光子晶體光纖為基質(zhì)的光纖耦合器的設(shè)計(jì)

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(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。

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)其耦合長度隨著空氣填充率d/λ的減小而增大,隨著傳輸波長λ的增大而減小。并基于雙芯pcf結(jié)構(gòu),以常用通信波長為例,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,通過調(diào)節(jié)雙芯pcf的結(jié)構(gòu)參量得到合適的耦合長度,實(shí)現(xiàn)了不同波長的解復(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。

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。

從光纖耦合器的耦合模方程出發(fā),用偶奇超模對(duì)其進(jìn)行重寫,討論了當(dāng)輸入條件使奇偶超模其中之一被單獨(dú)激發(fā)時(shí),在光子晶體光纖耦合器中的調(diào)制不穩(wěn)定性.結(jié)果表明:光子晶體光纖耦合器中在正常和反常色散區(qū)均存在調(diào)制不穩(wěn)定性,并且調(diào)制不穩(wěn)定性與三階色散項(xiàng)無關(guān)、與四階色散項(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;當(dāng)滿足一定條件時(shí),在光子晶體光纖耦合器中傳播的準(zhǔn)連續(xù)波可以分解成脈沖序列,由此可以分離和提取超短脈沖.

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／樹狀耦合器、以及波長多工器（wdm，若波 長屬高密度分出，即波長間距窄，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

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。

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(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)。

先簡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

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.

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),場能量分布系數(shù)降低.

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(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。

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.

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).

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.

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、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(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

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)耦合長度特性的影響.計(jì)算結(jié)果表明:在波長1.55μm處,減小孔間距可明顯減小耦合長度,但只略微改變相對(duì)耦合長度;增大空氣孔及橢圓率可略微增大耦合長度,但可明顯增大相對(duì)耦合長度.當(dāng)相對(duì)耦合長度為1時(shí),設(shè)計(jì)的偏振分束器性能較理想.在此基礎(chǔ)上,通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計(jì)了一種較短傳輸長度、高帶寬、高消光比的偏振分束器,當(dāng)光纖長度為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度雙芯偏振分束器相比,其綜合性能比較突出.

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(xì)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(jì)了獨(dú)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(jì)了精度較高的微壓控制系統(tǒng)來控制毛細(xì)管內(nèi)壓力的大小。經(jīng)多次試驗(yàn)表明:當(dāng)溫度在1850~1900℃、壓力在1500~2000pa時(shí),可以得到結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻、損耗較小、強(qiáng)度較好的柚子型光子晶體光纖。對(duì)光纖性能進(jìn)行了測(cè)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(cè)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(dá)到工程化應(yīng)用指標(biāo),為進(jìn)一步開發(fā)高靈敏度的光纖光柵奠定了理論基礎(chǔ)。