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刘烁,李Yuanwei,瑞妈,Linwan赵,林嘉绮lv,枭龙盾, ”研究High-Birefringence并用谐振与半圆包层光纤”,国际期刊的光学, 卷。2021年, 文章的ID5520142, 10 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/5520142
研究High-Birefringence并用谐振与半圆包层光纤
文摘
为了满足保偏光纤对光纤陀螺仪的要求,本文提出了一个半圆的包层光纤双折射空心谐振。结构参数对双折射的影响,损失,损失和弯曲的纤维进行了研究。仿真结果表明在1550 nm,最终损失的基本模式x和y极化是1.76 0.93 dB / dB / m和m,分别。双折射可以达到1×10−4,和双折射的波长范围大于10−4可以达到60 nm。这表明它具有良好的弯曲性能。提出的光纤偏振维护和出色的表现,可以提供思想的研究高精度光纤陀螺仪和其他光学仪器。
1。介绍
高精度光纤陀螺仪有极其重要的军事和商业应用价值1,2),和high-birefringence纤维作为核心元素一直是科学研究的焦点。敏感的环是光纤陀螺的核心组件的保偏光纤。传统的保偏光纤有一个复杂的生产过程,和Ge离子需要添加到纤维芯。在高辐射环境中,通用电气离子将向外扩散会导致纤维芯的折射率下降,导致纤维的损失大大增加。因此,光纤陀螺仪不能工作很长一段时间在辐射环境中(3]。与传统的保偏光纤相比,组织纤维(mof)获得通过不对称结构的双折射。因此,解决了高辐射的工作条件下的环境适应性问题的来源。此外,大弯曲损耗和小双折射是传统保偏光纤的严重不足,而保偏财政部可以减少弯曲损失和增加双折射(通过改变结构4- - - - - -6]。
近年来,财政部已成为一个研究热点,由于其设计的灵活性。根据light-guiding机制,财政部可分为空心mof和实芯mof。有两种light-guiding机制,并用财政部:空心光子带隙光纤(HC-PBGF)和空心光纤谐振(HC-ARF);光传播通过抑制芯和包层模式之间的耦合(7]。HC-ARF具有极低的传输损耗,弯曲损耗低、低色散、大带宽已引起极大的兴趣(8- - - - - -10]。这些优势使它在脉冲压缩中有着广阔的应用前景,超短脉冲传输、数据通信(11],supercontinuum代[12),量子光学等。
目前,研究的主要问题是内径的影响中空纤维的总损失。传输损耗增加为核心直径减少;然而,更大的核心将导致多模操作。因此,谨慎的工程设计的几何形状和大小在单模光纤实现低损耗是必不可少的工作区域(13]。为目的的调整模态特性和减少全损,HC-ARF已经报道的几种类型,包括圆形谐振管(14,15),冰淇淋锥形负曲率谐振管(16[],六角结构17),嵌套的管状结构18),椭圆谐振管(19[],non-nested谐振节点20.]。其中,穆萨维等人提出的HC-ARF可以同时提高双折射和减少损失。的最大双折射HC-ARF是1.5×10−4,小于1分贝/ m (21]。
保偏光纤和光学设备,实芯纤维很容易达到高双折射通过不对称包层结构。HC-ARF达到高双折射的方式不同于实芯纤维,由于HC-ARF light-guiding机制,可以通过单模单偏振模式耦合。此外,HC-ARF非线性,可以忽略色散和低损耗22]。与HC-PBGF相比,HC-ARF包层结构也比较简单,更广泛的通频带传输,更灵活的设计自由,降低损失。因此,HC-ARF可以应用的保偏光纤提供思想研究的高精度光纤陀螺仪和其他光学仪器。
2。结构和方法
HC-ARF的包层结构很简单。沟通的乐队,通常由石英环和椭圆环。HC-ARF如图的设计结构1。包层是一个双半圆环形结构。有两个不对称的半圆形x方向和y方向,这种安排也不同。在x方向,第一层是橙色的附近地区厚度th的核心1,第二层是紫色区域厚度th2。厚度的安排y方向是相反的x方向。Z1两个半圆图形之间的距离吗x方向,Z2两个半圆图形之间的距离吗y方向。R1和R2是两个半圆形的半径吗x方向,R3和R4是两个半圆形的半径吗y方向。R一个和Rb半径的rectangular-like核心吗x和y的方向。与双圈环相比,双半圆形环可以改变Z1在相同的弧度因为半圆的核心可以是相同的。和半圆形环的参数的变化范围将更广泛的比圆戒指。不对称引起的双折射是半圆形x和y的方向。和厚度的不同安排x和y根据文献[方向会产生双折射21]。因此,结构可以实现高双折射。
