摻鍺芯光子晶體光纖和普通單模光纖的低損耗熔接

為了設(shè)計(jì)最優(yōu)光纖耦合系統(tǒng),利用高斯模場近似單模階躍光纖的模場和大模面積光子晶體光纖的模場,推導(dǎo)出了理想情況下空間激光與這兩種光纖的耦合效率解析表達(dá)式以及光纖端面相對于耦合系統(tǒng)存在橫向偏移和端面傾斜時的耦合效率解析表達(dá)式?；谏鲜隼碚摫磉_(dá)式計(jì)算了空間激光與光纖的耦合效率,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此理論表達(dá)式的有效性。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均證實(shí)了單模階躍光纖對于橫向偏移更敏感,當(dāng)橫向偏移量等于單模光纖的纖芯半徑時所對應(yīng)的耦合效率只有20.25%,為理論最大值的1/4;而大模面積光子晶體光纖對于端面傾斜更加敏感,當(dāng)端面傾斜2°時對應(yīng)的耦合效率只有40.5%,為理論最大值的1/2。所提出理論表達(dá)式和實(shí)驗(yàn)方法完全可以為設(shè)計(jì)光纖耦合系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的參數(shù)。

光子晶體光纖(pcf)和普通光纖的熔接損耗主要來源于兩光纖模場直徑(mfd)的失配。提出了一種小芯徑光子晶體光纖和大模場直徑普通光纖低損耗熔接的方法。利用熔融拉錐機(jī)加熱光子晶體光纖來精確控制光子晶體光纖的空氣孔塌縮,以增加光子晶體光纖的模場直徑,從而降低其與大模場直徑普通光纖的熔接損耗。實(shí)現(xiàn)了模場直徑為3.94μm的光子晶體光纖和模場直徑為10.4μm普通光纖的低損耗熔接,最低損耗小于0.2db。

光子晶體光纖以其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高非線性、平坦色散、高雙折射等獨(dú)特光學(xué)特性吸引了越來越多的關(guān)注。簡單介紹了光子晶體光纖的分類,導(dǎo)光機(jī)理,詳細(xì)討論了其相關(guān)光學(xué)特性,最后介紹了光子晶體光纖的研究進(jìn)展。

光子晶體光纖獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模機(jī)制使它具有其他普通光纖無法比擬應(yīng)用前景。本文對晶體光纖的定義、分類、特性和目前的研究情況做了詳細(xì)的分析。

提出了一種利用傳統(tǒng)電弧熔接機(jī)實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖(pcf)與單模光纖(smf)低損耗熔接的新方案。方案結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量與理論計(jì)算,首先通過改變?nèi)劢訒r間、熔接電流等參量,考察了不同熔接功率對pcf端面氣孔結(jié)構(gòu)的影響。由此計(jì)算了pcf端面模場分布的相應(yīng)變化,并根據(jù)兩光纖端面模場的重疊積分計(jì)算了相應(yīng)的熔接損耗,從而確定出對應(yīng)低熔接損耗的熔接功率區(qū)間。綜合考慮熔接強(qiáng)度等要求,反向選取了合理的熔接參量范圍,實(shí)現(xiàn)了pcf-smf之間低損耗、高強(qiáng)度的熔接。提出的熔接方案使熔接過程中pcf包層氣孔的收縮變化、該變化對兩光纖接合匹配度的影響等問題清晰化,克服了以往pcf-smf熔接中難以設(shè)定合理熔接參量的問題,有效地提高了熔接效率和熔接質(zhì)量。

