基于二氧化硅的具有压缩几何结构和掺锗纤芯的双折射蜂窝光子晶体光纤用于全正常色散超连续谱产生

《IEEE Photonics Journal》：Design of Silica-Based Birefringent Honeycomb Photonic Crystal Fiber With Squeezed Geometry and Germanium-Doped Core for all-Normal Dispersion Supercontinuum Generation

　　

研究人员提出并数值分析了一种基于二氧化硅的双折射光子晶体光纤（PCF），其具有蜂窝晶格、压缩几何结构以及掺锗纤芯。该结构被设计为在高达2.3 μm波长范围内呈现全正常色散（ANDi），色散最大值位于1.55 μm附近。蜂窝排列与受控的晶格各向异性及辅助亚波长空气孔相结合，能够精确调控色散和偏振特性。掺锗纤芯区域的添加增强了折射率对比度，并支持有利于高效非线性相互作用的紧凑模场面积。此外，研究人员分析了设计参数对色度色散及所产生的超连续谱特性的影响。

本文报道了一种基于二氧化硅的压缩几何蜂窝光子晶体光纤（PCF），通过掺锗纤芯与晶格各向异性协同设计，实现了偏振保持的全正常色散（ANDi）超连续谱产生（SCG），相关成果发表于《IEEE Photonics Journal》。超连续谱产生在光子晶体光纤中可产生宽带相干光源，但传统方案依赖反常色散区的孤子动力学，易引入光谱与时间不稳定性。全正常色散超连续谱产生利用整个光谱范围内的正常群速度色散（GVD），借助自相位调制（SPM）和光波分裂实现低噪声相干展宽，然而设计具有平坦全正常色散轮廓的光子晶体光纤需精细平衡纤芯尺寸、折射率对比度及周围空气孔几何结构。同时，引入并控制双折射对维持偏振稳定、抑制模式耦合至关重要，高双折射可确保保偏工作并抑制正交模式间的非线性耦合。已有设计常在偏振保持、色散平坦与制备可行性之间折中。此前有研究展示了结合掺锗椭圆纤芯和压缩亚波长空气孔晶格的高双折射微结构二氧化硅光纤，实验证明在慢轴泵浦下可产生超过2.5 μm的偏振全正常色散超连续谱。蜂窝光子晶体光纤相比传统六角晶格光纤在色散工程方面更具灵活性，且已有制备可行性支撑。为此，研究人员提出一种基于二氧化硅的双折射蜂窝光子晶体光纤，采用压缩晶格几何和掺锗纤芯，创新点在于将晶格压缩作为独立设计参数，同时调控色度色散和相位双折射，目标是在保持宽全正常色散的同时实现大于5×10^-4的相位双折射，并支持高效、偏振稳定的超连续谱产生至2.3 μm。

研究人员利用COMSOL Multiphysics Wave Optics Module进行数值表征，采用有限元法，最大网格单元尺寸为200 nm，特征值求解器相对容差为1×10^-6，并施加理想电导体（PEC）边界条件。利用模型四分之一对称性提高计算效率，计算基模的有效折射率和电场分布，进而获得色度色散、相位双折射和有效模场面积。非线性模拟采用CNLSE求解器，输入双曲正割脉冲，中心波长1.55 μm，脉冲能量2.1 nJ，半高全宽（TFWHM）为30 fs，峰值功率62 kW，激励角设为0°（慢模）或90°（快模），并计入两偏振模式间的线性耦合，传播长度2 m，忽略传输损耗。参数敏感性分析中，以设计A为基准，分别改变晶格间距Λ、空气孔因子f_h、纤芯因子f_c和缩放因子f_s，构成设计B至设计I进行对比。

**A. 晶格间距Λ的影响**
增大晶格间距会削弱微结构包层对导模的作用，降低波导色散贡献，使色散曲线向反常色散区移动；减小Λ则增强波导贡献，使色散向更大正常值移动。相位双折射随Λ增大而降低，因为导模与不对称包层相互作用减弱。有效模场面积在短波范围随Λ减小而减小，但在长波范围增大更快。非线性模拟显示，减小Λ使超连续谱变窄但更稳定；增大Λ引入孤子动力学，光谱强调制但展宽更广，正交偏振功率增大。所选Λ是权衡全正常色散与稳定性的最优值。

**B. 空气孔因子f_h的影响**
增大f_h增强波导色散贡献和结构各向异性，使色散转向反常区并提高相位双折射；减小f_h则色散更正常、双折射降低。有效模场面积变化趋势与Λ类似，交叉点移至约1 μm。非线性结果与Λ变化定性一致：增大f_h破坏全正常色散并引发光谱碎片化，减小f_h使光谱变窄但更平滑，且正交偏振功率更低，偏振消光比（PER）改善。所选f_h平衡了全正常色散与目标双折射。

**C. 纤芯因子f_c的影响**
增大纤芯因子会降低包层对导模的影响，削弱波导色散，使色散向反常区移动；减小f_c使色散更正常。由于不改变结构不对称性，相位双折射对f_c不敏感。有效模场面积随f_c变化类似Λ调制，交叉点约1.75 μm。非线性模拟表明，增大f_c激活孤子动力学并产生强调制、碎片化光谱；减小f_c则获得更窄但更稳定的超连续谱，非激发偏振功率降低。所选f_c同样兼顾色散体制与偏振性能。

**D. 缩放因子f_s的影响**
增大缩放因子即垂直压缩晶格，增强结构不对称性，提高相位双折射；同时有效纤芯尺寸减小，弱化波导色散，使色散向正常区移动。有效模场面积随f_s增大在短波减小、长波增大更快，交叉点约1.5 μm。非线性结果显示，增大f_s使超连续谱带宽变窄，但稳定性和PER略优；减小f_s将色散推入反常区，引发孤子动力学并产生严重光谱分裂。所选f_s在保持全正常色散和实现高双折射之间达到平衡。

讨论部分总结了优化设计的综合性能：该光纤同时实现约2.3 μm范围内的全正常色散、1.55 μm处大于5×10^-4的相位双折射，以及低于30 μm²的有效模场面积。非线性模拟证明沿两个主轴激励均可产生稳定超连续谱，其中快轴激励在?15 dB水平获得1085 nm带宽，同时保持高偏振消光比。与文献中代表性双折射全正常色散光纤相比，该设计在色散、双折射、模限制和非线性性能方面具有竞争力。参数敏感性分析表明，保持全正常色散是获得光谱平滑稳定超连续谱的首要条件；使光纤进入反常色散区的几何变化会促进孤子相关动力学、增加交叉偏振功率并降低光谱稳定性，而适度偏差仍可保持理想工作特性，从而证实了优化设计对实际制备公差的鲁棒性。

结论部分翻译如下：这项工作证明，晶格压缩可成功用作在蜂窝光子晶体光纤中同时工程化色度色散和相位双折射的有效设计参数。所提出的优化策略建立在一种先前已被制备和实验表征的双折射蜂窝光子晶体光纤基础上。该研究并未引入根本性的新型光纤架构，而是系统地扩展了这一经实验验证的设计，确定了同时实现宽全正常色散、高双折射和高效非线性性能所需的几何修改。因此，所提出的光纤将实验可行性依据与改善的光学特性相结合。总体而言，这项工作为在保偏蜂窝光子晶体光纤中利用晶格压缩作为色散工程机制建立了实用的设计边界。所提出的方法提供了定量设计指南，用以平衡色散、双折射、模限制和制备公差，从而支持开发用于超快非线性光子学的稳健、低噪声超连续谱光源。