多芯光子晶體光纖高功率超連續(xù)譜光源

使用鈦寶石飛秒激光器抽運(yùn)一根長30cm的光子晶體光纖,產(chǎn)生了從可見到近紅外區(qū)的超連續(xù)譜,波長范圍為465~2500nm,光譜展寬范圍達(dá)到了2000nm以上,同時(shí)研究了超連續(xù)譜產(chǎn)生的機(jī)制.

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(jiǎn)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(duì)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。

超連續(xù)譜光源在很多領(lǐng)域具有廣泛而重要的應(yīng)用,過去40多年一直是國際研究熱點(diǎn)之一。但一方面由于普通雙包層光纖與光子晶體光纖模場(chǎng)不匹配會(huì)導(dǎo)致較高的熔接損耗和耦合損耗;另一方面受高質(zhì)量超快光纖脈沖激光器輸出平均功率的限制,目前超連續(xù)譜光源的最高輸出平均功率只有50w。報(bào)道了一種全光纖結(jié)構(gòu)的超連續(xù)譜光源,輸出平均功率為70w。由于整個(gè)裝置采用一種新的超連續(xù)譜形成機(jī)制,較好解決了普通雙包層光纖與光子晶體光纖由于模場(chǎng)不匹配導(dǎo)致的較高熔接損耗和耦合損耗;降低了對(duì)脈沖泵浦源光譜質(zhì)量的要求。

實(shí)驗(yàn)研究了基于摻y(tǒng)b多芯大模場(chǎng)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(gè)纖芯呈六角陣列排布,等效的模場(chǎng)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(dòng).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(duì)應(yīng)的單脈沖能量為74nj,脈沖經(jīng)腔外光柵對(duì)壓縮為780fs.

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(dòng).通過對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)d1、d2變化的情況下色散曲線的擾動(dòng)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).

采用毛細(xì)玻璃管拼接并拉絲的方法試制成功光子晶體光纖樣品,它由石英纖芯和周圍呈六角形分布的兩圈氣孔組成,氣孔直徑4μm,間距17μm,芯區(qū)直徑30μm。理論模擬和光學(xué)實(shí)驗(yàn)均證實(shí)此光纖在6328nm以上的波長范圍內(nèi)為單模光纖

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(dòng)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(gè)芯中提取的初始脈沖也具有很大的隨機(jī)性.針對(duì)兩種脈沖建立的可能初始情況,即只在一個(gè)纖芯中先提取出脈沖與同時(shí)在多個(gè)纖芯中提取出脈沖,對(duì)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(shí)鎖定多個(gè)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(gè)初始脈沖時(shí)延較大時(shí),在talbot腔結(jié)構(gòu)下,端鏡反射使得各個(gè)纖芯出射光束相互交疊也是建立穩(wěn)定鎖模過程必須的.

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(chǎng)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.

增大光場(chǎng)與氣體的作用范圍是提高光子晶體光纖(pcf)氣體傳感靈敏度的主要途徑之一。首先,利用多極方法模擬了空芯光子晶體光纖中的功率分?jǐn)?shù)隨波長的變化關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)帶隙型光子晶體光纖纖芯中光功率分?jǐn)?shù)隨波長變化是不連續(xù)的,其最大值可達(dá)90%,最小值不到5%。纖芯中光功率分?jǐn)?shù)隨波長的分布還與光子晶體光纖包層的空氣填充率有關(guān)。其次,通過平面波展開方法計(jì)算了相應(yīng)光子晶體光纖周期性包層所導(dǎo)致的光子帶隙,研究發(fā)現(xiàn)纖芯中的功率分?jǐn)?shù)與光子晶體光纖周期性包層光子帶隙的特征有著密切的聯(lián)系。只要被檢測(cè)氣體的特征波段落入空芯光子晶體光纖的光子帶隙中,纖芯中的光功率分?jǐn)?shù)就會(huì)遠(yuǎn)大于實(shí)芯光子晶體光纖倏逝波吸收傳感時(shí)氣孔中的功率分?jǐn)?shù)。

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(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)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(shí),模場(chǎng)面積大幅度增大,此時(shí)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(duì)色散參數(shù)影響不明顯.

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(duì)場(chǎng)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(shí),場(chǎng)能量分布系數(shù)降低.

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(chǎng)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(duì)應(yīng)的波長發(fā)生紅移,零色散波長由一個(gè)增加到三個(gè),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(gè)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)。

光子晶體光纖模擬.

