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新型单芯高双折射光子晶体光纤的设计及其特性研究
摘要
本文介绍了一种新型单芯高双折射光子晶体光纤的设计及其特性研究。该光纤通过设计一个具有周期性结构的纵横交错排列的圆形空心柱子阵列来实现，该结构可产生高双折射性能，保持单芯纤芯结构的优势，同时具有低损耗和扩展带宽的优点。为了进一步研究该光纤的特性，我们分别对其光学性能、色散特性和应力特性进行了模拟分析和实验验证。结果表明，该光纤具有良好的双折射性能和真正的单芯纤芯结构，在光学性能、色散特性和应力特性方面均能满足高速光通信和传感的需求。
关键词:光子晶体光纤，双折射，色散，应力，单芯
引言
光纤作为光通信和传感领域的主要传输媒介，其品质和性能对于光通信和传感的提高至关重要。近年来，光子晶体光纤（PCF）由于其具有比传统光纤更好的制备性能、光学性能和非线性特性等优势而备受关注。而高双折射光子晶体光纤（HB-PCF）则是一种同时具有高双折射性能和单芯纤芯结构的光纤，其结构基于周期性阵列的圆形空心柱状结构，通过这样的结构设计可产生高双折射性能。与传统双芯光纤相比，HB-PCF具有更低的信号耦合和非线性效应，使其在高速光通信和传感方面具有很大的应用前景。
本文旨在研究HB-PCF的设计和特性，并对其进行模拟分析和实验验证，以验证其在光通信和传感领域的应用前景。
设计和制备
HB-PCF的设计基于周期性阵列的圆形空心柱状结构，通过纵横交错排列的阵列结构产生高双折射性能。具体来说，该光纤由一个圆形纤芯和一组圆环形空心柱子构成，这些圆环形空心柱子从纤芯向外延伸。通过调节柱子的大小、间距和孔径等参数，可调节HB-PCF的色散和非线性特性。
通过仿真和优化，我们最终得到了一种具有双折射率为0.01和单模特性的HB-PCF结构。然后，我们使用双聚焦光刻技术制备了该光纤，具体步骤如下：
1.利用电子束光刻技术将PCF的结构图样写入光刻掩模上；
2.将光刻掩模置于铬靶上，然后进行双聚焦光刻，将所需图案转移到光纤样品表面上；
3.利用电子束蒸发技术，在样品表面沉积金属，形成电子束蒸发掩模结构；
4.利用等离子体刻蚀技术在样品表面刻蚀出PCF的结构形状，并清除电子束蒸发掩模。
最终得到的HB-PCF样品的纤芯直径为4.9μm，柱子直径为3μm，孔径为1.4μm，总长度为10cm。
模拟和实验
为了进一步研究HB-PCF的特性，我们使用天线跑模拟软件Lumerical进行了模拟分析和实验验证。首先，我们通过向HB-PCF中注入线性偏振光来研究其光学性能，分析其传输过程中的功率传输特性和传输损耗。结果表明，HB-PCF具有较低的传输损耗和良好的光传输特性，同时具有高双折射性能。
接着，我们对HB-PCF的色散和应力特性进行了分析。结果表明，由于渐进螺旋结构和纵横交错排列的协同作用，HB-PCF具有优良的色散特性和应力特性。在波长为1550nm，传输距离为10km的情况下，HB-PCF的色散系数为1.52ps/(nm·km)，比市场上的多模光纤要低得多。
结论
本文介绍了一种新型单芯高双折射光子晶体光纤的设计及其特性研究。该光纤通过设计一个具有周期性结构的纵横交错排列的圆形空心柱子阵列来实现，该结构可产生高双折射性能，同时具有低损耗和扩展带宽的优点。通过模拟分析和实验验证，我们发现该光纤具有良好的双折射性能和真正的单芯纤芯结构，在光学性能、色散特性和应力特性方面均能满足高速光通信和传感的需求。该研究结果将为高速光通信和传感领域的应用提供新思路和方法。