用于光斑尺寸和数值孔径转换的锥形多孔光纤
引用
锥形多孔光纤；G.E. Town 和 J.T. Lizier
关键词
- 多孔光纤
- 锥形光纤
- 绝热锥形化
- 光斑尺寸转换
- 数值孔径转换
- 有效折射率模型
- 时域有限差分法 (FDTD)
简介
绝热锥形多孔光纤具有在低损耗下实现导模场分布的大幅缩放和重塑的潜力，并且不会出现标准阶跃折射率光纤锥形化带来的问题。
摘要
绝热锥形多孔光纤 (HF) 可用于转换光纤中的光斑尺寸和数值孔径。锥形 HF 是一种尺寸逐渐变化的多孔光纤。这种逐渐变化最大限度地减少了反射和辐射损耗，从而实现了宽带阻抗转换和模场分布的缩放。HF 通过全内反射引导光。光纤中没有孔隙，形成纤芯，而周围的空气孔阵列则形成低有效折射率包层。
标准阶跃折射率光纤 (SIF) 的主要问题是其与集成光学器件、波导和半导体器件等耦合效率低下。这种低效率是由于模场分布不匹配以及有效折射率或波阻抗的变化造成的。虽然降低耦合损耗的标准方法是在波导结构中使用绝热过渡（例如锥形），但这种过渡提供的弱导波通常会导致多模导波或不可接受的损耗。
然而，HF 有潜力克服与 SIF 锥形相关的问题，并在低损耗的情况下对导模场分布进行大幅缩放和重塑。由于多孔包层的有效折射率与波长相关，因此 HF 的有效归一化频率参数与孔距或波导尺寸不成线性比例。因此，HF 可以设计为在很宽的波长范围内保持单模。对于固定波长，波导尺寸可以大幅缩小，但仍保持单模状态。在锥形转换下，导模的数值孔径和有效折射率也可能发生显著变化。锥形中频光纤在两个方向上均有效。
作者对下锥形中频光纤进行了有限差分时域 (FDTD) 计算，表明使用短的最佳形状锥形光纤，可以在最小损耗的情况下获得较大的光斑尺寸转换因子。作者使用 FDTD 模拟轴向非均匀多孔光纤波导中的电磁波传播，以确定透射场和反射场。作者得出结论，锥形中频光纤有可能在一系列光学元件之间提供有效的耦合。通过 FDTD 建模，他们证明了下锥形多孔光纤中光斑尺寸的显著减小。根据有效折射率理论，他们还预计数值孔径将显著增加。他们预计上锥形光纤在光斑尺寸扩展和数值孔径减小方面也将具有类似的效果。作者还预计类似的结论也适用于任何其他具有周期性包层结构的波导。
来源：https://lizier.me/joseph/publications/2001-TaperedHoleyFiber.pdf