掺锗芯光子晶体光纤和普通单模光纤的低损耗熔接

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。

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。

提出了一种利用传统电弧熔接机实现光子晶体光纤(pcf)与单模光纤(smf)低损耗熔接的新方案。方案结合实验测量与理论计算,首先通过改变熔接时间、熔接电流等参量,考察了不同熔接功率对pcf端面气孔结构的影响。由此计算了pcf端面模场分布的相应变化,并根据两光纤端面模场的重叠积分计算了相应的熔接损耗,从而确定出对应低熔接损耗的熔接功率区间。综合考虑熔接强度等要求,反向选取了合理的熔接参量范围,实现了pcf-smf之间低损耗、高强度的熔接。提出的熔接方案使熔接过程中pcf包层气孔的收缩变化、该变化对两光纤接合匹配度的影响等问题清晰化,克服了以往pcf-smf熔接中难以设定合理熔接参量的问题,有效地提高了熔接效率和熔接质量。

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。

设计了一种聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基的单偏振单模(spsm)微结构聚合物光纤(mpof)。利用全矢量有限元法和光束传播法相结合分析了这种光纤的偏振特性和约束损耗。通过优化光纤结构参数,发现在0.51μm～0.62μm的可见光波长范围,由于基模两个正交偏振模的截止波长不同,这种微结构聚合物光纤只能传输基模中的一个偏振模,从而实现单偏振单模运转。该11圈圆空气孔六角排列光纤结构的传导偏振模在0.57μm波长处约束损耗仅为1.13db/m,这种低损耗的单偏振单模微结构聚合物光纤可有效消除传统保偏光纤固有的偏振串扰和偏振模色散。

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.

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.

光子晶体光纤因具有设计自由、导光机制新颖等优势而被人们广泛关注。相比于带隙型光子晶体光纤和kagome光纤,空芯反谐振光纤(hc-arf)由于具有结构简单、单模导光、传输谱宽且损耗低的特点,在紫外/中红外光传输、高功率激光产生、非线性光学及传感等领域都具有很好的应用。但是hc-arf要真正得到广泛应用,其与普通单模光纤的熔接必须简便且损耗低,然而,hc-arf包层特殊的毛细管孔结构在熔接过程中容易坍塌,且其模场直径不同于普通单模光纤,故直接熔接时损耗很大。为此,引入一段纤芯直径为20μm的实芯大模场光纤作为模场过渡,实现了hc-arf和普通单模光纤之间的熔接,熔接损耗由直接熔接的3db降至0.844db。

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。

在光子晶体光纤的熔接过程中,由于包层空气孔大小及结构的不同,使得熔接时热源的功率和位置均不同,使得加热过程更为复杂。本文在对待熔的光子晶体光纤的热传导特性研究基础上,通过三维热传导仿真研究光子晶体光纤熔接过程中的最佳偏移量。通过仿真分析和实验研究表明:本文提出的方法可以用于计算光子晶体光纤的最佳熔接条件,从而完成光子晶体光纤与传统单模光纤间的低损耗熔接。

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.

光子晶体光纤模拟.

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.

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。

光子晶体光纤是一种包层由空气孔-石英沿轴向方向周期排列所构成的新型光纤。光子晶体光纤特殊的结构分布和特性,使其在降低光学噪声、陀螺尺寸、温度敏感性,提高陀螺精度和抗核辐射等方面,具有传统光纤光纤陀螺不可比拟的优越性。本文综述了光子晶体光纤的概念、在光纤陀螺方面的独特优势,以及其在光纤陀螺应用方面的研究进展和前景。

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.

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.

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.

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。