雙光子熒光探針

雙芯準晶格光子晶體光纖的色散特性 胥長微 （黑龍江大學電子工程學院20115414） 摘要：設計了一種折射率引導型雙芯準晶格光子晶體光纖。該光纖內(nèi)、外纖芯中光波的耦合 效應，可在相位匹配波長附近產(chǎn)生相當高的負色數(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；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,并成為國際學術(shù)界 研究的熱點領域.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,表面增強拉曼效應等.雙芯光 纖是學系統(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特性,適合光纖通信等領域?qū)拵я詈掀鞯男枨蟆?/p>

光子晶體光纖以其靈活的結(jié)構(gòu)設計和高非線性、平坦色散、高雙折射等獨特光學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,導光機理,詳細討論了其相關(guān)光學特性,最后介紹了光子晶體光纖的研究進展。

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)折射率都會使耦合器的耦合長度減小,兩不同偏振方向的耦合長度差異減小,損耗減小;雙芯間空氣孔內(nèi)折射率可調(diào)性強,使得光纖耦合器的耦合性能有易調(diào)節(jié)的優(yōu)點,為設計雙芯光子晶體光纖耦合器的優(yōu)化模型提供了理論支持。

光子晶體光纖獨特的結(jié)構(gòu)和導模機制使它具有其他普通光纖無法比擬應用前景。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。

以碲玻璃為基質(zhì)材料,設計了八邊形雙芯光子晶體光纖.應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)對耦合長度特性的影響.計算結(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,但可明顯增大相對耦合長度.當相對耦合長度為1時,設計的偏振分束器性能較理想.在此基礎上,通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù),設計了一種較短傳輸長度、高帶寬、高消光比的偏振分束器,當光纖長度為139μm時,x、y方向偏振光即可實現(xiàn)分離,消光比達到最小值-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.

提出了一種調(diào)節(jié)液晶光子晶體光子帶隙的方法。二維三角介質(zhì)柱形光子晶體位于2塊熔凝石英片之間,在介質(zhì)柱之間填充各向同性排列的液晶,受偏振紫外光照射后,光誘導液晶分子定向排列,通過光誘導液晶分子取向改變液晶的折射率。數(shù)值模擬結(jié)果表明:通過外界光場控制所填充的向列相液晶分子的方向可以對這種二維三角形介質(zhì)柱光子晶體的禁帶結(jié)構(gòu)進行調(diào)節(jié)。該可調(diào)光子晶體可控制波導中tm模和te模的選擇性傳輸,因而可應用于制作全光光開關(guān)。

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確快速的實現(xiàn)光子晶體光纖熔接損耗的估算。

介紹了光纖陀螺在實際應用過程中的環(huán)境適應性問題,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用優(yōu)勢,指出將光子晶體光纖應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到0.7db和-25db。在此基礎上,研制出光子晶體光纖陀螺樣機,陀螺零漂達到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、磁場的影響和進一步提高光纖陀螺性能方面具備很大的潛力。

數(shù)值分析了雙芯光子晶體光纖的耦合特性,設計出0.85/1.55μm、0.98/1.55μm和1.3/1.55μm基于通信波段的波分復用器件,其光纖長度分別為542μm、996μm和932μm。在雙芯光子晶體光纖的基礎上,光纖長度固定不變時,通過調(diào)節(jié)中心空氣孔材料折射率,材料折射率分別為1.281、1.343和1.348,實現(xiàn)對0.85/1.55μm、0.98/1.55μm和1.31/1.55μm波長的可調(diào)諧復用和解復用。

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.

在雙芯pcf的基礎上設計一種新型定向耦合器,根據(jù)波導間相互耦合原理,采用時域有限差分法分析了該器件的光傳輸特性。并數(shù)值計算了雙芯pcf的結(jié)構(gòu)參量對耦合性能的影響,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,設計出0.85/1.55μm,0.98/1.55μm和1.3/1.55μm的超微型波分復用器件,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,實現(xiàn)了不同波長的解復用。研究表明雙芯pcf耦合器在波分復用等方面具有很大的應用價值。

文章設計了一種雙芯光子晶體光纖溫度傳感器,利用纖芯間高折射率柱的諧振效應實現(xiàn)對溫度的精確傳感。在纖芯間空氣孔中注入液晶材料,利用液晶材料折射率的溫度變化特性,使溫度變化對雙芯間的耦合特性產(chǎn)生影響,從而實現(xiàn)對溫度的精確傳感。仿真結(jié)果表明,通過測量雙芯透射光功率就可以實現(xiàn)對溫度的測量,其靈敏度可以達到2.5mw/k。

本文從對非對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,在一定分光比下,耦合器具有波長響應平坦性,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,為寬帶非對稱雙芯光子晶體光纖耦合器的制作提供了理論支持。

雙芯光子晶體光纖溫度傳感器 (2)

此燈是應用燈用電子學原理,利用高性能高功率半導體器件和高頻電子鎮(zhèn)流器,使熒光燈鎮(zhèn)流器電子化,并采用高顯色性的三基色熒光粉。此燈沒有頻閃效應,瞬時啟動和高顯色性使

美國麻省理工學院（mit）電子研究實驗室（rle）、哈佛大學以及奧地利維也納技術(shù)大學的科學家們最近研制出了一種由單個光子控制的全光開關(guān)．新的全光晶體管有望讓傳統(tǒng)計算機和量子計算機都受益。

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。

利用三維時域有限差分法(fdtd)對光子晶體led出光效率的影響因素進行分析,比較了電偶極子和磁偶極子點光源模型對led出光效率的影響,研究不同極化角偶極子點光源下光子晶體led中的出光效率。數(shù)值計算結(jié)果表明:極化角越小,偶極子點光源在led出光效率增強因子越大,磁偶極子點光源模型與電偶極子點光源模型相比,極化角對出光效率增強因子的影響明顯減小?；诖排紭O子點光源模型,考慮極化角的影響優(yōu)化設計一種空氣孔三角晶格光子晶體led結(jié)構(gòu),其出光效率增強因子高達4.5。

探針光系統(tǒng)作為激光等離子體診斷的探針光源,它通過倍頻和受激喇曼散射,將波長為1054nm、脈寬約為1ns激光轉(zhuǎn)換成波長為308nm、脈寬小于60ps、能量大于1mj的紫外光。通過預研研究和工程化改造,結(jié)果表明:探針光系統(tǒng)輸出能量大于1mj、脈寬小于30ps、均勻性較好、運行成功率大于90%,達到了研制標的,可滿足激光等離子體診斷的要求。