? 摘要：利用多极法对一种新颖结构的双层芯光子晶体光纤的色散特性进行了数值模拟,找出色散随结构变化的规律。通过合理选取其外层芯的层数,同时优化孔间距和空气孔直径,设计出可用于L波段进行宽带色散补偿的光子晶体光纤,此光纤色散值在-310~-260 ps/(km·nm)之间近似线性变化,残余有效色散系数近似为零,相关色散斜率(RDS)在0.003 2 nm-1的色散补偿光纤,其RDS值与标准单模光纤匹配,有效模场面积优于常规色散补偿光纤,可以对宽带传输的标准单模光纤实现良好的色散补偿。
0 引言
在光纤通信系统中,损耗和色散制约着光纤中光信号的传输距离和比特率。随着用于L波段(1565~1 625 nm)的增益位移掺铒光纤放大器(GS-EDFA)的成熟和商用化,解决了光纤损耗问题,而色散则成为高速率宽带通信系统的主要限制。设计用于L波段的色散补偿光纤,对于拓展光通信波段和优化光纤通信系统的性能具有重要意义。由于色散补偿光纤(Dispersion CompensationFiber, DCF)技术相对成熟、简单,具有可控色散补偿量、与波分复用(WDM)系统兼容、性能稳定等优点,因而采用DCF进行色散补偿具有明显的优势得到了广泛的运用。以前,利用常规光纤做色散补偿光纤,只能通过在纤芯掺锗,并引入外层芯形成双层芯光纤来实现色散补偿[1-2],但是高掺锗纤芯会导致高损耗和拉制困难。近来,由于光子晶体光纤(PhotoNIc Crystal Fiber, PCF)[3-5]可以在一个很宽的波长范围控制它的色散特性,使其成为一种新型的色散补偿光纤。
目前,复合波段的光纤在L波段的补偿值较低,补偿效率不高,并且存在掺杂及有效面积太小等问题[6-7]。然而,在L这一单一波段的色散补偿光纤还未有过报道。基于此,本文设计了一种新颖结构的L波段双层芯色散补偿PCF,具有较高色散值,较大的有效模场面积,能同时实现色散和色散斜率补偿的光子晶体光纤。
本文中,通过增加双层芯PCF的外层芯层数,同时优化孔间距和空气孔直径,并综合考虑有效模场面积,传输模式,残余有效色散,设计了一种用于L波段的新颖结构的双层芯色散补偿PCF。
1 色散补偿理论
随着传输速率的提高,由单模光纤(SMF)的色散导致的脉冲展宽将严重影响高比特率传输系统。因此,需要通过一定的手段把展宽的光脉冲恢复到原有的状态,最有效的方法之一就是利用色散补偿光纤。光纤的总色散可由下式得到:
由于光纤的色散系数D随波长变化,因此在宽带色散补偿中,必须考虑对色散系数D和色散斜率Ds同时进行补偿,宽带色散补偿条件为:D1L1+D2L2=0,Ds1L1+Ds2L2=0,其中L1、D1和Ds1为被补偿光纤的长度、色散系数和色散斜率,L2、D2和Ds2为色散补偿光纤的相应参数。
为此,定义一个新的参数,相关色散斜率(Relative Dispersion Slope,SRD):
它表示器件对光纤色散和色散斜率同时补偿的能力。G.652光纤的色散曲线分布如图1所示,在光通信系统中一般要求色散补偿光纤与被补偿光纤的SRD值接近或相等。G.652光纤在L波段1 585 nm处的SRD值是0.003 0 nm-1。在多信道多波长WDM系统中,实现宽带色散补偿需要在色散斜率和色散值之间找到一个平衡,两者均能兼顾为最佳。通常情况下,我们用补偿后的残余有效色散系数De来评价色散补偿PCF的宽带色散补偿性能:
式中,L1,D1分别为被补偿光纤的长度和色散系数;L2,D2分别为色散补偿PCF的长度和色散系数。为了使色散补偿PCF能够完全补偿λ=λ0处累积色散,L1和L2必须满足以下关系:
2 L波段色散补偿PCF的设计
L波段有着更长的波长,对G.652光纤类型而言,其色散系数比C波段大2~3 ps/(nm·km),因而在补偿过程中,与C波段有所不同,要重新考虑整个系统的传输距离,分析补偿量。目前被人们大量研究的双层芯色散补偿光子晶体光纤(DCPCF),它的原理[11]是当波长达到相位匹配波长λp时,内芯的基模和外层芯的二阶模发生强烈耦合,导致在这一波长出现大负色散系数,色散曲线在这一波长出现一个凹陷区。考虑到SMF的色散曲线在L波段几乎是线性的,为了补偿SMF的色散斜率,需要利用凹陷区的左侧部分。