光纤制造技术的进步,特别是技术的发展为hypocycloid-core戈薇纤维(23,24)和负曲率纤维(25,26画多层ARF),应该是可行的。类似的中空纤维已经由叠加和拉伸过程(27]。我们只需要使用不同大小的棒和毛细血管的叠加设计。在纤维绘制过程中,张力控制是有效提高光纤的弯曲损耗。
在数值模拟中,完美匹配层用作外边界条件,如图1。假设光事件完美匹配层之间的接口和光纤外层是完全吸收,没有反射。硅折射率为1.444是用作光纤材料。th结构参数1= 1.37μ米,2= 1.18μ米,R1= 13μ米,R2= 20.1μ米,R3= 11.5μm,R4= 17μm。环分布中心的纤维管壁。
通过高折射率的光学相位差区域有或没有反射可以由以下公式表示: 在哪里米是任何正整数。当核心模式和包层模式非耦合或弱耦合、纤维的损失很小,和限制损失的纤维可以计算: 在哪里k0= 2π/λ和我(neff)的有效折射率的虚部所需的模式。当th的厚度决定1= 1.37μm和th2= 1.18μm,纤维可以确定共振波长为1427 nm和1229 nm根据公式(1)。高损失区附近形成谐振波长。如图2,灰色区域是一个共振区域由两个谐振波长。在共振区域,光损失大,不能传播。图2显示了限制损失曲线从1000纳米到1700纳米,和限制损失计算公式(2)。
如数据所示3(一个)和3 (b)第一共振区域,当光波长为1.21μ米,x极化扩散到包层的基本模式y方向,y极化的基本模式已经加上覆盖板墙模式进入包层。因此,光泄漏进入包层中y方向的共振区域。如数据所示3 (c)和3 (d),在第二个共振区域,当光波长为1.42μ米,x极化和基本模式y极化扩散的基本模式x方向。因此,在第二个共振区域,光的扩散x包层的方向。如数据所示3 (e)和3 (f),当光的波长为1.55μm,在谐振区域,光的x方向或y在核心方向限制。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
如图3、光纤传输的基本模式实际上是退化的传播模式在两个偏振方向。这两个简并模式的折射率是极其密切的和容易一些。这种现象是不允许与偏振光学系统的要求。为了抑制这种现象,增加两盏灯之间的传播常数的差异是必要的。见公式(3),增加了传播常数的差异意味着增加光纤的模式双折射。模式双折射B被定义为 在哪里βx和βy的传播常数x和y偏振模式,k0是波数,nx和ny的有效折射率吗x和y偏振模式。
双折射的谐振区域如图4。谐振地区双折射较小,不满足要求。在第二谐振地区,双折射可以达到10−4。然而,根据图2第二谐振区域,损失比较大,不满足要求。在第三谐振区域,双折射先降低,然后增加,然后降低。双折射大于10−4附近的波长1550纳米。根据图2在这个地区,损失的基本模式x极化和y极化的纤维非常小。因此,该地区的高双折射和低损耗的波长1550 nm附近出现。
3所示。结果与讨论
full-vector有限元法用于探索光纤结构参数的变化对纤维的性能。它主要包括对光纤双折射的影响,损失,弯曲的损失。获得的最优结构参数改变一些结构参数。本节的讨论结构参数选择一个固定的波长1550 nm。
3.1。半圆形环之间的距离的影响
首先,保持其他参数值不变,改变间距Z1双层半圆形环的x方向,如图5;当的距离Z1半圆形环之间的增加,双折射增加,最高可达6×10−5。的损失x极化的基本模式先增加然后减少,达到最低时为0.86 dB / mZ1= 5.73μ米的损失y极化的基本模式也降低,然后增加。当Z1早期的变化,的损失y极化的基本模式是不明显的。当的距离Z1增加的损失y极化的基本模式显著增加。相比之下,损失的基本模式x极化,损失的基本模式y极化变化不大Z1= 4μ米和6μm。当Z1= 4.5μ米,最小的损失y偏振状态为0.72 dB / m。在以下的分析中,Z1= 5.73μm是选为最优参数;此时,损失的y极化和x极化的基本模式是0.75 0.86 dB / dB / m和m,分别和双折射是5.3×10−5。在这种情况下,虽然双折射及不足以满足要求,损失的x和y偏振状态小于1 dB / m。
