光子晶体平板传导共振模低功率光开关

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。

采用光子晶体光纤构成非线性光学环路镜,利用非线性环路镜中信号光与控制光之间交叉相位调制效应实现全光开关.讨论了光子晶体光纤结构参数对其非线性的影响,建立了基于光子晶体光纤非线性环路镜光开关的理论模型,研究了光开关的透过特性及影响光开关性能的因素.研究结果表明,基于光子晶体光纤非线性环路镜的光开关,可以在较短的环长和较低的开关功率下实现高速光开关操作,其开关特性可由控制光功率灵活调控.光子晶体光纤非线性环路镜光开关为实现用于高速光通信系统中的光开关技术提供了一种重要思路.

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。

光子晶体光纤模拟.

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。

采用毛细玻璃管拼接并拉丝的方法试制成功光子晶体光纤样品,它由石英纤芯和周围呈六角形分布的两圈气孔组成,气孔直径4μm,间距17μm,芯区直径30μm。理论模拟和光学实验均证实此光纤在6328nm以上的波长范围内为单模光纤

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。

介绍该课题组近两年在光子晶体光纤超连续谱方面的主要研究成果,包括基于连续波泵浦研制全光纤化超连续谱源,利用级联一段高非线性正常色散光纤,通过光纤的受激拉曼散射效应实现超连续谱的平坦化;基于皮秒锁模光纤激光器实现全光纤化5w输出超连续谱源;拉制一段145m的锥形光子晶体光纤,利用自制的纳秒光纤激光器与锥形光子晶体光纤熔接,制备输出功率2.2w的宽带超连续谱源;利用自制的网状光子晶体光纤和全固态光子带隙光纤,分别研究亚微米薄壁上偏振相关的超连续谱产生,以及基于四波混频效应产生的超连续谱.

设计一种喇叭型开口二维光子晶体波导,利用时域有限差分法计算波导传输谱图。模拟结果表明:通过改变开口处光子晶体椭圆点缺陷的结构,传输谱图中将出现相应变化的缺陷模,可用于实现频率可调的窄带光子晶体滤波器。

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。

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.

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.

先简单介绍光子晶体光纤相对于普通光纤的特点,然后重点阐述光子晶体光纤在量子信息上应用的优势。与其它方法,如基于非线性晶体自发参量下转换方法相比,利用光子晶体光纤能更有效地产生纠缠光子,并能与现有光纤传输系统良好兼容,从而表现出其在量子信息领域内的优越性及巨大的应用潜力。最后简要展望了光子晶体光纤在量子信息领域内的前景。

采用全矢量有限元方法和完美匹配层条件,研究了一种在光纤包层中引入矩形孔的光子晶体光纤,提出一种实现高双折射光子晶体光纤的方法.模拟结果表明矩形孔光子晶体光纤具有椭圆孔光子晶体光纤类似的高双折射特性,其双折射高达0.01的量级,两种光子晶体光纤的模场、双折射、约束损耗等特性基本类似.

利用微加工技术,在soi上制作出了高q值的光子晶体微腔,q值可以达7×10~4以上,为后续的光与物质相互作用和量子信息方面的实验奠定了基础.实验结果与理论模拟符合得较好.通过三维时域有限差分法模拟,得到光子晶体微腔的q值为1.2×10~5左右.

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

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。

实验研究了高非线性光子晶体光纤中模式控制的非线性过程,利用激发出高阶模式获得上转换到可见光波段的色散波.通过控制输入飞秒激光的偏振方向,获得了两组相互正交的高阶模式的非线性输出.进一步在光子晶体光纤空气孔包层中注入蜡修整纤芯结构,使得正交模式的有效模折射率差降低,从而形成简并的模式,并通过叠加简并模式获得了中空模场的输出.

多芯光子晶体光纤便于与抽运激光器的大模场直径输出尾纤进行低损耗的熔接,能够把高功率的抽运激光耦合进光子晶体光纤中。同时,多芯光子晶体光纤的光场分布直径比单芯光子晶体光纤大,尽管激发非线性效应所需的激光抽运功率会有所提升,但是其激光损伤阈值也随之提升,即能够承受更高功率的抽运激光。因而,多芯光子晶体光纤非常适合用于构建全光纤化的高功率超连续谱光源系统。最近,国防科学技术大学采用高功率皮秒光纤激光抽运由光纤光缆制备技术国家重点实验室拉制