全固双层芯色散补偿光子晶体光纤的研究与设计

为了补偿光纤色散对高速信号传输的限制,提出一种全固双层芯色散补偿光子晶体光纤.首先对该光纤模式耦合特性进行理论分析,然后利用多极法进行模拟计算,得到该光纤包层结构参数与色散值以及相位匹配波长之间的关系,并对其规律进行研究.通过优化光纤结构参数,得到在1 550nm处,色散值达到-32 620ps/(nm·km)、损耗为0.29dB/km、与标准单模光纤的熔接损耗为4.77dB的色散补偿光纤.该光纤可补偿1 910多倍长度的SMF-28单模光纤的色散,补偿能力远大于常规色散补偿光纤.与空气孔-石英结构色散补偿光子晶体光纤相比,全固色散补偿光子晶体光纤具有易制备、易与传统通信光纤熔接等优点.     

光子晶体光纤的原理、结构、制作及潜在应用

传统光纤中的光能损耗和色散是阻碍其进一步向大容量和远距离通信方向发展的主要原因，因此制造具有低色散和低损耗的光子晶体光纤成为光纤技术努力的方向。在介绍光子晶体光纤的制作、导光原理和特点的基础上，研究了普通光纤不具备，而光子晶体光纤所具有的无休止的单模特性、奇异的色散特性、可控的非线性和易于实现的多芯传输等特点。研究结果表明，光子晶体光纤在光纤传感器、光子晶体天线、超宽色散补偿、光学集成电路等多方面具有广泛的应用前景。     

光子晶体光纤包层可见光及红外宽带色散波产生

对光子晶体光纤包层3个空气孔之间节区的传光特性进行了分析, 对比了纤芯与包层节区传光的模场面积、非线性系数及色散特性, 得到光子晶体光纤包层节区具有小芯、高非线性的特点.在包层空气孔较大的情况下, 得到了双零色散曲线.根据色散曲线, 分析了色散波产生的相位匹配特性, 得到了色散波中心波长随抽运波长及功率的变化规律.制备出了所设计的光子晶体光纤, 实验得到了在可见光及红外大于300 nm的宽带色散波, 并给出了色散波随抽运波长及功率的变化规律.实验和理论分析结果一致, 为波长变换及超连续宽带光源的研究奠定了基础. 关键词： 光子晶体光纤 色散波 相位匹配 非线性     

三种典型结构光子晶体光纤基本特性的比较和分析

应用多极法比较和分析了相同结构参数下的正六边形、正八边形和正十边形光子晶体光纤的色散系数、色散斜率、非线性系数和限制损耗.正六边形光子晶体光纤更适合用于色散补偿和高非线性的研究,在波长0.8 μm处的非线性系数达到了0.37 m^-1·W^-1;正十边形光子晶体光纤更适合用于色散平坦和低限制损耗的研究,在波长0.8 μm处的限制损耗相对正六边形光子晶体光纤减小了约3000个数量级,在1.4—1.65 μm波长范围内,正十边形光纤的色散系数介于-0.07—0.17 p     

双泵浦光子晶体光纤参量放大研究

利用光子晶体光纤在不同零色散波长附近具有不同色散的特性,研究了在零色散波长为780 nm和1550 nm附近的双泵浦光子晶体光纤参量放大过程.在780 nm附近,讨论了零色散波长变化对双泵浦光子晶体光纤参量放大的影响.数值模拟结果表明:当零色散波长发生微小的变化时,信号增益谱带宽会发生很大的变化.当两泵浦光之间的波长差值减小时,零色散波长的变化对参量放大的影响在很大程度上可以得到抑制,但是增益带宽会有一定的减小.依据这一原理,在1550 nm附近设计光子晶体光纤中的色散平坦光纤参量放大,在5 m长的光子晶体光纤中,当峰值功率为10 W时,得到了增益为65 dB,带宽达到420 nm且极为平坦的增益谱.     

不同零色散点光子晶体光纤的超连续谱产生

本文实验研究了飞秒脉冲在不同零色散点光子晶体光纤中传输时产生超连续谱的现象。首先,我们通过非线性薛定谔方程理论计算了激光脉冲分别在正、负色散光子晶体光纤中传输时产生的超连续谱;计算结果表明在正色散光子晶体光纤产生的超连续谱远远大于在负色散中产生的超连续谱。其次,在实验上采用零色散点分别为800 nm、1 060 nm和2 000 nm的光子晶体光纤,将脉宽为130 fs,中心波长800 nm,脉冲重复频率为80 MHz的脉冲输入这些光纤中产生超连续谱并研究其特性,实验结果表明光子晶体光纤的零色散点越小,在其中产生的超连续谱越宽越平坦。同时产生的超连续谱也与激光脉冲的能量和中心波长相关。     

八边形结构的双折射光子晶体光纤

提出一种新型的双折射光子晶体光纤,在正八边形的基础上改变纤芯附近的几个空气孔的直径产生双折射.利用多极法对该光纤基模的模场分布、色散、限制损耗及双折射特性进行数值分析,并且分析了一些参数对双折射的影响.计算了具有相同参数的六边形结构光子晶体光纤的色散系数、限制损耗及双折射率.研究表明,具有相同参数的八边形结构光子晶体光纤比六边形结构光子晶体光纤的双折射率明显提高,限制损耗大幅度减小,零色散波长也向短波方向移动. 关键词： 光子晶体光纤 双折射 色散 限制损耗     

