微纳光纤及其锁模激光应用

微纳光纤是一种直径接近或小于传输光波长的纤维波导,由于纤芯和包层折射率差较大,具有强光场约束、强倏逝场、低损耗、反常波导色散、表面均匀性好和机械性能高等特性。近年来,以纳米材料作为饱和吸收体的被动锁模激光器成为超短脉冲激光技术方向的研究热点。得益于微纳光纤的强光场约束能力及大比例倏逝场,纳米材料与微纳光纤的复合结构能显著增强光与物质的相互作用,进而降低该复合结构的饱和吸收阈值,为超短脉冲产生和非线性动力学等研究提供一个新颖而灵活的平台。同时,微纳光纤因具有反常波导色散、光谱滤波、饱和吸收和偏振敏感等特性,在激光器的色散调控、偏振锁模等方面获得应用。介绍了微纳光纤的制备和特性以及在锁模激光方面的典型应用和相关技术的最新进展,并就未来的发展方向进行了展望。     

基于石墨烯的宽带全光空间调制器

提出了单层石墨烯包裹微纳光纤的全光空间调制.石墨烯作为可饱和吸收体包裹在通过二氧化碳激光器加热制备的微纳光纤上,当信号光沿着微纳光纤传输时部分光将以倏逝场的形式沿着微纳光纤表面传递,并与石墨烯产生作用被吸收.同时将波长为808 nm的抽运光从空间垂直入射到石墨烯包裹的微纳光纤处,依据石墨烯的优先吸收特性,通过抽运光控制石墨烯对信号光的吸收,实现了宽带全光空间调制.在1095 nm波长处获得最大调制深度约为6 dB,调制带宽约为50 nm,调制速率约为1.5 kHz.空间全光调制器具有输出信号光“干净”的特点.与传统石墨烯微纳光纤全光调制器相比,输出端不需要对抽运光进行光学滤波而直接获得已调信号.该复合波导全光空间调制器以更为灵活、高效的方式打开了微纳超快信号处理的大门.     

保偏微纳光纤倏逝场传感器

近年来,保偏微纳光纤以其高双折射特性和强倏逝场效应引起了研究者的关注.本文从保偏微纳光纤的结构类型、制备方法和模式双折射特性等出发,介绍了目前不同类型保偏微纳光纤倏逝场传感器的构造特征与实现方法,利用保偏微纳光纤在两个垂直偏振方向的倏逝场对外界的不同响应,可制成偏振相关的干涉型或光栅型等传感器件.本文探究了包括超高折射率灵敏度特性和温度不敏感特性等的内在产生机理,并考察了保偏微纳光纤倏逝场传感器在折射率、湿度、磁场和特异性DNA分子探测等方面的应用,其结果对微纳光纤及其传感器的研究和应用具有重要的意义.     

SNOM应用于光电材料和器件的光学特性的探测和表征

介绍了近场光学及近场探测的原理 ,给出了其用于光电器件研究中的一些结果。近场光学方法具有超衍射分辩的本领和纳米局域光场探测的能力 ,适用于多种光电材料的探测与表征 ,包括 :LD、光纤波导器件、光子晶体器件等。纳米局域光场和倏逝场的探测发现了许多远场探测无法得到的结果 ,为光电器件纳米结构的研究提供了有力证据     

基于飞秒激光抽运的石墨烯包裹微光纤波导结构的级联四波混频研究

基于石墨烯的光学非线性特性和器件研究正在成为新一代微纳光子器件的一个重要方向. 采用峰值功率为kW量级的飞秒脉冲抽运和P型掺杂石墨烯薄膜包裹的微光纤所构成的复合波导结构, 在1550 nm波段成功激发并观察到级联四波混频现象. 实验 结果表明, 这种P型掺杂石墨烯包裹的微光纤复合波导具有非线性系数高、结构紧凑, 可承受高功率和超快响应的特点, 对基于该结构的级联四波混频特性的研究在基于超快光学的多波长光源、光参量放大以及全光再生等领域具有参考价值和应用意义     

