芯径超大模场光子晶体光纤实现准单模传输

基于全矢量有限元法,在1550nm波段对掺锗芯光子晶体光纤(pcf)与普通单模光纤(smf)的熔接损耗进行了理论分析,指出模场失配是造成两者熔接损耗大的最主要因素;进而提取自制的光子晶体光纤实际截面数据,更准确地估计出由模场失配引入的熔接损耗。采用电弧放电熔接技术,通过反复实验给出了一组优化的熔接参数,并根据自制的光子晶体光纤具有掺锗芯子而采用重焊操作使得包层孔适量缩塌,可以有效地减小两种光纤的模场失配进而降低了熔接损耗,实现了光子晶体光纤和普通单模光纤的低损耗熔接。

基于折射率匹配耦合原理,提出并设计了一种新型宽带单偏振单模光子晶体光纤,阐述了工作原理并利用全矢量有限元法对其进行了数值模拟。当中间纤芯和边芯之间空气孔1和2的直径为2.4μm时,波长在1.26～1.7μm的范围内,偏振相关损耗大于4.08db/m,单偏振单模的带宽高达440nm;当空气孔1和2的直径为2.6μm时,在波长1.31μm处,x偏振模的限制损耗为26.93db/m,而y偏振模的限制损耗仅为0.01db/m,在波长1.55μm处,x偏振模的限制损耗为38.66db/m,y偏振模的限制损耗仅为0.05db/m。这种光子晶体光纤具有高带宽特性,并且在1.31μm和1.55μm两个通信窗口存在高相关偏振损耗。

光子晶体光纤以其灵活的结构设计和高非线性、平坦色散、高双折射等独特光学特性吸引了越来越多的关注。简单介绍了光子晶体光纤的分类,导光机理,详细讨论了其相关光学特性,最后介绍了光子晶体光纤的研究进展。

光子晶体光纤独特的结构和导模机制使它具有其他普通光纤无法比拟应用前景。本文对晶体光纤的定义、分类、特性和目前的研究情况做了详细的分析。

光子晶体光纤模拟.

通过施加完美匹配层,利用有限元法,研究热应力诱导的单偏振大模面积光子晶体光纤的偏振特性,计算纤芯参数对场能量分布系数和偏振损耗比的影响.结果表明,随着纤芯折射率提高,两正交偏振模的损耗比下降,当纤芯直径减小时,场能量分布系数降低.

双芯准晶格光子晶体光纤的色散特性 胥长微 （黑龙江大学电子工程学院20115414） 摘要：设计了一种折射率引导型双芯准晶格光子晶体光纤。该光纤内、外纤芯中光波的耦合 效应，可在相位匹配波长附近产生相当高的负色数值。通过分析内包层孔径、纤芯孔径、外 包层孔径d,孔间距a，最终设计出一种能在1550nm低损耗窗口性能优越的色散补偿光纤。 此种光线适合在长距离高速光纤通信，系统中为常规单模光纤提供色散补偿。 关键词：光纤光学；光子晶体光纤；双芯；色散补偿 1引言 近年来,光子晶体光纤由于其独特的特性们的广泛关注,并成为国际学术界 研究的热点领域.由于灵活的结构使得它具有许多传统光纤不具备的特点,比 如高非线性,高双折和偏振保持,奇异色散特性,表面增强拉曼效应等.双芯光 纤是学系统中常用的耦合器件,然而传统双芯光纤在制作上比繁琐,光子晶体 光

从线性耦合的非线性薛定谔方程组出发,数值模拟了利用可饱和吸收镜启动多芯光子晶体光纤激光器锁模的建立过程.由于初始自发辐射的随机性,可饱和吸收镜在多个芯中提取的初始脉冲也具有很大的随机性.针对两种脉冲建立的可能初始情况,即只在一个纤芯中先提取出脉冲与同时在多个纤芯中提取出脉冲,对多芯光子晶体光纤作为锁模激光器增益介质的机理进行了详细的模拟.模拟结果表明,要想同时锁定多个纤芯的所有纵模频率,不仅需要纤芯之间具有较强的耦合,而且在可饱和吸收镜提取出的多个初始脉冲时延较大时,在talbot腔结构下,端镜反射使得各个纤芯出射光束相互交叠也是建立稳定锁模过程必须的.

