光子晶體光纖耦合器中的標(biāo)量調(diào)制不穩(wěn)定性

通過(guò)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(zhǎng)范圍內(nèi)變化較小,具有波長(zhǎng)響應(yīng)平坦特性。通過(guò)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(zhǎng)范圍內(nèi),其50%耦合比變化在±4%以內(nèi),具有較好的波長(zhǎng)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>

為了優(yōu)化雙芯光子晶體光纖耦合器的耦合性能,采用改變兩纖芯間空氣孔的結(jié)構(gòu)和孔內(nèi)折射率的方法,得到了雙芯光子晶體光纖耦合器的優(yōu)化模型?；诠馐鴤鞑シ〝?shù)值分析出兩纖芯間空氣孔尺寸以及孔內(nèi)注入材料折射率的變化對(duì)雙芯光子晶體光纖耦合器的耦合性能的影響。結(jié)果表明,由于光纖的整體結(jié)構(gòu)不變,使得光纖損耗系數(shù)保持不變;減小雙芯間的空氣孔孔徑或增大孔內(nèi)折射率都會(huì)使耦合器的耦合長(zhǎng)度減小,兩不同偏振方向的耦合長(zhǎng)度差異減小,損耗減小;雙芯間空氣孔內(nèi)折射率可調(diào)性強(qiáng),使得光纖耦合器的耦合性能有易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn),為設(shè)計(jì)雙芯光子晶體光纖耦合器的優(yōu)化模型提供了理論支持。

設(shè)計(jì)了以光子晶體光纖為基質(zhì)的1550nm波段的雙芯光纖耦合器。耦合器雙纖芯間距為4μm,空氣孔孔徑為1μm,孔間距為2μm,一個(gè)周期的耦合區(qū)長(zhǎng)度為900μm。數(shù)值計(jì)算了光場(chǎng)在該光纖耦合器中的模場(chǎng)演化情況。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,以光子晶體光纖為基質(zhì)的光纖耦合器實(shí)現(xiàn)了常規(guī)光纖耦合器的功能。

本文從對(duì)非對(duì)稱雙芯光子晶體光纖耦合器的數(shù)值模擬分析,表明提出的結(jié)構(gòu)由于兩不同偏振方向模式的耦合程度相近,使得這種耦合器可忽略光偏振特性的影響;同時(shí),在一定分光比下,耦合器具有波長(zhǎng)響應(yīng)平坦性,可制作不同分光比的寬帶雙芯耦合器,并且?guī)?、分光比偏差程度、耦合長(zhǎng)度等特性較普通寬帶光纖耦合器都有較大改善,為寬帶非對(duì)稱雙芯光子晶體光纖耦合器的制作提供了理論支持。

在雙芯pcf的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型定向耦合器,根據(jù)波導(dǎo)間相互耦合原理,采用時(shí)域有限差分法分析了該器件的光傳輸特性。并數(shù)值計(jì)算了雙芯pcf的結(jié)構(gòu)參量對(duì)耦合性能的影響,發(fā)現(xiàn)其耦合長(zhǎng)度隨著空氣填充率d/λ的減小而增大,隨著傳輸波長(zhǎng)λ的增大而減小。并基于雙芯pcf結(jié)構(gòu),以常用通信波長(zhǎng)為例,設(shè)計(jì)出0.85/1.55μm,0.98/1.55μm和1.3/1.55μm的超微型波分復(fù)用器件,通過(guò)調(diào)節(jié)雙芯pcf的結(jié)構(gòu)參量得到合適的耦合長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)了不同波長(zhǎng)的解復(fù)用。研究表明雙芯pcf耦合器在波分復(fù)用等方面具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

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(lái)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(wú)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。

從光纖耦合器的耦合模方程出發(fā),用奇偶超模對(duì)其進(jìn)行重寫(xiě),討論了當(dāng)輸入條件使奇次超模被單獨(dú)激發(fā)時(shí),計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬了高階色散對(duì)光纖耦合器穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明:光纖耦合器中在正常和反常色散區(qū)均存在不穩(wěn)定性,并且不穩(wěn)定性與3階色散項(xiàng)無(wú)關(guān)、與4階色散項(xiàng)有關(guān),給出了增益譜在不同色散區(qū)隨輸入功率的變化關(guān)系.