基于折射率匹配耦合原理,提出并設(shè)計(jì)了一種新型寬帶單偏振單模光子晶體光纖,闡述了工作原理并利用全矢量有限元法對其進(jìn)行了數(shù)值模擬。當(dāng)中間纖芯和邊芯之間空氣孔1和2的直徑為2.4μm時,波長在1.26～1.7μm的范圍內(nèi),偏振相關(guān)損耗大于4.08db/m,單偏振單模的帶寬高達(dá)440nm;當(dāng)空氣孔1和2的直徑為2.6μm時,在波長1.31μm處,x偏振模的限制損耗為26.93db/m,而y偏振模的限制損耗僅為0.01db/m,在波長1.55μm處,x偏振模的限制損耗為38.66db/m,y偏振模的限制損耗僅為0.05db/m。這種光子晶體光纖具有高帶寬特性,并且在1.31μm和1.55μm兩個通信窗口存在高相關(guān)偏振損耗。

設(shè)計(jì)了一種聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基的單偏振單模(spsm)微結(jié)構(gòu)聚合物光纖(mpof)。利用全矢量有限元法和光束傳播法相結(jié)合分析了這種光纖的偏振特性和約束損耗。通過優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)參數(shù),發(fā)現(xiàn)在0.51μm～0.62μm的可見光波長范圍,由于基模兩個正交偏振模的截止波長不同,這種微結(jié)構(gòu)聚合物光纖只能傳輸基模中的一個偏振模,從而實(shí)現(xiàn)單偏振單模運(yùn)轉(zhuǎn)。該11圈圓空氣孔六角排列光纖結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)偏振模在0.57μm波長處約束損耗僅為1.13db/m,這種低損耗的單偏振單模微結(jié)構(gòu)聚合物光纖可有效消除傳統(tǒng)保偏光纖固有的偏振串?dāng)_和偏振模色散。

通過施加完美匹配層,利用有限元法,研究熱應(yīng)力誘導(dǎo)的單偏振大模面積光子晶體光纖的偏振特性,計(jì)算纖芯參數(shù)對場能量分布系數(shù)和偏振損耗比的影響.結(jié)果表明,隨著纖芯折射率提高,兩正交偏振模的損耗比下降,當(dāng)纖芯直徑減小時,場能量分布系數(shù)降低.

為了抑制通信系統(tǒng)中脈沖的展寬,根據(jù)色散補(bǔ)償理論,提出了一種由單一石英材料制成的雙層芯光子晶體光纖(dccpcf).該光纖的色散值在1.55μm處可達(dá)到-6000ps/(nm·km).理論分析表明,在傳輸過程中內(nèi)芯基模和外芯缺陷模以相位匹配波長為臨界狀態(tài),在內(nèi)芯與外芯之間相互交替?zhèn)鬏?并在匹配波長處因模式發(fā)生強(qiáng)烈耦合而引起折射率產(chǎn)生大幅度波動.通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)d1、d2變化的情況下色散曲線的擾動情況進(jìn)行分析,可為實(shí)際制備工作提供一定的理論指導(dǎo).

光子晶體光纖因具有設(shè)計(jì)自由、導(dǎo)光機(jī)制新穎等優(yōu)勢而被人們廣泛關(guān)注。相比于帶隙型光子晶體光纖和kagome光纖,空芯反諧振光纖(hc-arf)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、單模導(dǎo)光、傳輸譜寬且損耗低的特點(diǎn),在紫外/中紅外光傳輸、高功率激光產(chǎn)生、非線性光學(xué)及傳感等領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用。但是hc-arf要真正得到廣泛應(yīng)用,其與普通單模光纖的熔接必須簡便且損耗低,然而,hc-arf包層特殊的毛細(xì)管孔結(jié)構(gòu)在熔接過程中容易坍塌,且其模場直徑不同于普通單模光纖,故直接熔接時損耗很大。為此,引入一段纖芯直徑為20μm的實(shí)芯大模場光纖作為模場過渡,實(shí)現(xiàn)了hc-arf和普通單模光纖之間的熔接,熔接損耗由直接熔接的3db降至0.844db。

光子晶體光纖(pcf,photoniccrystalfiber)的熔接技術(shù)為pcf產(chǎn)品的應(yīng)用和開發(fā)提供了條件。本文主要介紹了影響pcf熔接的主要因素,比較了傳統(tǒng)電弧熔接方法和激光熔接方法的優(yōu)缺點(diǎn),闡述了激光熔接的基本原理和工作流程,為pcf激光熔接機(jī)的制作打下基礎(chǔ)。