为了设计最优光纤耦合系统,利用高斯模场近似单模阶跃光纤的模场和大模面积光子晶体光纤的模场,推导出了理想情况下空间激光与这两种光纤的耦合效率解析表达式以及光纤端面相对于耦合系统存在横向偏移和端面倾斜时的耦合效率解析表达式。基于上述理论表达式计算了空间激光与光纤的耦合效率,并通过实验验证了此理论表达式的有效性。理论计算和实验均证实了单模阶跃光纤对于横向偏移更敏感,当横向偏移量等于单模光纤的纤芯半径时所对应的耦合效率只有20.25%,为理论最大值的1/4;而大模面积光子晶体光纤对于端面倾斜更加敏感,当端面倾斜2°时对应的耦合效率只有40.5%,为理论最大值的1/2。所提出理论表达式和实验方法完全可以为设计光纤耦合系统提供准确的参数。

为了抑制通信系统中脉冲的展宽,根据色散补偿理论,提出了一种由单一石英材料制成的双层芯光子晶体光纤(dccpcf).该光纤的色散值在1.55μm处可达到-6000ps/(nm·km).理论分析表明,在传输过程中内芯基模和外芯缺陷模以相位匹配波长为临界状态,在内芯与外芯之间相互交替传输,并在匹配波长处因模式发生强烈耦合而引起折射率产生大幅度波动.通过对结构参数d1、d2变化的情况下色散曲线的扰动情况进行分析,可为实际制备工作提供一定的理论指导.

实验研究了基于掺yb多芯大模场面积光子晶体光纤的全正色散锁模激光器.增益光纤的18个纤芯呈六角阵列排布,等效的模场直径约为52μm.激光器基于σ腔结构,腔内没有色散补偿元件,通过半导体可饱和吸收镜实现锁模的自启动.实验获得了平均功率为3.3w,脉冲宽度为4.92ps,重复频率为44.68mhz的锁模脉冲输出,对应的单脉冲能量为74nj,脉冲经腔外光栅对压缩为780fs.

为了优化双芯光子晶体光纤耦合器的耦合性能,采用改变两纤芯间空气孔的结构和孔内折射率的方法,得到了双芯光子晶体光纤耦合器的优化模型。基于光束传播法数值分析出两纤芯间空气孔尺寸以及孔内注入材料折射率的变化对双芯光子晶体光纤耦合器的耦合性能的影响。结果表明,由于光纤的整体结构不变,使得光纤损耗系数保持不变;减小双芯间的空气孔孔径或增大孔内折射率都会使耦合器的耦合长度减小,两不同偏振方向的耦合长度差异减小,损耗减小;双芯间空气孔内折射率可调性强,使得光纤耦合器的耦合性能有易调节的优点,为设计双芯光子晶体光纤耦合器的优化模型提供了理论支持。

采用平面波展开法研究了空芯光子晶体光纤(hc-pcf)的导波模式特性。结果表明,在包层带隙范围内,当导波模的纵向相位传播常数k_s满足一定条件时,才能在hc-pcf纤芯中形成稳定的基模传输;并且,纤芯基模的模场分布与光波长有关,当光波长位于纤芯基模传输曲线中央时,光波能量被很好地约束在纤芯中,而当光波长位于纤芯基模传输曲线的上下边沿时,光波能量将向包层中漏泄。

光子晶体光纤(pcf)和普通光纤的熔接损耗主要来源于两光纤模场直径(mfd)的失配。提出了一种小芯径光子晶体光纤和大模场直径普通光纤低损耗熔接的方法。利用熔融拉锥机加热光子晶体光纤来精确控制光子晶体光纤的空气孔塌缩,以增加光子晶体光纤的模场直径,从而降低其与大模场直径普通光纤的熔接损耗。实现了模场直径为3.94μm的光子晶体光纤和模场直径为10.4μm普通光纤的低损耗熔接,最低损耗小于0.2db。

光子晶体光纤(pcf),是在1987年提出的光子晶体概念基础上,由1995年开始付诸实现的光纤。光子晶体光纤是一种新型光纤,其结构和导光机理都与普通光纤不同,呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性,并因此受到广泛关注。在光子晶体光

利用有限差分光束传输法分析了全光纤纤芯变形光子晶体光纤中的模场分布以及能量损耗情况.实现了光子晶体光纤的选择性空气孔塌缩,制作了由小纤芯到大纤芯和圆形芯到矩形芯的纤芯变形光子晶体光纤,该光纤在波长1550nm下以小于0.05db的能量损耗实现了光斑的整形.实验结果与模拟结果有很好的一致性.

