长的变化关系。从图2a中可以看出，在波长和Λ/d一定的情况下，光纤的有效模场面积随空气孔间距Λ的增大而增大；从图2b中可以看出，在波长和空气孔间距Λ一定的情况下，光纤的有效模场面积随空气孔直径d的减小而增大。

图2 不同结构参数光纤的有效模场面积随波长的变化曲线

通过调整设计参数，就可以得到不同量级的模场面积，当取Λ=100μm、d=50μm时，光纤的有效模场面积高达104μm2量级。同时，该新型结构光子晶体光纤的有效模场面积随波长的变化呈现出了良好的平坦性。

2.2非线性系数

图3所示为不同结构参数的风扇型包层结构光子晶体光纤的非线性系数随波长的变化关系。从图3a中可以看出，在波长和Λ/d一定的情况下，光纤的非线性系数随空气孔间距Λ的增大而减小；从图3b中可以看出，在波长和空气孔间距Λ一定的情况下，光纤的非线性系数随空气孔直径d的减小而减小。

另外，由图3可见，该光子晶体光纤的有效模场面积随波长的增大而减小，且非线性系数低至10-2(W·km)-1量级，这对于高能量脉冲光纤激光器或放大器中非线性效应的抑制具有重要意义。

图3 不同结构参数的风扇型包层结构光子晶体光纤的非线性系数随波长的变化曲线

2.3色散系数

图4所示为不同结构参数的风扇型包层结构光子晶体光纤的色散系数随波长的变化关系。可以看出，在波长1.3～2.0μm范围内，风扇型包层结构光子晶体光纤具有多个零色散点，因此在高速信息传输及波分复用系统宽带光传输等方面具有潜在的应用价值。

图4 不同结构参数的风扇型包层结构光子晶体光纤的色散系数随波长的变化曲线

3 结论

3.1在综合考虑光纤制备难度和实际熔接耦合问题的基础上，提出了一种风扇型包层结构的大模场光子晶体光纤。仿真分析表明，该新型结构的光子晶体光纤易实现103～104μm2量级的超大模场面积和低至10-2(W·km)-1量级的非线性。且该新型结构光子晶体光纤的有效模场面积在1.3～2.0μm波长范围内，呈现出超平坦的特性。

3.2该结构光子晶体光纤具有多零色散点的特性，为特殊色散光纤的研究和特种光纤的进一步发展提供了理论基础。通过对该新型结构光子晶体光纤的模场特性、非线性和色散特性的分析，发现该光纤具备超大模场面积，可以满足高功率光纤激光器、放大器及高功率传输等领域的应用需求。

3.3使用径向打孔技术制备的光纤包层，由于其空气孔孔径比传统光子晶体光纤的大很多，有助于光纤包层空心区域内气体、液体的扩散，因此可作为化工生产中特殊气体或液体的传感感应探头。

3.4相比掺杂稀土离子、改变纤芯几何形状及采用复合型折射率分布等大模场光子晶体光纤的设计制作方法，该新型结构光子晶体光纤在制备上更易实现，而且非对称结构的包层空气孔排布方式、较少的空气孔数量和相同的空气孔尺寸参数降低了熔接耦合的难度和熔接时空气孔塌陷的几率，为大模场光子晶体光纤的设计提供了一种新思路。

[1] Limpert J,Schreiber T,Liem A,et al.Thermo-optical Properties of Air-clad Photonic Crystal Fiber Lasers in High Power Operation[J].Optics Express,2003,11(22):2982～2990.

[2] Knight J C,Birks T A,Cregan R F,et al.Large Mode Area Photonic Crystal Fibre[J].Electronics Letters,1998,34(13): 1347～1348.

[3] Dong L,Peng X,Li J.Leakage Channel Optical Fibers with Large Effective Area[J].Journal of the Optical Society of America B,2007,24(8):1689～1697.

[4] Fu L,McKay H A,Dong L.Extremely Large Mode Area Optical Fibers Formed by Thermal Stress[J].Optics Express,2009, 17(14):11782～11793.

[5] 郭艳艳,侯蓝田.全固态八边形大模场光子晶体光纤的设计[J].物理学报,2010,59(6):4036～4041.

[6] 周秦岭,卢兴强,张光,等.大模面积平顶模场光子晶体光纤模式分析[J].光学学报,2010,30(5):1497～1500.

[7] 耿鹏程,侯蓝田,韩伟涛,等.大模面积掺Yb3+七芯光子晶体光纤的设计[J].光学学报,2010,30(9):2719～2723.

[8] Jansen F,Stutzki F,Jauregui C,et al.High-power Very Large Mode-area Thulium-doped Fiber Laser[J].Optics Letters, 2012,37(21):4546～4548.

[9] 陈瑰,蒋作文,彭景刚,等.空气包层大模场面积掺镱光子晶体光纤研究[J].物理学报,2012,61(14):144206-1～6.

[10] 易昌申,戴世勋,张培晴,等.新型单模大模场红外硫系玻璃光子晶体光纤设计研究[J].物理学报,2013,62(8):084206-1～7.

(Continued from Page 116)

(DepartmentofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China)

AbstractBasing on analyzing the control over main-pipe boilers’ forced and induced loops, a bilateral variable gain generalized predictive control algorithm was proposed, which has both input and output data and recursive least squares method adopted to model the controlled objects and then has an advanced control system designed for it. Comparing this control method with the original PID control proves the better application effect of this variable gain generalized predictive control, and it has asynchronous matter of bilateral forced and induced draft fans solved.

Keywordsvariable gain generalized predictive control, coal-fired boiler, forced draft loop, induced draft loop

ALargeModeFieldPhotonicCrystalFiberwithFan-typeCladdingStructure

YANG Han-rui, SHANG Si-fei, MENG Jie, JIAO Sheng-xi, YANG Yan

(SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

In order to satisfy the design demand for high power fiber laser, amplifier and sensing head of the fiber-optic gas sensor and fiber-optic liquid level sensor applied in chemical industry, a large mode photonic crystal fiber with fan-type cladding structure was proposed. Simulating and analyzing the influence of air hole’s pitch and diameter on the optical fiber specifications show that this optical fiber can implement single-mode transmission at a 1.3～2.0μm wavelength and it can obtain a 104μm2super large mode area which changes with wavelength and boasts flat characteristics. This large mode area photonic crystal fiber has multi-zero dispersion points.

photonic crystal fiber, sensor, fan-type cladding structure, large mode field, air-hole pitch, air-hole diameter, multi-zero dispersion point

TQ342+.82

A

1000-3932(2016)02-0187-04

2015-07-20基金项目：吉林市科技发展计划项目(20156404)；东北电力大学博士科研启动基金资助课题(BSJXM-201419)