石墨烯覆盖微纳光纤复合波导全光优先吸收特性

利用二氧化碳激光器加热法,将普通单模光纤拉制成微纳光纤,用湿法转移石墨烯覆盖在微纳光纤上构成复合波导,不同波长的光通过耦合器进入复合波导,以倏逝波的形式与石墨烯相互作用,开展石墨烯优先吸收特性的研究。当短波作为泵浦光时,随着入射强度的增长,测得输出端长波信号光光谱的变化,获得了约3.5 dB的调制深度,0.62 dB·mW-1的调制效率。当长波作为泵浦光并改变入射光强时,在输出端测得作为信号光的短波透过率变化约1.9%。实验结果表明,随着任意波长泵浦光入射光强的增长,复合波导对其表现出优先吸收的特性。实验还测试了长波和短波分别经过复合波导后透过率随输入功率的变化,得出长波的透过率增加速度比短波更快,并从能带和倏逝波两方面作出了对应的理论分析。     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

空间交叉波导耦合特性分析

由两根在空间呈X型放置的光波导组成的空间交叉波导结构是构成垂直耦合光分束器、垂直耦合光滤波器、垂直耦合光开关和垂直耦合上/下复用器等三维集成光学器件的基本结构单元.提出用一种等效模场匹配法分析空间交叉波导耦合特性,将矩形波导的场分布看成是对圆对称光纤场分布的微扰,解决了对角区场分布的表达,从而计算空间交叉波导的耦合长度,并用三维全矢量光束传输法验证了分析结果.将两种方法所得的空间交叉波导耦合长度加以比较,最大误差为1.2%,平均误差为0.9%.结果表明该等效模场匹配法具有精度高、运算速度快等优点,为基于空间交叉波导的三维集成光学器件的设计和分析提供理论基础.     

0.73～1.7μm超宽带微纳光纤波导全光调制器

提出了单层石墨烯包裹双锥形微纳光纤复合波导结构,构建了730~1 700nm超宽带微纳光纤波导全光调制器。通过火焰拉锥法将一根标准的通信单模光纤拉成具有双锥形的微纳光纤,在保证通光率的前提下可以极大的提升微纳光纤处的倏逝波与物质的相互作用。利用石墨烯的"超级特征",即单原子层厚度、线性色散的能带结构、超强的载流子带间跃迁及极短的弛豫时间和超宽带光与物质相互作用等,将单层石墨烯作为可饱和吸收体,包裹在双锥形微纳光纤波导的锥体上,以增强该复合波导表面倏逝波与石墨烯的相互作用。静态和动态全光调制实验中采用传统808nm低功率LD作为泵浦光,对谱宽为480~1 700nm的超连续谱探测光实现了光光调制,其泵浦光功率低于50mW,调制深度大于5.7dB,调制速率达到~4kHz。该微纳光纤波导全光调制器,在保证调制深度的情况下,用更低的泵浦功率实现了超宽带的全光调制,以简单、有效、廉价的方式兼容了当前高速光纤通信网络,打开了一扇未来对微纳超快光信号处理的大门。     

耦合腔光子晶体慢光波导结构

在单线缺陷结构中引入两个附加的相邻介质柱,构成一种新型的光子晶体耦合腔波导结构.通过平面波展开法对波导结构的的慢光特性进行了仿真分析,研究了平移线缺陷上下两侧介质柱,以及改变腔体的长度对器件色散特性和群速度的影响.结果表明:与平移缺陷上下两侧介质柱相比,通过改变腔体的长度,不仅可将光群速度低到0.03c(c为真空下的光速),而且器件的有效波长范围接近20nm.利用时域有限差分法得到波导结构的传输场分布图,研究波长的选取对入射激励光在光子晶体耦合腔波导中传输场的影响,发现结构参量优化后的光子晶体耦合腔波导仍然具有良好的传输特性.     

Nanoscopic photodeposited structures analyzed by an evanescent optical method

The evanescent field propagating in waveguides was used to evaluate the profile and growth rate of laser photodeposited a-Se. A pulsed KrF excimer laser was used for deposition. The differential-evanescent light leaking image, was used to analyze the nanostructures in the deposited zones. The relation between the emerging light intensity of the evanescent wave and the optical light intensity propagating in the waveguide was connected to an effective range of the evanescent wave leaking power into the deposited material. The technique provides the nanometric profiles of the ultra-thin photodeposited structures.     