利用有限差分法研究了一种混合纤芯光子晶体光纤的色散特性.在光纤端面的外围区域,由空气孔在石英材料中均布排列形成包层,在中心则由圆形高折射率材料与布居其近邻的数个辅助小空气孔共同构成纤芯.辅助空气小孔使光纤的色散陡增,比普通光纤色散参数高两个数量级以上.详细的数值研究表明,纤芯周围的一圈辅助空气小孔数目越多、越靠近圆形高折射率材料则色散参数就越大.当辅助小孔距离纤芯非常近时,模场面积大幅度增大,此时不仅能获得超大色散,而且能够使光子晶体光纤具有非常小的非线性效应.改变包层空气孔的大小对色散参数影响不明显.

分析基于单芯光子晶体光纤的超连续谱光源在提升平均输出功率时所面临的问题,指出采用多芯光子晶体光纤作为超连续谱产生介质是一种实现高功率超连续谱产生的潜在方案。使用自制皮秒光纤激光器泵浦一段国产多芯光子晶体光纤,实现了光谱范围750～1700nm,平均功率42.3w的全光纤化高功率超连续谱输出。

基于有限元法分析了光子晶体光纤模场半径,为了提高计算速度,提出了一种工作波长为1.55μm时,光子晶体光纤模场半径的快速估算方法,进而实现光子晶体光纤熔接损耗的快速估算。分析表明,本文提出的方法能够准确快速的实现光子晶体光纤熔接损耗的估算。

介绍了光纤陀螺在实际应用过程中的环境适应性问题,并从光子晶体光纤的结构特点出发,总结了光子晶体光纤的独特应用优势,指出将光子晶体光纤应用于光纤陀螺中可很好地解决温度、磁和辐射敏感等问题。通过实验研究,验证了实心保偏光子晶体光纤的损耗、模式特性,以及温度、磁场和核辐射对此种光纤的影响。同时,研究开发了它与传统保偏光纤的熔接对轴技术,熔接点损耗和偏振串音达到0.7db和-25db。在此基础上,研制出光子晶体光纤陀螺样机,陀螺零漂达到0.09(°)/h。研究和对比表明:在光纤陀螺中用光子晶体光纤代替传统的光纤,在减小温度、辐射、磁场的影响和进一步提高光纤陀螺性能方面具备很大的潜力。

通过分析非对称双芯光子晶体光纤耦合理论,提出了一种非对称双芯光子晶体光纤耦合器。理论分析显示,该耦合器的耦合比在一个较宽的波长范围内变化较小,具有波长响应平坦特性。通过有限元法模拟分析了该耦合器两芯间空气孔的尺寸以及光的偏振对其耦合特性的影响,结果表明,该非对称光子晶体光纤耦合器在1.3~1.8μm的波长范围内,其50%耦合比变化在±4%以内,具有较好的波长平坦耦合响应特性,适合光纤通信等领域对宽带耦合器的需求。

增大光场与气体的作用范围是提高光子晶体光纤(pcf)气体传感灵敏度的主要途径之一。首先,利用多极方法模拟了空芯光子晶体光纤中的功率分数随波长的变化关系,研究发现带隙型光子晶体光纤纤芯中光功率分数随波长变化是不连续的,其最大值可达90%,最小值不到5%。纤芯中光功率分数随波长的分布还与光子晶体光纤包层的空气填充率有关。其次,通过平面波展开方法计算了相应光子晶体光纤周期性包层所导致的光子带隙,研究发现纤芯中的功率分数与光子晶体光纤周期性包层光子带隙的特征有着密切的联系。只要被检测气体的特征波段落入空芯光子晶体光纤的光子带隙中,纤芯中的光功率分数就会远大于实芯光子晶体光纤倏逝波吸收传感时气孔中的功率分数。