在光子晶體光纖的熔接過程中,由于包層空氣孔大小及結(jié)構(gòu)的不同,使得熔接時熱源的功率和位置均不同,使得加熱過程更為復(fù)雜。本文在對待熔的光子晶體光纖的熱傳導(dǎo)特性研究基礎(chǔ)上,通過三維熱傳導(dǎo)仿真研究光子晶體光纖熔接過程中的最佳偏移量。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究表明:本文提出的方法可以用于計(jì)算光子晶體光纖的最佳熔接條件,從而完成光子晶體光纖與傳統(tǒng)單模光纖間的低損耗熔接。

利用有限差分光束傳輸法分析了全光纖纖芯變形光子晶體光纖中的模場分布以及能量損耗情況.實(shí)現(xiàn)了光子晶體光纖的選擇性空氣孔塌縮,制作了由小纖芯到大纖芯和圓形芯到矩形芯的纖芯變形光子晶體光纖,該光纖在波長1550nm下以小于0.05db的能量損耗實(shí)現(xiàn)了光斑的整形.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果有很好的一致性.

光子晶體光纖模擬.

利用有限差分法研究了一種混合纖芯光子晶體光纖的色散特性.在光纖端面的外圍區(qū)域,由空氣孔在石英材料中均布排列形成包層,在中心則由圓形高折射率材料與布居其近鄰的數(shù)個輔助小空氣孔共同構(gòu)成纖芯.輔助空氣小孔使光纖的色散陡增,比普通光纖色散參數(shù)高兩個數(shù)量級以上.詳細(xì)的數(shù)值研究表明,纖芯周圍的一圈輔助空氣小孔數(shù)目越多、越靠近圓形高折射率材料則色散參數(shù)就越大.當(dāng)輔助小孔距離纖芯非常近時,模場面積大幅度增大,此時不僅能獲得超大色散,而且能夠使光子晶體光纖具有非常小的非線性效應(yīng).改變包層空氣孔的大小對色散參數(shù)影響不明顯.

本文設(shè)計(jì)了兩種具有微結(jié)構(gòu)纖芯的光子晶體光纖(pcfs)——矩形芯和橢圓芯pcfs,利用電磁場散射的多極理論研究了這兩種光纖的基本特性.發(fā)現(xiàn)在光纖包層氣孔不變的情況下,僅通過調(diào)節(jié)纖芯氣孔的大小就可以靈活地調(diào)節(jié)光纖的雙折射、色散和非線性特性.隨著纖芯氣孔半徑r1的增大,兩種纖芯結(jié)構(gòu)的pcfs表現(xiàn)出如下特點(diǎn):雙折射度增大且最大雙折射度對應(yīng)的波長發(fā)生紅移,零色散波長由一個增加到三個,短波段非線性系數(shù)增大而長波段非線性系數(shù)減小.r1=0.4μm的橢圓芯pcfs的三個零色散波長分別位于可見、近紅外和中紅外波段.在結(jié)構(gòu)參數(shù)相似的情況下,橢圓芯pcfs比矩形芯pcfs更容易實(shí)現(xiàn)高雙折射和高非線性.

利用comsolmultiphysics軟件進(jìn)行仿真,計(jì)算了光子晶體光纖不同摻雜半徑下,導(dǎo)波基模有效折射率的分布,并與傳統(tǒng)光纖相比,得出表現(xiàn)光子晶體光纖特性的最佳摻雜半徑大小范圍。分析了非線性系數(shù)受摻雜半徑的影響,為更好地設(shè)計(jì)光子晶體光纖光柵提供理論依據(jù)。

