椭圆孔式光子晶体光纤光栅写入特性研究
中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心 王冠军 谭绪祥 王志斌
1 引言
光纤光栅器件在光通信和光传感领域具有重要作用[1,2,3,4]。光子晶体光纤光栅（photonic crystal fiber grating，PCFG）是一种最新问世的光栅类型[1,2,3]。相比于单模光纤光栅，PCFG具有较宽的反射峰，调整范围宽、可控变量多、易于设计等众多优势。
当前，PCFG的理论分析及制备方法是科研工作者的关注热点[2]。但是，光子晶体光纤内部周期性气孔使得光栅写入时产生了强烈散射，一定程度上影响光栅写入效率与写入质量。目前研究人员也提出一些改进方法，诸如周期性气孔一定数值的折射率匹配液、利用旋转角度写入光栅、缩小周期性分布的气孔参数等。但上述方法也存在诸如填充时间过慢、依赖于特定写入角度或光纤参数、改善效果有限等不足。
针对光栅写入时产生的写入场分布不均匀、高散射损耗问题，本文提出一种新型的光子晶体光纤结构。其特点是用一大椭圆形气孔代替部分小气孔。写光栅时，激光会通过椭圆孔区域传输到纤芯。此结构可以降低由于小气孔产生的散射损耗。若将适当折射率值的液体填充至椭圆型气孔，该液体填充的椭圆孔可将光束聚焦至纤芯区域，起到类似会聚透镜作用。这有助于增强光栅写入效率、改善纤芯区域的写入场分布，增强光栅写入质量。与单模光纤和周期性光纤相比，本文研究结果表明该新型椭圆孔式光子晶体光纤结构写入效率分别是其写入效率的2.4倍和3.4倍，并且若缩小光纤纤芯半径，该倍数还有可能继续提高。
2 仿真建模
仿真分析商用软件OptiFDTD，仿真所用光纤参数借鉴了ESM-12-01型号光纤。写入波长设定为1550nm。折射率匹配液参数借鉴Cargille Laboratories，Inc产品。为了简化模型，本文仿真过程不考虑光纤外侧面散射损耗、匹配液光吸收损耗、纤芯掺杂区域光吸收损耗的影响。在此基础上，本文研究了椭圆孔结构、匹配液折射率与光子晶体光纤光栅写入效率、写入质量的具体关系。