如图2所示为设计的用于L波段的双层芯色散补偿PCF的端面图,d为空气孔直径,Λ是包层孔孔间距,外层芯空气孔直径减小至ds。设计的结构的λp大于1 625 nm。这样,在L波段就只考虑基模色散,利用多极法来模拟其色散特性,所有色散曲线均为基模色散。
首先,分析外层芯层数的变化对色散特性的影响。分别用多极法模拟了在L波段外层芯层数为1层(第2层空气孔)、2层(第2~3层空气孔)、3层(第3~5层空气孔)、4层(第3~6层空气孔)的色散特性。采用光纤结构参数为d/Λ=0.5、ds/Λ=0.4、Λ=2.0μm。图3(a)、(b)、(c)分别给出的是色散系数、色散斜率对G.652光纤补偿后的残余有效色散系数随双层芯PCF外芯层数变化的曲线图。从图3(a)可以看出,在L波段,随着外层芯空气孔层数的增加,色散曲线逐渐下移,外层芯层数的变化对色散值产生较大影响。由图3(b)看出,各条曲线的色散斜率变化缓慢,近似线性变化。由图3(c)知在L波段范围内补偿后的残余有效色散值的变化范围,其中当外层芯层数为3层时,De在±0.008ps/(nm·km)之间变化。
表1给出了外层芯层数变化时,在1 585 nm处的色散值D、相关色散斜率SRD和有效模场面积Aeff。从表1中的数据可以看出,当外层芯层数为3时,在1 585 nm处的色散值D为-279 ps/(nm·km),有效模场面积Aeff为10.5μm2,在1 585 nm处的相关色散斜率SRD值为0.003 1 nm-1,这在常规色散补偿光纤中很难达到。
通过模拟外层芯层数对色散特性的影响,综合考虑色散D、相关色散斜率SRD、残余有效色散系数De、有效模场面积Aeff等因素,选取外层芯层数为3层(第2~4层空气孔)。下面分析这种光纤在L波段,PCF结构参数的变化D,Dslope和De的影响。当d/Λ=0.53、ds/Λ=0.39时,对于不同的Λ,PCF的色散曲线、色散斜率、残余有效色散系数曲线如图4。可以看出,在L波段,随Λ的减小,色散绝对值增大,色散斜率变化较为缓慢。其中,当Λ=1.81μm时,残余有效色散系数近似为零。
当Λ=1.81μm、ds/Λ=0.39时,对于不同的d/Λ,PCF的色散曲线、色散斜率曲线、残余有效色散系数曲线如图5所示。随着d/Λ的减小,色散绝对值增大。色散斜率缓慢变化。其中,当d/Λ=0.53时,残余有效色散近似为零。
当Λ=1.81μm、d/Λ=0.53时,对于不同的ds/Λ,PCF的色散曲线、色散斜率曲线、残余有效色散系数曲线如图6所示。随着ds/Λ的增大,色散绝对值增大;当ds/Λ分别为0.34和0.39时,色散斜率缓慢变化。其中,当d/Λ=0.39时,残余有效色散近似为零。
不同结构参数的PCF在1 585 nm处的色散值D,SRD和Aeff如表2所示。从表2中我们可以看出,在d/Λ=0.53,ds/Λ=0.44,Λ=1.81μm时,色散补偿值很大,但是不能很好地补偿色散斜率,残余有效色散值与SMF的相差较大。在d/Λ=0.53,ds/Λ=0.39,Λ=1.81μm时,SRD为0.002 9 nm-1,基本与SMF的SRD相等,意味着可以对SMF的色散斜率进行有效补偿,同时,这种结构参数的PCF在L波段具有较高的色散补偿值。
综上所述,选取外层芯层数为3(第3~5层空气孔)的DCPCF的最优结构参数,当d/Λ=0.53,ds/Λ=0.39,Λ=1.81μm时,色散值在-310 ps/(km·nm)和-260 ps/(km·nm)之间,相关色散斜率在0.002 9 nm-1的色散补偿光纤,其SRD值与标准单模光纤匹配,有效模场面积优于常规DCF,可以对其16倍长度、用于宽带传输的标准单模光纤进行色散和色散斜率补偿。
4 结论
本文设计了用于L波段的双层芯色散补偿光子晶体光纤,利用多极法模拟了这种PCF的色散及模式特性,仿真结果表明,通过选取合适外层芯层数,并优化光纤结构参数,得出的结果具有较大的负色散值,SRD和SMF的基本相等,并具有大模面积特性,与SMF的基本匹配。这对未来宽波段传输和设计宽带色散补偿拉曼放大器具有指导作用。
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作者简介:梁丹华(1984-),女,硕士研究生,主要从事光子晶体光纤的制备与理论方面的研究。
