正方形多芯光子晶体光纤的有限元分析

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。

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。

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

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.

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.

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.

本文设计了两种具有微结构纤芯的光子晶体光纤(pcfs)——矩形芯和椭圆芯pcfs,利用电磁场散射的多极理论研究了这两种光纤的基本特性.发现在光纤包层气孔不变的情况下,仅通过调节纤芯气孔的大小就可以灵活地调节光纤的双折射、色散和非线性特性.随着纤芯气孔半径r1的增大,两种纤芯结构的pcfs表现出如下特点:双折射度增大且最大双折射度对应的波长发生红移,零色散波长由一个增加到三个,短波段非线性系数增大而长波段非线性系数减小.r1=0.4μm的椭圆芯pcfs的三个零色散波长分别位于可见、近红外和中红外波段.在结构参数相似的情况下,椭圆芯pcfs比矩形芯pcfs更容易实现高双折射和高非线性.

利用comsolmultiphysics软件进行仿真,计算了光子晶体光纤不同掺杂半径下,导波基模有效折射率的分布,并与传统光纤相比,得出表现光子晶体光纤特性的最佳掺杂半径大小范围。分析了非线性系数受掺杂半径的影响,为更好地设计光子晶体光纤光栅提供理论依据。

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。

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

光子晶体光纤模拟.

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。

光子晶体光纤(pcf,photoniccrystalfiber)的熔接技术为pcf产品的应用和开发提供了条件。本文主要介绍了影响pcf熔接的主要因素,比较了传统电弧熔接方法和激光熔接方法的优缺点,阐述了激光熔接的基本原理和工作流程,为pcf激光熔接机的制作打下基础。

使用脉宽为1.6ps的脉冲光抽运0.6m长的光子晶体光纤,测量由光纤中自发四波混频过程所产生光子对的频谱,并利用所获得的相位匹配数据确定了待测光纤的色散。当抽运光的中心波长以1nm的步长,在1037～1047nm的范围内变化时,通过可调谐滤波器和单光子探测器测量光子晶体光纤产生的信号和闲频光子对的频谱,从而获得11组四波混频相位匹配数据。然后使用阶跃有效折射率模型对所获得的相位匹配数据进行拟合,得出待测光子晶体光纤的纤芯半径和包层空气比的有效值分别为0.949μm和29.52%,并在此基础上计算了光纤的色散及全频谱范围内的四波混频相位匹配曲线。实验结果显示,曲线预测值与实测值之间误差小于0.1%。

设计了一种新型的光子晶体光纤(pcf)合束器,利用光子晶体光纤的后处理技术塌缩纤芯周围的三圈空气孔使纤芯直径增大,再对pcf合束器进行熔融拉锥,将多路熔融拉锥后的光子晶体光纤熔接到一路多模光纤作为输出端。通过数值模拟计算得到:扩芯-拉锥pcf合束器在入射不同波长时的轴向损耗远小于直接拉锥pcf合束器。