雙芯準(zhǔn)晶格光子晶體光纖色散特性

使用脈寬為1.6ps的脈沖光抽運(yùn)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(yùn)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%。

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(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。

以碲玻璃為基質(zhì)材料,設(shè)計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(dāng)相對耦合長度為1時,設(shè)計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,x、y方向偏振光即可實現(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(diǎn):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)。

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>

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)實驗均證實此光纖在6328nm以上的波長范圍內(nèi)為單模光纖

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(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)計雙芯光子晶體光纖耦合器的優(yōu)化模型提供了理論支持。

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。

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。

文章提出一種新型低損耗太赫茲波塑料光子晶體光纖(thz-ppcf)結(jié)構(gòu),其包層是由兩種直徑不同的空氣孔周期性排列而成。利用時域有限差分法(fdtd)對其色散特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,通過調(diào)節(jié)包層中兩種空氣孔的直徑以及晶格常數(shù),可以得到低損耗、超平坦趨于零色散的太赫茲波塑料光子晶體光纖。

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.

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)。

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。

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.

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(jìn)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。

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(diǎn)出發(fā),總結(jié)了光子晶體光纖的獨(dú)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(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.

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(bǔ)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.

先簡單介紹光子晶體光纖相對于普通光纖的特點(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。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。