从图可以看出5改变距离Z1两个半圆形x在双折射和方向有很大的影响x极化光纤的基本模式损失,但相比之下的损失x极化的基本模式,影响的损失y极化的基本模式是不明显的。这是因为Z2的距离y方向半圆是固定的,只有Z1的距离的变化x方向半圆形环,导致影响x偏振基本模式不可避免的多y极化的基本模式。矩形核心区域改善双折射是必要的。两个半圆形环的半径y方向是小于的两个半圆的环x方向;因此,影响的基本模式y极化相对较小。因此,在下面讨论参数变化,只有变化的影响的结构参数x方向的基本模式x讨论了极化,然后讨论了双折射的变化,以获得HC-ARF高双折射。
3.2。半圆的大小和位置的影响
通过距离的讨论Z1包层半圆形的x方向在前一节中,这是确定Z1= 5.73μm。这部分主要论述了双半圆的大小和位置的影响x损失和双折射方向的基本模式。首先,保持双层的半圆的位置x包层的方向不变,然后改变半径R2的半圆x获得最优方向R2双层的半圆。然后,确保R2不变,改变了半圆的中心的位置获得双半圆的最优位置。
所示图的示意图6(一),确保中心的半圆x方向保持不变,然后改变半圆的大小改变R2。如图6 (b)的增加R2的损失x极化的基本模式逐渐增加,损失的y极化的基本模式仅略有增加。然而,增加相比很小x极化损失基本模式。之间的双折射x和y极化的基本模式增加显著的增加R2。当R2= 21.8μ米,x和y极化的基本模式损失1.76 0.93 dB / dB / m和m,分别和双折射是1.0×10−4。这时,损失较低和双折射也可以满足要求。当R2= 22.8μ米,最大的双折射可以达到1.6×10−4,但损失的基本模式x和y极化增加到3.98 1.31 dB / dB / m和m,分别。这表明,追求最大的双折射,必须牺牲部分损失的基本模式。
(一)
(b)
如图7(一),保持半径R2半圆形环不变,变化的半圆的中心的位置,并定义的距离中心的半圆的核心Zc。如图7 (b),当Zc增加,损失的基本模式x极化明显减少,损失的基本模式y极化也略有下降但基本上保持不变,双折射显示显著减少趋势。当Zc= 28.7μm,圆的中心是对光纤的外管壁上x和y极化的基本模式损失1.76 0.93 dB / dB / m和m,分别和双折射是1.0×10−4。这时,光纤的损耗较低,高双折射,从而满足需求。
(一)
(b)
实际上,的增加R2的增加Zc改变核心区域的形状。比较数据6 (b)和7 (b)可以看出,当R2增加或Zc减少,x方向的核心区域减少。这反过来会导致双折射的增加,显著增加的损失的基本模式x极化,略有增加的损失的基本模式y极化。这两个的区别是曲率的变化x方向的核心是不同的,但从结果,这种差异不能反映在数据上6 (b)和7 (b)。因此,在下一节中,我们将只考虑半圆形环的曲率变化的影响x对纤维性能的方向。
3.3。椭圆率的影响
在本节中,我们研究椭圆率的变化(e)的半圆形环x方向,当其他参数保持不变。椭圆率可以被定义为
如图8(一个),r一个和rb分别是半长轴和半短轴的椭圆半圆形环包层。其他参数保持不变时,椭圆率e可以改变通过改变吗rb。如图8 (b),当椭圆率e增加,光纤的双折射迅速减少,表明椭圆率的变化e将极大地影响双折射。同时,从图可以看出7 (b)当椭圆率e增加x方向,的损失x先增加然后减少极化的基本模式。当e= 1.6,最低的损失获得的基本模式x极化是0.67 dB / m。的椭圆率e也有巨大的影响y极化损失基本模式。作为e增加,y极化损失持续增长基本模式。这说明,当椭圆率e增加,上的约束y极化的基本模式减少,导致增加y极化损失基本模式。和双折射减少随着椭圆率的增加。当e= 0.9,基本模式的损失x极化是1.87 dB / m的y极化是0.88 dB / m,双折射是1.05×10−4。当e= 1,基本模式的损失x和y偏振1.76 0.93 dB / dB / m和m,分别和双折射是1.0×10−4。相比之下,的结果e= 0.9,当e= 1,的损失y极化的基本模式是高,但的损失x极化的基本模式是减少更多。因此,它可以很明显看到,当r一个不变,增加rb可以适当增加的双折射和减少损失y极化的基本模式,使纤维具有更好的保偏性能。然而,考虑到椭圆管的生产过程更加困难。e= 1选择在以下分析。
(一)
(b)
3.4。纤维弯曲
光纤陀螺仪,保偏光纤敏感环可以应用,和敏感的环是光纤陀螺的核心组件。设计纤维的弯曲性能越好,越小的体积可以和光纤陀螺仪可以应用于更多的领域。因此,有必要分析弯曲HC-ARF的损失。