新型高双折射及色散平坦光子晶体光纤研究

用平面波展开法对光子晶体光纤中电磁场的Maxwell方程组进行了求解。将光纤截面作为超元胞衍生出一个无边界的二维周期性系统，光纤纤芯等效为光子晶体中的缺陷，借助平面波法对其性质进行研究，模拟了半导体中的超格子。运用上述超格子模型，对与纤芯同列孔半径可变的高双折射及与包层中纤芯距离最近的孔半径可变的色散平坦光子晶体光纤的光学性质进行了研究，发现与纤芯同列的孔半径变化时，其双折射比传统光纤更强，而当包层中距离纤芯最近的孔半径取特定值时，可得到近零色散平坦光纤并在大范围内获得反常色散。与传统光纤和普通光子晶体光纤相比，这种新型的色散平坦光纤在密集波分复用（DWDM）光通信系统中具有更高的应用价值。     

Broadband dispersion compensating fiber using index-guiding photonic crystal fiber with defected core

We present a novel broadband dispersion compensating photonic crystal fiber with defected core in this paper. The small central defect of air hole can flexibly control the chromatic dispersion properties of this kind of photonic crystal fiber. This kind of fiber has broadband large negative chromatic dispersion, and the chromatic dispersion coefficient varies from -440 to -480 ps/（nm.km） in the measured wavelength range of 1500 - 1625 nm. The calculated chromatic dispersion curve is well matched to the measured chromatic dispersion coefficient in the range of 1500 - 1625 nm. The proposed photonic crystal fiber can be used to design the dispersion compensating fiber in the desired wavelength range by adjusting its structural parameters.     

基于全正色散光子晶体光纤的超连续谱光源

利用预估校正分步傅里叶法数值求解非线性薛定谔方程, 模拟超短激光脉冲在全正色散光子晶体光纤中传输时的演化情况, 分析了不同脉宽和能量的脉冲对产生的超连续谱的影响. 结果表明: 无啁啾高斯脉冲在此全正色散光子晶体光纤中传输时, 始终保持单个脉冲特性, 提高脉冲峰值功率可进一步展宽获得的超连续谱.模拟结果同时表明, 利用中心波长为1060 nm, 脉宽和能量分别为50 fs, 15 nJ的脉冲抽运此光纤, 当传输12 cm 后便可获得具有较好的光谱连续性和光谱平坦度的超连续谱. 进一步模拟结果表明, 采用棱镜对对其进行脉冲压缩, 可获得脉宽约15 fs, 谱宽约700 nm的理想超连续谱光源. 关键词： 超连续谱 光子晶体光纤 全正色散     

Photosensitivity-enabled dispersion controllability for quasi-phase-matching in photonic crystal fibers

A novel photonic crystal fiber featured by concentric cores is proposed to induce dispersion controllability by photosensitivity. Chromatic dispersion can be changed from -1827 to 72 ps/nm/km with refractive index modulation of 4 x 10(-4) produced in Ge-doped regions in the fiber. Effective mode area of inner mode is as small as 6.4 mum(2). The proposed fiber enables to achieve quasi-phase-matched nonlinear parametric interaction in a single piece of photonic crystal fiber, by periodically alternating dispersion and compensating for phase mismatching caused by the dispersion.     

菱形纤芯光子晶体光纤色散与双折射特性分析

针对光子晶体光纤多零色散点、高双折射的应用要求, 设计了一种新型结构的光子晶体光纤, 其纤芯由位于菱形四个角上的圆形空气孔组成. 通过有限元数值分析方法对该种结构光子晶体光纤的色散特性和双折射特性进行数值仿真, 得到色散与波长、色散与纤芯圆孔尺寸、双折射与波长、双折射与纤芯圆孔尺寸的关系. 研究结果表明:在满足光纤传输功率要求的条件下, 光纤的双折射在d₁<0.8 μupm 时的性能较好. 同时, 该种结构的光子晶体光纤在芯区直径满足d₁=0.4 μupm或 d₁=0.6 μupm时会出现两个零色散点, 这对进一步研制具有多零色散点的光子晶体光纤具有重要的意义.     

双零色散光子晶体光纤结构参数的变化对其性能的影响

应用多极法,研究了正六边形结构光子晶体光纤的结构参数改变时,波长范围在0.8—1.8μm之间的双零色散光子晶体光纤的色散特性和非线系数随波长的变化规律.对具有相同结构参数的正六边形结构和正八边形结构进行比较,得到正六边形结构的双零色散光子晶体光纤的色散更加平坦,非线性系数有明显增大的结果.因此,正六边形结构更容易获得色散平坦的高非线性双零色散光子晶体光纤.最终设计了在800nm附近具有平坦色散和高非线性的正六边形双零色散光子晶体光纤.     

