正方形多芯光子晶體光纖的有限元分析

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。

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(shí)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(shí)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。

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)驗均證實(shí)此光纖在6328nm以上的波長范圍內(nèi)為單模光纖

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.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(shí)際制備工作提供一定的理論指導(dǎo).

實(shí)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(shí)現(xiàn)鎖模的自啟動.實(shí)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.

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(jī)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(jī)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(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)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(qiáng)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(gòu)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.

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,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.

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(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.

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.

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(shí)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)。

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。

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(bǔ)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(bǔ)償。 關(guān)鍵詞：光纖光學(xué)；光子晶體光纖；雙芯；色散補(bǔ)償 1引言 近年來,光子晶體光纖由于其獨(dú)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(diǎn)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(diǎn),比 如高非線性,高雙折和偏振保持,奇異色散特性,表面增強(qiáng)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(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,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)驗研究,驗證了實(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。

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>

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(shí)芯光子晶體光纖倏逝波吸收傳感時氣孔中的功率分?jǐn)?shù)。

光子晶體光纖(pcf,photoniccrystalfiber)的熔接技術(shù)為pcf產(chǎn)品的應(yīng)用和開發(fā)提供了條件。本文主要介紹了影響pcf熔接的主要因素,比較了傳統(tǒng)電弧熔接方法和激光熔接方法的優(yōu)缺點(diǎn),闡述了激光熔接的基本原理和工作流程,為pcf激光熔接機(jī)的制作打下基礎(chǔ)。

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(shí)驗結(jié)果顯示,曲線預(yù)測值與實(shí)測值之間誤差小于0.1%。

設(shè)計了一種新型的光子晶體光纖(pcf)合束器,利用光子晶體光纖的后處理技術(shù)塌縮纖芯周圍的三圈空氣孔使纖芯直徑增大,再對pcf合束器進(jìn)行熔融拉錐,將多路熔融拉錐后的光子晶體光纖熔接到一路多模光纖作為輸出端。通過數(shù)值模擬計算得到:擴(kuò)芯-拉錐pcf合束器在入射不同波長時的軸向損耗遠(yuǎn)小于直接拉錐pcf合束器。