等效折射率的方法通常被用来分析光纤的弯曲损耗。光纤弯曲时,光纤的折射率分布变化根据弯曲方向的变化,弯曲半径和角度。因此,当一个光纤弯曲时,它可以被认为是普通光纤的折射率变化,它只需要计算弯曲光纤的折射率进行数值分析。等效折射率模型可以表示为 在哪里n情商(x,y)的等效折射率光纤弯曲,n(x,y)是直光纤的折射率,Rb纤维的弯曲半径,θ角是由纤维和弯曲方向x轴。因为设计的纤维是不对称的x方向和y方向,不同的弯曲方向,如图9(一个),也会影响纤维的弯曲性能。如图9、强度分布的基本模式与纤维的弯曲方向有关。弯曲光纤的性能是不一样的。
(一)
(b)
(c)
如图10 (),当纤维弯曲的x方向,波长为1550 nm,弯曲半径是10厘米、5厘米的基本模式x极化有一个小变化,损失是1.81 1.96 dB / dB / m和m,分别,这几乎是一样的1.76 dB / m的连续纤维。然而,当弯曲半径继续减少2厘米,x极化的基本模式损失会突然增加到3.32 dB / m,增加1.56 dB / m。在图10 (b),当波长为1550 nm和弯曲半径10厘米,5厘米,损失的基本模式y极化和直纤维0.934 dB /米,0.938 dB / m,和0.948 dB / m,分别显示一个很小的增长趋势。但是,当弯曲半径减少2厘米,y极化损失增加到1.03 dB / m基本模式。当纤维弯曲的x方向和弯曲半径大于5厘米,光纤的弯曲损耗相对较小,小于1 dB / m,指示光纤弯曲时更出色的弯曲性能x方向。
(一)
(b)
如图(11日)当波长1550 nm,纤维弯曲的y方向,弯曲半径10厘米,5厘米,2厘米,x极化和直纤维损失基本模式的损失几乎没有变化,和损失1.76 dB /米,1.76 dB / m, 1.76 dB / m和1.77 dB / m,分别,这几乎是影响纤维弯曲。在图11 (b)当弯曲半径10厘米、5厘米y极化损失基本模式和直纤维损失变化非常小,他们0.93 dB / m, 0.95 dB / m和1.02 dB / m。但是,当弯曲半径减少2厘米,y极化的基本模式损失显著增加1.51 dB / m。它可以发现,当纤维弯曲y方向和弯曲半径大于5厘米,光纤的弯曲损耗相对较小,这表明该光纤弯曲时更出色的弯曲性能y方向。
(一)
(b)
比较数据10 ()和(11日),可以发现,当纤维弯曲x方向,它会极大地影响的弯曲损耗x极化的基本模式。但是,当纤维弯曲的y方向,弯曲损耗的基本模式x极化基本上是不变的。比较数据10 (b)和11 (b),可以发现,当弯曲x方向,弯曲半径的变化,弯曲的损失y极化的基本模式变化小于弯曲弯曲时损失y方向。因此,如果光纤制成一个敏感的戒指,当光线敏感的环x极化光和纤维弯曲y方向,损失更小。当敏感的环y极化光和纤维弯曲x方向,弯曲损耗较小。
纤维弯曲也会影响双折射。如图12(一个),当纤维弯曲的x方向,光纤的双折射随弯曲半径将会增加。然而,如图12 (b),当纤维弯曲的y方向,光纤的双折射趋于减少,但变化是相对较小。弯曲半径是5厘米时,双折射仍大于1.0×10−4。这意味着当弯曲损失是一个合理的范围内,双折射引起的弯曲的变化相对较小,这就足够了指标要求。
(一)
(b)
4所示。结论
我们建议的结构HC-ARF高双折射和分析纤维损失和双折射的变化的共振区域和谐振区域结构。传播的基本模式1210 nm和1420 nm波长的两个共振区域的纤维。这两个波长已经扩散到包层,而基本模式1550纳米波长的谐振地区受光纤。另一方面,通过调整间距,大小和位置的半圆形环和椭圆率,我们讨论双折射的变化,损耗,弯曲损耗,实现纤维结构的优化。仿真结果表明,最大的双折射是1.2×10−4当波长1490 nm,最小损失0.70 dB / m当波长为1620 nm。在1490∼1550 nm波长范围,超过10双折射−4,在波长1550纳米的双折射是1.01×10−4的损失y极化是0.93 dB / m。如果不考虑纤维损失在1550 nm,双折射的最大可达1.6×10−4。此外,当弯曲半径超过5厘米,不论是否弯曲的纤维x方向或y方向,弯曲损耗不显著增加,表明它有优越的弯曲性能。
数据可用性
所有生成的数据或分析在本研究包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号61805067和61805067),科学技术研究项目(批准号河北省高等教育的BJ2018047),河北省自然科学基金(批准号F2020202069)。
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