色散补偿光子晶体光纤结构参数对其色散的影响

光子晶体光纤由于其灵活可调的色散特性用作色散补偿具有极大的应用潜力. 设计了一种色散补偿光子晶体光纤, 并运用频域有限差分法模拟了其色散特性,从理论上分析了其结构参数孔间距Λ和空气占空比d/Λ对该光子晶体光纤的色散系数的影响, 并且实际制备出了3种不同结构参数的光子晶体光纤. 通过对其色散曲线对比分析表明: 当光子晶体光纤孔间距在1 μm附近时, 其色散系数随着孔间距Λ和占空比d/Λ的增大而增加, 但对于孔间距Λ的变化比占空比d/Λ更为敏感, 并且随着孔间距Λ的增加,其对色散系数的影响能力逐渐减小. 设计并制备的光子晶体光纤在1550 nm处的色散系数为-241.5 ps·nm^-1·km^-1, 相对色散斜率为0.0018, 具有较好的色散补偿能力. 关键词： 色散 色散补偿 光子晶体光纤 结构参数     

Ge20Sb15Se65硫系玻璃光子晶体光纤的中红外色散特性

硫系玻璃与石英玻璃相比具有高折射率(2.0～3.5)、低声子能量(<350cm-1)、优良的中远红外透过性能(可至25μm)等特性.本文制备了一种在中红外具有优良透过特性的无As环保型Ge20Sb15Se65硫系玻璃材料,以此为基质材料设计了一种三层空气孔结构光子晶体光纤,利用多极法对光纤的中红外色散特性进行了数值模拟,系统研究了结构参量孔径d、孔间距Λ以及d/Λ对其色散特性的影响.分析表明:通过改变包层空气孔直径d或空气孔间距Λ,可灵活的调节光子晶体光纤的零色散波长向短波或长波方向移动.通过优化结构参量发现,当Λ=3μm,d/Λ=0.35附近变化时,可获得3～5μm色散平坦,且色散值小于5ps.nm-1.km-1的光子晶体光纤.     

一种新型高非线性色散平坦光子晶体光纤结构

提出了一种新的高非线性色散平坦光子晶体光纤结构,引入了一个衡量非线性和色散平坦的品质因子δ。采用平面波展开法,研究了气孔尺寸对光子晶体光纤色散特性和非线性的影响。新结构在第一圈空气孔的中间插入六个附加小孔,使得光子晶体光纤有更小的有效模场面积,提高了光纤的非线性。通过控制第一圈和第三圈空气孔以及附加小孔的直径,使得该光子晶体光纤在大约330 nm的波长范围内,光纤的色散系数介于±0.5 ps/(km.nm)之间,在大约230nm的波长范围内,光纤的色散系数介于±0.1 ps/(km.nm)之间,在大约200 nm的波长范围内,光纤的色散系数D的值介于±0.05 ps/(km.nm)之间。光纤的有效模场面积为2.26μm2。衡量非线性和色散平坦的品质因子δ=11.8 ps.W/μm2。     

渐变空气孔THz波光子晶体光纤的色散特性

太赫兹(THz)波是指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波,即介于毫米波与红外线之间,太赫兹波有很多优越的特性,在国防、航天、医学等领域具有潜在的应用价值。本文设计了一种渐变的空气孔THz波光子晶体光纤,其包层由周期分布的渐变空气孔构成,芯区是去掉一个空气孔形成的缺陷。采用带有良匹配层(APML)吸收边界的全矢量时域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD)对其色散特性进行了数值分析,计算结果表明这种渐变空气孔光子晶体光纤具有较强的色散控制能力。     

光子晶体光纤的基模分析

简化了光子晶体光纤的模式计算公式，计算了六角晶格光子晶体光纤的色散关系，对不同空气柱半径的色散作了比较，发现随着空气柱半径的增加，模式折射率变小，波导模式色散的零色散点向长波方向移动。     

Multiwavelength fiber laser based on a photonic crystal fiber loop mirror with cooperative Rayleigh scattering

In this work, a multiwavelength fiber Raman laser based on a highly birefringent photonic crystal fiber loop mirror is presented. A laser resonator is formed when the Raman amplification with cooperative Rayleigh scattering in a dispersion-compensating fiber is used as a distributed mirror and combined with a photonic crystal fiber loop mirror filtering structure. Stable multiwavelength lasing at room temperature is achieved due to the low temperature sensitivity of the highly birefringent photonic crystal fiber.     

单模低损耗光子晶体光纤的设计及特性分析

设计了几种特殊结构的带隙光子晶体光纤,采用平面波展开法和频域有限差分方法研究了基于不同结构光子晶体光纤的带、模式、色散和色散斜率。由平面波展开法和频域有限差分方法求解麦克斯韦方程组导出本征值方程,可以得到带隙光子晶体光纤中可能存在的不同模式的传播常数、电场分布、本征频率和磁场分布。分别给出了第二圈填充率取三种不同值时带、模式、色散和色散斜率的变化。结果表明,当第二圈填充率改变时其特性有明显的变化。随着填充率从0．75减小到0．45,其二阶模分裂成两个类LP01模,可降低损耗。计算结果对单模和低损耗的光子晶体光纤的设计有参考价值。