一种基于二氧化硅的微结构光纤，具有额外的侧向导光区域，可实现超大的负色散和高双折射率

《Optical Fiber Technology》：A silica-based microstructured optical fiber with additional lateral light-guiding regions for ultra-large negative dispersion and high birefringence

提出了一种基于三角晶格微结构光纤的色散补偿光纤设计，通过在纯硅基底中引入侧向导光区，在1550nm波长下实现-9222 ps/(nm·km)超大负色散和1.7×10^-2高双折射率，结构无需掺杂且易于制造。

　　

Kajal Mondal

物理系，Vivekananda Mahavidyalaya，Burdwan（Burdwan大学），Purba Bardhaman 713103，西孟加拉邦，印度

摘要

本文提出了一种基于三角晶格微结构光纤的色散补偿光纤，该光纤具有额外的横向导光区域，能够在保持结构简单性和可制造性的同时，提供超大的负色散和高双折射率。所提出的结构完全由纯二氧化硅组成，无需掺杂剂，也不依赖于复杂的几何形状或非圆形空气孔来引入双折射率。研究表明，最佳设计在1.55微米的通信波长下表现出超大的负色散（-9,222 ps/(nm·km)和高双折射率（1.7 × 10^-2）。通过数值分析系统地研究了关键光学几何参数对色散和双折射特性的影响。使用有限差分模式求解技术进行了数值模拟，以确保对模态特性的准确评估。为了评估实际可行性，通过检查结构参数在其优化值附近±2%的变化对色散和双折射特性的影响来分析所提设计的结构容忍度。

引言

通过提高现代光纤网络中的数据传输速率和通道数量，可以轻松增加光通信系统的传输容量，以满足不断增长的通信带宽需求。然而，传输光纤中的色散仍然是实现高速、长距离光通信的主要障碍之一，因为它会导致脉冲展宽和信号失真。减轻色散影响的最有效策略之一是使用色散补偿光纤（DCF）[1]、[2]。DCF的设计具有较大的负色散幅度，以有效抵消传输光纤的正色散。为了减少所需的色散补偿光纤长度，从而降低相关成本和传播损耗，引入较大的负色散幅度至关重要。然而，使用传统的DCF很难实现足够大的负色散。相比之下，微结构光纤（MOFs），也称为光子晶体光纤（PCFs），在光传输系统的色散管理方面取得了显著进展[3]、[4]、[5]、[6]。由于其灵活的结构设计和高折射率对比度，MOFs对色散特性的控制能力更强，使其成为传统光纤技术难以实现的色散补偿应用的理想选择[7]、[8]、[9]、[10]。除了DCF的大负色散外，还需要结合足够高的双折射率来保持传播光波的偏振状态，从而减少偏振模式耦合[11]、[12]。此外，MOFs的设计灵活性为通过引入光纤几何不对称性来增强双折射率提供了巨大潜力。

在过去的几年中，文献中报道了许多基于MOF的DCF[7]、[8]、[9]、[10]、[13]、[14]、[15]。其中，最具前景的能够提供超大型负色散参数的MOF设计是基于双同心芯设计的[16]、[17]。由于双同心芯光纤能够提供高负色散，因此在DCF的开发中得到了广泛应用。此外，还采用了多种设计策略来进一步提高双同心芯光纤的色散降低性能[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。例如，在[18]中，Chen等人将锗掺入双同心芯光纤的内芯中以增强其色散特性，从而实现了更高的负色散。同样，在[22]中，Yu等人通过将具有特定折射率的液体注入空气孔来改善性能。显然，使用双同心芯光纤可以轻松实现超大型负色散。然而，大多数报道的设计的一个主要局限性是没有考虑双折射率，这使得它们不太适合用于保持偏振的应用。一些双同心芯光纤设计通过在芯区加入掺锗的椭圆棒实现了高负色散和显著的双折射率[24]。然而，使用锗掺杂会增加制造复杂性并提高生产成本。除了双芯结构之外，还研究了其他替代方法[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]；不过，这些方法大多依赖于复杂的混合几何形状，主要针对宽带色散补偿而设计。此外，还报道了一些其他设计，但这些设计的绝对色散值相对较低，因此在实际色散补偿系统中的性能有限。因此，对于能够同时实现超大型负色散和高双折射率、同时确保制造简单性和结构稳健性的色散补偿光纤设计存在巨大需求。

在这项研究中，提出了一种基于三角晶格微结构光纤设计的窄带色散补偿光纤。该结构提供了超大的负色散和高双折射率，使其适用于保持偏振的色散补偿应用。与许多先前的设计不同，所提出的光纤不需要任何掺杂剂来实现大的负色散，也不使用椭圆空气孔等复杂几何形状来引入双折射率。相反，通过纯二氧化硅背景中空气孔的优化排列，有效地调节了色散和双折射率。系统地研究了关键几何参数对色散和双折射特性的影响。利用这种设计，在1.55微米的通信波长下实现了超大的负色散（-9,222 ps/(nm·km)和高双折射率（1.7 × 10^-2）。

部分摘录

微结构的横截面结构

图1展示了所提出的MOF结构的示意图，该结构旨在实现超大的负色散和高双折射率。该结构由嵌入纯二氧化硅背景中的两个不同半径的圆形空气孔组成。这些空气孔以完美的周期性方式排列在二维三角晶格中，晶格参数为Λ，其中Λ表示两个相邻空气孔之间的中心到中心距离。

数值方法

采用有限差分模式收敛方法对所提出的MOF结构的传播模式进行了精确建模[31]、[32]。这是一种先进的模式求解技术，能够为任何复杂结构的MOF提供高精度结果。该方法已在许多先前的研究中得到广泛验证，并成功用于分析MOF的色散和双折射特性[33]、[34]。在这种模式计算技术中，特征值方程

数值结果与讨论

所提出的结构由三个导光区域组成，一个中心（内部）区域和两个外部区域，共同支持超模式的形成。在这些类型的光纤中激发这些超模式是通过强模式耦合效应实现超大型负色散的关键机制[16]、[17]。超模式分为分布在内部和外部导光区域的两部分。为了实现大的负色散，需要有效的耦合

制造可行性

制造可行性是设计MOF时的主要考虑因素之一。在这方面，所提出的光纤基于简单的三角晶格几何形状，所有空气孔都是圆形的，不依赖于材料掺杂，这大大降低了制造复杂性。此外，优化的晶格间距为1.2微米，大于1微米，因此与标准制造能力兼容。此外，最近在MOF制造技术方面取得了显著进展

结论

本文提出了一种基于三角晶格几何形状的二氧化硅微结构光纤，其中包含额外的导光区域，用于窄带色散补偿应用。所提出的结构有效地利用了中心和侧向导光区域之间的模式耦合效应，实现了超大的负色散。除了超大的负色散外，设计结构还同时实现了高双折射率

CRediT作者贡献声明

Kajal Mondal：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。