光子晶體光纖熔接過程中的空氣孔力學(xué)特性

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。通過仿真分析和實驗研究表明:本文提出的方法可以用于計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。

光子晶體光纖以其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計和高非線性、平坦色散、高雙折射等獨特光學(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(xì)的分析。

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。

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(dá)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特優(yōu)勢,以及其在光纖陀螺應(yīng)用方面的研究進(jìn)展和前景。

采用平面波展開法研究了空芯光子晶體光纖(hc-pcf)的導(dǎo)波模式特性。結(jié)果表明,在包層帶隙范圍內(nèi),當(dāng)導(dǎo)波模的縱向相位傳播常數(shù)k_s滿足一定條件時,才能在hc-pcf纖芯中形成穩(wěn)定的基模傳輸;并且,纖芯基模的模場分布與光波長有關(guān),當(dāng)光波長位于纖芯基模傳輸曲線中央時,光波能量被很好地約束在纖芯中,而當(dāng)光波長位于纖芯基模傳輸曲線的上下邊沿時,光波能量將向包層中漏泄。

基于全矢量有限元法,在1550nm波段對摻鍺芯光子晶體光纖(pcf)與普通單模光纖(smf)的熔接損耗進(jìn)行了理論分析,指出模場失配是造成兩者熔接損耗大的最主要因素;進(jìn)而提取自制的光子晶體光纖實際截面數(shù)據(jù),更準(zhǔn)確地估計出由模場失配引入的熔接損耗。采用電弧放電熔接技術(shù),通過反復(fù)實驗給出了一組優(yōu)化的熔接參數(shù),并根據(jù)自制的光子晶體光纖具有摻鍺芯子而采用重焊操作使得包層孔適量縮塌,可以有效地減小兩種光纖的模場失配進(jìn)而降低了熔接損耗,實現(xiàn)了光子晶體光纖和普通單模光纖的低損耗熔接。

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.

利用全矢量有限元法,分析了方形空芯光子晶體光纖的色散特性、纖芯內(nèi)的能量分布和有效模面積。結(jié)果表明,方形空芯光子晶體光纖在1.67～1.81μm范圍內(nèi)具有較平坦的色散特性,較高的能量分布和較大的有效模面積,為進(jìn)一步設(shè)計具有平坦色散和大模場面積的方形空芯光子晶體光纖提供了理論依據(jù)和參考。

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(jìn)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)。

光子晶體光纖模擬.

介紹了光纖陀螺在實際應(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)特點出發(fā),總結(jié)了光子晶體光纖的獨特應(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。通過實驗研究,驗證了實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,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。

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.

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(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,可為實際制備工作提供一定的理論指導(dǎo).

增大光場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)就會遠(yuǎn)大于實芯光子晶體光纖倏逝波吸收傳感時氣孔中的功率分?jǐn)?shù)。

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(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

. . 光纖熔接過程圖解 第一步：準(zhǔn)備工作 光纖熔接工作不僅需要專業(yè)的熔接工具還需要很多普通的工具輔助完成這 項任務(wù)，如剪刀，豎刀等。（如下圖） 光纖熱縮套管 光纖熔接器 . . 第二步：安裝工作 一般我們都是通過光纖收容箱（如下圖）來固定光纖的，將戶外接來的用黑 色保護(hù)外皮包裹的光纖從收容箱的后方接口放入光纖收容箱中。在光纖收容箱中 將光纖環(huán)繞并固定好防止日常使用松動。 . . 光纖收容箱 第三步：去皮工作 首先將黑色光纖外表去皮，如下圖開剝光纜，長度約1.5米，鎧甲層預(yù)留 25mm，中心加強鋼絲繩預(yù)留70mm。 . . 去黑皮 . . 接著使用美工刀將光纖內(nèi)的保護(hù)層去掉。（如下圖）要特別注意的是由于光 纖線芯是用玻璃絲制作

標(biāo)準(zhǔn) 文案 光纖熔接過程圖解 第一步：準(zhǔn)備工作 光纖熔接工作不僅需要專業(yè)的熔接工具還需要很多普通的工具輔助完成這 項任務(wù)，如剪刀，豎刀等。（如下圖） 標(biāo)準(zhǔn) 文案 光纖熱縮套管 光纖熔接器 第二步：安裝工作 一般我們都是通過光纖收容箱（如下圖）來固定光纖的，將戶外接來的用黑 色保護(hù)外皮包裹的光纖從收容箱的后方接口放入光纖收容箱中。在光纖收容箱中 將光纖環(huán)繞并固定好防止日常使用松動。 標(biāo)準(zhǔn) 文案 標(biāo)準(zhǔn) 文案 光纖收容箱 第三步：去皮工作 首先將黑色光纖外表去皮，如下圖開剝光纜，長度約1.5米，鎧甲層預(yù)留 25mm，中心加強鋼絲繩預(yù)留70mm。 標(biāo)準(zhǔn) 文案 去黑皮 標(biāo)準(zhǔn) 文案 接著使用美工刀將光纖的保護(hù)層去掉。（如下圖）要特別注意的是由于光纖 線芯是用

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。

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(jìn)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%。