CHEN Z Y，HAO Q D，CHEN N，et al.Design and Simulation of Dumbbell Type Double Hole Thermal Polarization Fused
2020，44（8）：82 - 84.
DOI：10. 16311/j. audioe. 2020. 08. 021
哑铃型双孔热极化熔石英光纤设计与仿真
郝强达，陈 娜，黄 怿，商娅娜，
上海大学，上海200444）
为了进一步提高热极化熔石英光纤二阶非线性系数，设计了一种哑铃型双孔双阳极热极化熔石英光纤， 仿真计算分析了哑铃型双孔双阳极熔石英光纤热极化内建电场和二阶非线性系数
随几何结构参数的变化。该理论设计与仿真结果对高二阶非线性效应热极化光纤的制备具有重要意义。
载流子模型节流阀体
Design and Simulation of Dumbbell Type Double Hole Thermal Polarization Fused Quartz Fiber
CHEN Zhenyi, HAO Qiangda, CHEN Na, HUANG Yi, SHANG Yana, LIU Shupeng
(Shanghai University, Shanghai 200444, China)
In order to further improve thermal polarized fused quartz optical fiber of second order nonlinear coefficient, this paper designed a kind of dumbbell type double-hole double-anode thermal polarization fused quartz optical fiber, using the carrier diffusion model, through COMSOL more physical field numerical simulation analysis of the dumbbell type double-hole double-anode thermally heat fused quartz optical fiber polarization built-in electric field and the second order nonlinear coefficient along with the change of geometry parameters. In addition, the theoretical design and simulation results are of great significance for the preparation of high漆雾净化器
dumbbell type double hole fused quartz fiber; double-hole double-anode thermal polarization; carrier model
通常可应用
差频产生以及二次谐使得光纤的应用领域更加广泛。热极化是目前制备极化光纤最有效的方法。已有的研究极化过程中离子迁移的微观机理，
子迁移，
响。2018
极化，并研究了阳极
层在双芯光纤中的演化与分布规律。
为了使热极化在纤芯中心产生比圆型双孔光
。哑铃型双孔
1
＜d2。
哑铃型双孔光纤退变为圆型双孔光纤，图1 哑铃型双孔光纤横截面结构示意图
图2 圆型双孔光纤横截面结构示意图
对所设计的哑铃型双孔光纤的横截面而言，两孔中心相对于光纤中心是不对称的，而左孔相对于右孔更加靠近纤芯，即d1＜d2。因此，当光纤热极可考虑左孔阳极的离子扩散迁移对光纤纤芯的二阶非线性产生主要影响，而左孔右侧半径r4圆弧区域的离子在外加电场的作用下将向纤芯等距离扩散迁移，可使纤芯的离子浓度增加。据此，随的增大，半径为r4的圆弧长度也会增加，扩散迁移到光纤纤芯的离子浓度会进一步增加，
纤芯区热极化内建电场更强，最终导致其二阶非线性系数更大。反之，当d3趋近零时，半径
将趋于零，即哑铃型双孔结构将退变成圆型双孔结此时热极化后的纤芯离子浓度、芯区内建电场及相应的二阶非线性系数将趋于最小。由此可知，在相同的热极化条件下，圆型双孔光纤的二阶非线性系数小于哑铃型双孔光纤。
此外，虽然哑铃型双孔光纤的左孔越靠近纤芯
越小时，哑铃型孔左右两侧圆弧半径
其光纤热极化在纤芯中心处产生的二阶非线性系数会越大，但是当r4小于一定值时会直接影响光在光纤中的传输损耗。
需为d1
距d3变化时，
此时r3
r
3
=(
2 热极化机理
设热极化温度为
电位，热极化电压为
Na+和H
在光纤中均匀分布；H
热极化开始时，
被激活，
的进行，
离出H3
并逐渐中和由
穴，从而加速
当Na+分火头
室温，并将电压降为零。此时，被凝固于光纤中，
场最大。至此，
熔石英光纤未进行热极化时，系数为
χ(3)
与冻结内建电场
纤的二阶非线性系数
χ(2)
eff
3 结果分析与讨论
3.1 哑铃型孔几何结构参数
由式
的变化关系曲线，
几何结构参数取值为
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的增加，纤芯中心内建电场强度（红线所示）和二阶非线性系数（黑线所示）先增大后减少。当d3=0哑铃型双孔光纤退变为圆型双孔光纤，其纤芯中心内建电场强度和二阶非线性系数分别为4.21× V/m和0.252 6 pm/V，当0＜d3＜13 μm时，
3
的增大，纤芯中心内建电场强度和二阶非线性系数逐渐增大。当d3=13 μm时，纤芯中心内建电场强度和二阶非线性系数分别达到最大值5.36×108 V/m和0.321 8 pm/V。当d3＞13 μm时，
3
的增加，纤芯中心内建电场强度和二阶非线性系数逐渐减少，这是因为右孔对光纤热极化产生的影响越来越明显。
哑铃型双孔光纤中心内建电场和二阶非线性随d3的
变化
哑铃型双孔光纤中心内建电场和二阶非线性
的变化
哑铃型双孔光纤纤芯中心热极化内建电场强度和二阶非线性系数随d2的变化如图5所示，其中哑铃型孔各几何结构参数r1、r2、r4和d1的取值同
章节，d3=12 μm。由图5可知，随着哑铃型右孔与纤芯中心距离d2的增加，纤芯中心产生的内建电场红线所示）和二阶非线性系数（黑线所示
吸附树脂渐增大并趋于饱和。当d2=17 μm时，纤芯中心内建电场强度和二阶非线性系数为零，因为此时左右两孔关于纤芯中心对称，
心相互抵消。当
的增大，
逐渐增大。当
度和二阶非线性系数分别为
5 pm/V。当
中心内建电场强度和二阶非线性基本趋于不变，是因为右孔对光纤热极化产生的影响越来越小。
图5 哑铃型双孔光纤中心内建电场和二阶非线性随d2
变化
4 结 语
首先设计哑铃型双孔结构光纤，基于载流子模型，利用有限元法，通过COMSOL多物理场数值仿真软件平台，计算分析了哑铃型双孔熔石英光纤纤芯中心热极化内建电场强度和二阶非线性系数随哑铃型孔上下圆弧圆心间距d3和右孔与纤芯中心距离d2的变化。研究结果表明，光纤纤芯中心二阶非线性系数随d3先增大后减小。当d3=13 μm时，热极化效果最佳，此时二阶非线性系数达到最大值0.321 8 pm/V，比圆型双孔光纤约大0.069 pm/V。此外，光纤纤芯中心二阶非线性系数随d2逐渐增大且趋于饱和。哑铃型双孔熔石英光纤对于高二阶非线性效应的光纤制备具有重要的理论指导意义，非线性全光纤器件的发展具有重要意义。
参考文献：
］黄琳.光纤热极化及其二阶非线性效应的理论与实验研究［D］.北京：北京交通大学，2018.
i52作者简介：
陈振宜（1959—），男，博士，研究员，博士生导师，研究方向：特种光纤预制棒的设计、制备及拉丝，掺杂光纤的制备与特性研究，特种光纤器件与传感研究。
责任编辑：葛存收稿日期： 2020 - 06 - 20
图3 哑铃型孔几何结构参数r3随d3的变化
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投稿网址: www.videoe 2020年第44卷第8期
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