為提高光纖耦合器性能穩(wěn)定性,減少其對(duì)光纖陀螺輸出的影響,首先建立了耦合器分光比與各參數(shù)間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,分析了環(huán)境變化對(duì)單模耦合器分光比穩(wěn)定性的影響;其次建立了分光比穩(wěn)定性與光纖陀螺輸出誤差間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)光纖陀螺存在角加速度時(shí),光纖耦合器分光比變化率越大,光纖陀螺輸出誤差越大。當(dāng)分光比變化率△c.r>1.4e-03/s,不到1min即可使光纖陀螺輸出誤差ε>0.001(°)/h,對(duì)中高精度光纖陀螺的輸出準(zhǔn)確度將造成嚴(yán)重影響。提出了降低光纖耦合器分光比變化率的一些方法,對(duì)光纖陀螺的光路設(shè)計(jì)和耦合器的適當(dāng)選取具有較大參考價(jià)值。

光子晶體光纖是一種包層由空氣孔-石英沿軸向方向周期排列所構(gòu)成的新型光纖。光子晶體光纖特殊的結(jié)構(gòu)分布和特性,使其在降低光學(xué)噪聲、陀螺尺寸、溫度敏感性,提高陀螺精度和抗核輻射等方面,具有傳統(tǒng)光纖光纖陀螺不可比擬的優(yōu)越性。本文綜述了光子晶體光纖的概念、在光纖陀螺方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),以及其在光纖陀螺應(yīng)用方面的研究進(jìn)展和前景。

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(zhǎng)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(guò)程中的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)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(wèn)題。通過(guò)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(kāi)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。

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(jí)聯(lián)一段高非線性正常色散光纖,通過(guò)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.

光纖耦合器光纖耦合器（coupler）又稱分歧器（splitter），是將光訊號(hào)從一條光纖中分 至多條光纖中的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、 區(qū)域網(wǎng)路中都會(huì)應(yīng)用到，與光纖連接器分列被動(dòng)元件中使用最大項(xiàng)的（根據(jù)electronicat資 料，兩者市場(chǎng)金額在2003年約達(dá)25億美元）。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器（雙分支，單位 1×2，亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)功率）、星狀／樹(shù)狀耦合器、以及波長(zhǎng)多工器（wdm，若波 長(zhǎng)屬高密度分出，即波長(zhǎng)間距窄，則屬于dwdm），制作方式則有燒結(jié)（fuse）、微光學(xué)式 （microoptics）、光波導(dǎo)式（waveguide）三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)（約有90％）。 燒結(jié)方式的制作法，是將兩條光纖并在一起燒融拉伸，使核芯聚合一起，以達(dá)光耦合作用， 而其中最重要的生產(chǎn)設(shè)備是融燒機(jī)，也是其中的重

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(guò)程中內(nèi)芯基模和外芯缺陷模以相位匹配波長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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).

以碲玻璃為基質(zhì)材料,設(shè)計(jì)了八邊形雙芯光子晶體光纖.應(yīng)用全矢量有限元法和模式耦合基本理論分析了八邊形雙芯光子晶體光纖中結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耦合長(zhǎng)度特性的影響.計(jì)算結(jié)果表明:在波長(zhǎng)1.55μm處,減小孔間距可明顯減小耦合長(zhǎng)度,但只略微改變相對(duì)耦合長(zhǎng)度;增大空氣孔及橢圓率可略微增大耦合長(zhǎng)度,但可明顯增大相對(duì)耦合長(zhǎng)度.當(dāng)相對(duì)耦合長(zhǎng)度為1時(shí),設(shè)計(jì)的偏振分束器性能較理想.在此基礎(chǔ)上,通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計(jì)了一種較短傳輸長(zhǎng)度、高帶寬、高消光比的偏振分束器,當(dāng)光纖長(zhǎng)度為139μm時(shí),x、y方向偏振光即可實(shí)現(xiàn)分離,消光比達(dá)到最小值-53.46db,且在波長(zhǎng)1.49μm~1.61μm,即帶寬為120nm范圍內(nèi),消光比小于-20db,與同類型的高消光比和極短長(zhǎng)度雙芯偏振分束器相比,其綜合性能比較突出.

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.

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(kāi)始付諸實(shí)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(jī)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(shí)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(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(zhǎng)范圍內(nèi)為單模光纖

為了設(shè)計(jì)最優(yōu)光纖耦合系統(tǒng),利用高斯模場(chǎng)近似單模階躍光纖的模場(chǎng)和大模面積光子晶體光纖的模場(chǎng),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(duì)于耦合系統(tǒng)存在橫向偏移和端面傾斜時(shí)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(guò)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(duì)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(shí)所對(duì)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(duì)于端面傾斜更加敏感,當(dāng)端面傾斜2°時(shí)對(duì)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)。