擴(kuò)芯拉錐技術(shù)對(duì)光子晶體光纖合束器性能的改善

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(lái)越多的關(guān)注。簡(jiǎn)單介紹了光子晶體光纖的分類(lèi),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(wú)法比擬應(yīng)用前景。本文對(duì)晶體光纖的定義、分類(lèi)、特性和目前的研究情況做了詳細(xì)的分析。

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?chē)柿切畏植嫉膬扇饪捉M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(zhǎng)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(guò)程中內(nèi)芯基模和外芯缺陷模以相位匹配波長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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).

介紹了光纖陀螺在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)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(wèn)題。通過(guò)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(chǎng)和核輻射對(duì)此種光纖的影響。同時(shí),研究開(kāi)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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.

實(shí)驗(yàn)研究了基于摻y(tǒng)b多芯大模場(chǎng)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(gè)纖芯呈六角陣列排布,等效的模場(chǎng)直徑約為52μm.激光器基于σ腔結(jié)構(gòu),腔內(nèi)沒(méi)有色散補(bǔ)償元件,通過(guò)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡實(shí)現(xiàn)鎖模的自啟動(dòng).實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的單脈沖能量為74nj,脈沖經(jīng)腔外光柵對(duì)壓縮為780fs.

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?chē)囊蝗o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(chǎng)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.

通過(guò)分析非對(duì)稱(chēng)雙芯光子晶體光纖耦合理論,提出了一種非對(duì)稱(chēng)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(gè)較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化較小,具有波長(zhǎng)響應(yīng)平坦特性。通過(guò)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(duì)其耦合特性的影響,結(jié)果表明,該非對(duì)稱(chēng)光子晶體光纖耦合器在1.3~1.8μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi),其50%耦合比變化在±4%以內(nèi),具有較好的波長(zhǎng)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>

通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)能量分布系數(shù)降低.

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。基于光束傳播法數(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(duì)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(huì)使耦合器的耦合長(zhǎng)度減小,兩不同偏振方向的耦合長(zhǎng)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(jì)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(pcf)和普通光纖的熔接損耗主要來(lái)源于兩光纖模場(chǎng)直徑(mfd)的失配。提出了一種小芯徑光子晶體光纖和大模場(chǎng)直徑普通光纖低損耗熔接的方法。利用熔融拉錐機(jī)加熱光子晶體光纖來(lái)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(chǎng)直徑,從而降低其與大模場(chǎng)直徑普通光纖的熔接損耗。實(shí)現(xiàn)了模場(chǎng)直徑為3.94μm的光子晶體光纖和模場(chǎng)直徑為10.4μm普通光纖的低損耗熔接,最低損耗小于0.2db。

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(shí)所面臨的問(wèn)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(guó)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。

雙芯準(zhǔn)晶格光子晶體光纖的色散特性 胥長(zhǎng)微 （黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院20115414） 摘要：設(shè)計(jì)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(zhǎng)附近產(chǎn)生相當(dāng)高的負(fù)色數(shù)值。通過(guò)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(jì)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(zhǎng)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(lái),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(guó)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(chǎng)半徑,為了提高計(jì)算速度,提出了一種工作波長(zhǎng)為1.55μm時(shí),光子晶體光纖模場(chǎng)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。

先簡(jiǎn)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(jiǎn)要展望了光子晶體光纖在量子信息領(lǐng)域內(nèi)的前景。

增大光場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)平面波展開(kāi)方法計(jì)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(cè)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(huì)遠(yuǎn)大于實(shí)芯光子晶體光纖倏逝波吸收傳感時(shí)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(kāi)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(zhǎng)的光子晶體光纖,測(cè)量由光纖中自發(fā)四波混頻過(guò)程所產(chǎn)生光子對(duì)的頻譜,并利用所獲得的相位匹配數(shù)據(jù)確定了待測(cè)光纖的色散。當(dāng)抽運(yùn)光的中心波長(zhǎng)以1nm的步長(zhǎng),在1037～1047nm的范圍內(nèi)變化時(shí),通過(guò)可調(diào)諧濾波器和單光子探測(cè)器測(cè)量光子晶體光纖產(chǎn)生的信號(hào)和閑頻光子對(duì)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(duì)所獲得的相位匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出待測(cè)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(jì)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(yàn)結(jié)果顯示,曲線預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間誤差小于0.1%。

數(shù)值分析了雙芯光子晶體光纖的耦合特性,設(shè)計(jì)出0.85/1.55μm、0.98/1.55μm和1.3/1.55μm基于通信波段的波分復(fù)用器件,其光纖長(zhǎng)度分別為542μm、996μm和932μm。在雙芯光子晶體光纖的基礎(chǔ)上,光纖長(zhǎng)度固定不變時(shí),通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)0.85/1.55μm、0.98/1.55μm和1.31/1.55μm波長(zhǎng)的可調(diào)諧復(fù)用和解復(fù)用。

利用有限元法對(duì)一種柚子型光子晶體光纖中的傳輸模式進(jìn)行了模擬,得到了各傳輸模式的有效折射率和模場(chǎng)分布。結(jié)合耦合模理論和相關(guān)函數(shù)方法,對(duì)柚子型光子晶體光纖布拉格光柵反射譜進(jìn)行了理論分析,解釋了柚子型光纖光柵出現(xiàn)多個(gè)諧振峰的原因;數(shù)值分析了光纖纖芯直徑和空氣孔尺寸對(duì)光柵傳輸譜的影響。結(jié)果表明諧振峰波長(zhǎng)隨纖芯直徑的增大向長(zhǎng)波方向漂移,而隨空氣孔增大向短波方向移動(dòng),并且不同諧振模式的變化幅度不同;利用相位模板法寫(xiě)制了光子晶體光纖光柵,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析能夠很好地吻合。