芯徑超大模場光子晶體光纖實現(xiàn)準單模傳輸

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;進而提取自制的光子晶體光纖實際截面數(shù)據(jù),更準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,通過反復實驗給出了一組優(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。

基于折射率匹配耦合原理,提出并設計了一種新型寬帶單偏振單模光子晶體光纖,闡述了工作原理并利用全矢量有限元法對其進行了數(shù)值模擬。當中間纖芯和邊芯之間空氣孔1和2的直徑為2.4μm時,波長在1.26～1.7μm的范圍內(nèi),偏振相關損耗大于4.08db/m,單偏振單模的帶寬高達440nm;當空氣孔1和2的直徑為2.6μm時,在波長1.31μm處,x偏振模的限制損耗為26.93db/m,而y偏振模的限制損耗僅為0.01db/m,在波長1.55μm處,x偏振模的限制損耗為38.66db/m,y偏振模的限制損耗僅為0.05db/m。這種光子晶體光纖具有高帶寬特性,并且在1.31μm和1.55μm兩個通信窗口存在高相關偏振損耗。

光子晶體光纖以其靈活的結(jié)構設計和高非線性、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,詳細討論了其相關光學特性,最后介紹了光子晶體光纖的研究進展。

光子晶體光纖獨特的結(jié)構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。

光子晶體光纖模擬.

通過施加完美匹配層,利用有限元法,研究熱應力誘導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,當纖芯直徑減小時,場能量分布系數(shù)降低.

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注,并成為國際學術界 研究的熱點領域.由于靈活的結(jié)構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

從線性耦合的非線性薛定諤方程組出發(fā),數(shù)值模擬了利用可飽和吸收鏡啟動多芯光子晶體光纖激光器鎖模的建立過程.由于初始自發(fā)輻射的隨機性,可飽和吸收鏡在多個芯中提取的初始脈沖也具有很大的隨機性.針對兩種脈沖建立的可能初始情況,即只在一個纖芯中先提取出脈沖與同時在多個纖芯中提取出脈沖,對多芯光子晶體光纖作為鎖模激光器增益介質(zhì)的機理進行了詳細的模擬.模擬結(jié)果表明,要想同時鎖定多個纖芯的所有縱模頻率,不僅需要纖芯之間具有較強的耦合,而且在可飽和吸收鏡提取出的多個初始脈沖時延較大時,在talbot腔結(jié)構下,端鏡反射使得各個纖芯出射光束相互交疊也是建立穩(wěn)定鎖模過程必須的.

為了設計最優(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式以及光纖端面相對于耦合系統(tǒng)存在橫向偏移和端面傾斜時的耦合效率解析表達式。基于上述理論表達式計算了空間激光與光纖的耦合效率,并通過實驗驗證了此理論表達式的有效性。理論計算和實驗均證實了單模階躍光纖對于橫向偏移更敏感,當橫向偏移量等于單模光纖的纖芯半徑時所對應的耦合效率只有20.25%,為理論最大值的1/4;而大模面積光子晶體光纖對于端面傾斜更加敏感,當端面傾斜2°時對應的耦合效率只有40.5%,為理論最大值的1/2。所提出理論表達式和實驗方法完全可以為設計光纖耦合系統(tǒng)提供準確的參數(shù)。

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.

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,腔內(nèi)沒有色散補償元件,通過半導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,重復頻率為44.68mhz的鎖模脈沖輸出,對應的單脈沖能量為74nj,脈沖經(jīng)腔外光柵對壓縮為780fs.

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。

采用平面波展開法研究了空芯光子晶體光纖(hc-pcf)的導波模式特性。結(jié)果表明,在包層帶隙范圍內(nèi),當導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,當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。

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。

光子晶體光纖(pcf),是在1987年提出的光子晶體概念基礎上,由1995年開始付諸實現(xiàn)的光纖。光子晶體光纖是一種新型光纖,其結(jié)構和導光機理都與普通光纖不同,呈現(xiàn)出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實現(xiàn)的特性,并因此受到廣泛關注。在光子晶體光

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.

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.改變包層空氣孔的大小對色散參數(shù)影響不明顯.

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。

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,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。

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>

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數(shù)隨波長的變化關系,研究發(fā)現(xiàn)帶隙型光子晶體光纖纖芯中光功率分數(shù)隨波長變化是不連續(xù)的,其最大值可達90%,最小值不到5%。纖芯中光功率分數(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。其次,通過平面波展開方法計算了相應光子晶體光纖周期性包層所導致的光子帶隙,研究發(fā)現(xiàn)纖芯中的功率分數(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,纖芯中的光功率分數(shù)就會遠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數(shù)。