光子晶體光纖及其在光纖陀螺中的應(yīng)用

光子晶體光纖獨特的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模機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的分析。

先簡單介紹光子晶體光纖相對于普通光纖的特點,然后重點闡述光子晶體光纖在量子信息上應(yīng)用的優(yōu)勢。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。最后簡要展望了光子晶體光纖在量子信息領(lǐng)域內(nèi)的前景。

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)實現(xiàn)超連續(xù)譜的平坦化;基于皮秒鎖模光纖激光器實現(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.

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半徑,為了提高計算速度,提出了一種工作波長為1.55μm時,光子晶體光纖模場半徑的快速估算方法,進而實現(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)確快速的實現(xiàn)光子晶體光纖熔接損耗的估算。

為了抑制通信系統(tǒng)中脈沖的展寬,根據(jù)色散補償理論,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行分析,可為實際制備工作提供一定的理論指導(dǎo).

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0.01的量級,兩種光子晶體光纖的模場、雙折射、約束損耗等特性基本類似.

光子晶體光纖(pcf),是在1987年提出的光子晶體概念基礎(chǔ)上,由1995年開始付諸實現(xiàn)的光纖。光子晶體光纖是一種新型光纖,其結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光機理都與普通光纖不同,呈現(xiàn)出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實現(xiàn)的特性,并因此受到廣泛關(guān)注。在光子晶體光

采用毛細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)實驗均證實此光纖在6328nm以上的波長范圍內(nèi)為單模光纖

光纖是光纖陀螺的核心器件之一。光纖的性能參數(shù)直接決定光纖陀螺的性能。常規(guī)硅芯光纖制造工藝比較成熟,但受限于物理條件,"克爾效應(yīng)"、"瑞利背向散射效應(yīng)"、"法拉第效應(yīng)"和"舒珀效應(yīng)"影響比較大。近年來,基于光子帶隙效應(yīng)的導(dǎo)光機制與傳輸特性制成的在空氣中傳輸光線的空芯光子帶隙光纖逐漸應(yīng)用在光纖陀螺制造中。介紹空芯光子帶隙光纖的性能特點,尤其是相比常規(guī)硅芯光纖的優(yōu)勢;空芯光子帶隙光纖的技術(shù)發(fā)展?jié)摿?展望其在光纖陀螺中的應(yīng)用前景。

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的能量損耗實現(xiàn)了光斑的整形.實驗結(jié)果與模擬結(jié)果有很好的一致性.

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.

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.

本文設(shè)計了兩種具有微結(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: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更容易實現(xiàn)高雙折射和高非線性.

利用comsolmultiphysics軟件進行仿真,計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)計光子晶體光纖光柵提供理論依據(jù)。

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。

本文采用堆拉法自主研制了一種新型的柚子型光子晶體光纖,并詳細分析了光子晶體光纖的制作工藝。在預(yù)制棒制作方面,設(shè)計了獨特的拼裝工具輔助預(yù)制棒的拼裝,提高了預(yù)制棒的一致性。在光纖拉制方面,設(shè)計了精度較高的微壓控制系統(tǒng)來控制毛細管內(nèi)壓力的大小。經(jīng)多次試驗表明:當(dāng)溫度在1850~1900℃、壓力在1500~2000pa時,可以得到結(jié)構(gòu)相對均勻、損耗較小、強度較好的柚子型光子晶體光纖。對光纖性能進行了測試分析,光纖包層直徑為130μm,涂敷層直徑為250μm,在1550nm處模場直徑為11.27μm,光纖損耗為3.5db/km,測試結(jié)果表明,研制的柚子型光子晶體光纖的幾何參數(shù)和光學(xué)參數(shù)已達到工程化應(yīng)用指標(biāo),為進一步開發(fā)高靈敏度的光纖光柵奠定了理論基礎(chǔ)。

為了設(shè)計最優(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式?；谏鲜隼碚摫磉_式計算了空間激光與光纖的耦合效率,并通過實驗驗證了此理論表達式的有效性。理論計算和實驗均證實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。所提出理論表達式和實驗方法完全可以為設(shè)計光纖耦合系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的參數(shù)。

實驗研究了基于摻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)沒有色散補償元件,通過半導(dǎo)體可飽和吸收鏡實現(xiàn)鎖模的自啟動.實驗獲得了平均功率為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.

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)計出一種能在1550nm低損耗窗口性能優(yōu)越的色散補償光纖。 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償。 關(guān)鍵詞：光纖光學(xué)；光子晶體光纖；雙芯；色散補償 1引言 近年來,光子晶體光纖由于其獨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,比 如高非線性,高雙折和偏振保持,奇異色散特性,表面增強拉曼效應(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

使用脈寬為1.6ps的脈沖光抽運0.6m長的光子晶體光纖,測量由光纖中自發(fā)四波混頻過程所產(chǎn)生光子對的頻譜,并利用所獲得的相位匹配數(shù)據(jù)確定了待測光纖的色散。當(dāng)抽運光的中心波長以1nm的步長,在1037～1047nm的范圍內(nèi)變化時,通過可調(diào)諧濾波器和單光子探測器測量光子晶體光纖產(chǎn)生的信號和閑頻光子對的頻譜,從而獲得11組四波混頻相位匹配數(shù)據(jù)。然后使用階躍有效折射率模型對所獲得的相位匹配數(shù)據(jù)進行擬合,得出待測光子晶體光纖的纖芯半徑和包層空氣比的有效值分別為0.949μm和29.52%,并在此基礎(chǔ)上計算了光纖的色散及全頻譜范圍內(nèi)的四波混頻相位匹配曲線。實驗結(jié)果顯示,曲線預(yù)測值與實測值之間誤差小于0.1%。

通過分析非對稱雙芯光子晶體光纖耦合理論,提出了一種非對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其耦合特性的影響,結(jié)果表明,該非對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>