從線性耦合的非線性薛定諤方程組出發(fā),數(shù)值模擬了利用可飽和吸收鏡啟動多芯光子晶體光纖激光器鎖模的建立過程.由于初始自發(fā)輻射的隨機(jī)性,可飽和吸收鏡在多個芯中提取的初始脈沖也具有很大的隨機(jī)性.針對兩種脈沖建立的可能初始情況,即只在一個纖芯中先提取出脈沖與同時在多個纖芯中提取出脈沖,對多芯光子晶體光纖作為鎖模激光器增益介質(zhì)的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的模擬.模擬結(jié)果表明,要想同時鎖定多個纖芯的所有縱模頻率,不僅需要纖芯之間具有較強(qiáng)的耦合,而且在可飽和吸收鏡提取出的多個初始脈沖時延較大時,在talbot腔結(jié)構(gòu)下,端鏡反射使得各個纖芯出射光束相互交疊也是建立穩(wěn)定鎖模過程必須的.

實(shí)驗(yàn)研究了基于摻y(tǒng)b多芯大模場面積光子晶體光纖的全正色散鎖模激光器.增益光纖的18個纖芯呈六角陣列排布,等效的模場直徑約為52μm.激光器基于σ腔結(jié)構(gòu),腔內(nèi)沒有色散補(bǔ)償元件,通過半導(dǎo)體可飽和吸收鏡實(shí)現(xiàn)鎖模的自啟動.實(shí)驗(yàn)獲得了平均功率為3.3w,脈沖寬度為4.92ps,重復(fù)頻率為44.68mhz的鎖模脈沖輸出,對應(yīng)的單脈沖能量為74nj,脈沖經(jīng)腔外光柵對壓縮為780fs.

介紹該課題組近兩年在光子晶體光纖超連續(xù)譜方面的主要研究成果,包括基于連續(xù)波泵浦研制全光纖化超連續(xù)譜源,利用級聯(lián)一段高非線性正常色散光纖,通過光纖的受激拉曼散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超連續(xù)譜的平坦化;基于皮秒鎖模光纖激光器實(shí)現(xiàn)全光纖化5w輸出超連續(xù)譜源;拉制一段145m的錐形光子晶體光纖,利用自制的納秒光纖激光器與錐形光子晶體光纖熔接,制備輸出功率2.2w的寬帶超連續(xù)譜源;利用自制的網(wǎng)狀光子晶體光纖和全固態(tài)光子帶隙光纖,分別研究亞微米薄壁上偏振相關(guān)的超連續(xù)譜產(chǎn)生,以及基于四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的超連續(xù)譜.

介紹了光纖陀螺在實(shí)際應(yīng)用過程中的環(huán)境適應(yīng)性問題,并從光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā),總結(jié)了光子晶體光纖的獨(dú)特應(yīng)用優(yōu)勢,指出將光子晶體光纖應(yīng)用于光纖陀螺中可很好地解決溫度、磁和輻射敏感等問題。通過實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了實(shí)心保偏光子晶體光纖的損耗、模式特性,以及溫度、磁場和核輻射對此種光纖的影響。同時,研究開發(fā)了它與傳統(tǒng)保偏光纖的熔接對軸技術(shù),熔接點(diǎn)損耗和偏振串音達(dá)到0.7db和-25db。在此基礎(chǔ)上,研制出光子晶體光纖陀螺樣機(jī),陀螺零漂達(dá)到0.09(°)/h。研究和對比表明:在光纖陀螺中用光子晶體光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖,在減小溫度、輻射、磁場的影響和進(jìn)一步提高光纖陀螺性能方面具備很大的潛力。

分析基于單芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源在提升平均輸出功率時所面臨的問題,指出采用多芯光子晶體光纖作為超連續(xù)譜產(chǎn)生介質(zhì)是一種實(shí)現(xiàn)高功率超連續(xù)譜產(chǎn)生的潛在方案。使用自制皮秒光纖激光器泵浦一段國產(chǎn)多芯光子晶體光纖,實(shí)現(xiàn)了光譜范圍750～1700nm,平均功率42.3w的全光纖化高功率超連續(xù)譜輸出。