基于有限元法分析了光子晶體光纖模場(chǎng)半徑,為了提高計(jì)算速度,提出了一種工作波長為1.55μm時(shí),光子晶體光纖模場(chǎng)半徑的快速估算方法,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖熔接損耗的快速估算。分析表明,本文提出的方法能夠準(zhǔn)確快速的實(shí)現(xiàn)光子晶體光纖熔接損耗的估算。

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(shì),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(chǎng)和核輻射對(duì)此種光纖的影響。同時(shí),研究開發(fā)了它與傳統(tǒng)保偏光纖的熔接對(duì)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(duì)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(chǎng)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。

雙芯準(zhǔn)晶格光子晶體光纖的色散特性 胥長微 （黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院20115414） 摘要：設(shè)計(jì)了一種折射率引導(dǎo)型雙芯準(zhǔn)晶格光子晶體光纖。該光纖內(nèi)、外纖芯中光波的耦合 效應(yīng)，可在相位匹配波長附近產(chǎn)生相當(dāng)高的負(fù)色數(shù)值。通過分析內(nèi)包層孔徑、纖芯孔徑、外 包層孔徑d,孔間距a，最終設(shè)計(jì)出一種能在1550nm低損耗窗口性能優(yōu)越的色散補(bǔ)償光纖。 此種光線適合在長距離高速光纖通信，系統(tǒng)中為常規(guī)單模光纖提供色散補(bǔ)償。 關(guān)鍵詞：光纖光學(xué)；光子晶體光纖；雙芯；色散補(bǔ)償 1引言 近年來,光子晶體光纖由于其獨(dú)特的特性們的廣泛關(guān)注,并成為國際學(xué)術(shù)界 研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域.由于靈活的結(jié)構(gòu)使得它具有許多傳統(tǒng)光纖不具備的特點(diǎn),比 如高非線性,高雙折和偏振保持,奇異色散特性,表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)等.雙芯光 纖是學(xué)系統(tǒng)中常用的耦合器件,然而傳統(tǒng)雙芯光纖在制作上比繁瑣,光子晶體 光

通過分析非對(duì)稱雙芯光子晶體光纖耦合理論,提出了一種非對(duì)稱雙芯光子晶體光纖耦合器。理論分析顯示,該耦合器的耦合比在一個(gè)較寬的波長范圍內(nèi)變化較小,具有波長響應(yīng)平坦特性。通過有限元法模擬分析了該耦合器兩芯間空氣孔的尺寸以及光的偏振對(duì)其耦合特性的影響,結(jié)果表明,該非對(duì)稱光子晶體光纖耦合器在1.3~1.8μm的波長范圍內(nèi),其50%耦合比變化在±4%以內(nèi),具有較好的波長平坦耦合響應(yīng)特性,適合光纖通信等領(lǐng)域?qū)拵я詈掀鞯男枨蟆?/p>

超連續(xù)譜光源在眾多科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛而重要的應(yīng)用,近年來一直是國際研究熱點(diǎn).回顧了利用連續(xù)光激光器和脈沖光激光器抽運(yùn)光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜光源的形成機(jī)制以及近幾年來兩種機(jī)制下高功率超連續(xù)譜光源所取得的進(jìn)展,分析了在提高超連續(xù)譜光源輸出平均功率過程中需要克服的難題.報(bào)道了國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)通過優(yōu)化超連續(xù)譜光源的整體結(jié)構(gòu),攻克了低損耗熔接、光纖端面抗損傷、熱處理以及非線性效應(yīng)的有效控制等關(guān)鍵技術(shù),成功研制出一種全光纖結(jié)構(gòu)、輸出平均功率為177.6w的超連續(xù)譜光源,光譜范圍覆蓋1064-2000nm,10db光譜帶寬約740nm,光-光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)56%,功率水平為國際領(lǐng)先.

先簡(jiǎn)單介紹光子晶體光纖相對(duì)于普通光纖的特點(diǎn),然后重點(diǎn)闡述光子晶體光纖在量子信息上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。與其它方法,如基于非線性晶體自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換方法相比,利用光子晶體光纖能更有效地產(chǎn)生糾纏光子,并能與現(xiàn)有光纖傳輸系統(tǒng)良好兼容,從而表現(xiàn)出其在量子信息領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)越性及巨大的應(yīng)用潛力。最后簡(jiǎn)要展望了光子晶體光纖在量子信息領(lǐng)域內(nèi)的前景。

采用全矢量有限元方法和完美匹配層條件,研究了一種在光纖包層中引入矩形孔的光子晶體光纖,提出一種實(shí)現(xiàn)高雙折射光子晶體光纖的方法.模擬結(jié)果表明矩形孔光子晶體光纖具有橢圓孔光子晶體光纖類似的高雙折射特性,其雙折射高達(dá)0.01的量級(jí),兩種光子晶體光纖的模場(chǎng)、雙折射、約束損耗等特性基本類似.