基于石墨烯涂覆空心光纤电光调制特性的研究

设计了一种新型的石墨烯-空心光纤可调谐结构, 将石墨烯涂覆在空心光纤的空气孔内表面上, 利用有限元法研究了该结构的电光调制特性. 通过改变石墨烯的化学势可以调控光纤的相位和开关特性, 还可以调谐光纤损耗峰与次峰的位置、强度和宽度. 然而, 空气孔半径和石墨烯层数不会改变开关点和损耗峰与次峰的位置, 只会改变损耗差和损耗峰的强度和宽度, 而且由N 层石墨烯引起的损耗差是单层的N倍. 这是因为石墨烯的介电常数决定了光纤的有效折射率和损耗, 通过改变石墨烯的化学势可以改变石墨烯的介电常数, 而石墨烯的层数和空气孔半径却不会改变石墨烯的介电常数, 但是改变了石墨烯和光的作用强度. 经过参数优化之后, 我们提出一种基于五层石墨烯涂覆空心光纤的电吸收型调制器, 工作在1180–1760 nm波段, 具有小尺寸(5 mm×125 μm)、宽光带宽(580 nm)、高消光比(16 dB)、高调制带宽(64 MHz) 和低插入损耗(1.23 dB) 特性. 研究结果对基于石墨烯的可调谐光纤光子器件的设计和应用提供了理论参考.     

Influence of a holey cladding structure on spectral characteristics of side-polished endlessly single-mode photonic crystal fibers

We experimentally investigate the spectral characteristics of side-polished endlessly single-mode photonic crystal fibers of different polishing depths and radii of curvature that are important to mode field diameter, evanescent coupling, waveguide losses, higher-order mode excitation, and dispersion slopes of photonic crystal fiber components. A polished photonic crystal fiber with a greater polishing depth or a larger radius of curvature shows a more dispersive characteristic. In contrast to conventional single-mode fibers, in photonic crystal fibers the evanescent field is more strongly localized, and the propagating light can be more efficiently guided within the deformed core.     

How thin can a microfiber be and still guide light?

For the adiabatically deformed optical fiber the intermode transmission amplitudes and loss vanish exponentially with the characteristic length of the fiber's nonuniformity. For this reason smoothly deformed optical fiber tapers can have very small losses. However, losses dramatically increase with a thinning of the microfiber down to a diameter much smaller than the radiation wavelength. The theory of nonadiabatic intermode transitions is briefly discussed and, by using this theory, the problem of the smallest diameter of a microfiber that can transmit evanescent radiation is studied. It is shown that even for an extremely high uniformity of microfiber the ability of light transmission does not leave much space for microfiber thinning: the propagating mode vanishes at a threshold value of the microfiber's diameter, that is smaller than the radiation wavelength by only an order of magnitude.     

Hologram recording and read-out with the evanescent field of guided waves

We investigate hologram recording and read-out where the evanescent field of a guided mode propagating in a planar waveguide is used as reference and illuminating wave, respectively. A special case of such a hologram is a new type of grating coupler promising beam to mode coupling with high coupling efficiency. First experiments with dichromated gelatin as the recording medium are reported as feasibility proof.     

Dynamically tunable multiband plasmon-induced transparency effect based on graphene nanoribbon waveguide coupled with rectangle cavities system

A dynamically tunable multiband plasmon-induced transparency (PIT) effect in a series of rectangle cavities coupled with a graphene nanoribbon waveguide system is investigated theoretically and numerically by tuning the Fermi level of the graphene rectangle cavity. A single-PIT effect is realized using two different methods: one is the direct destructive interference between bright and dark modes, and the other is the indirect coupling through a graphene nanoribbon waveguide. Moreover, dual-PIT effect is obtained by three rectangle cavities side-coupled with a graphene nanoribbon waveguide. Results show that the magnitude of the dual-PIT window can be controlled between 0.21 and 0.74, and the corresponding group index is controlled between 143.2 and 108.6. Furthermore, the triple-PIT effect is achieved by the combination of bright-dark mode coupling and the cavities side-coupled with waveguide mechanism. Thus, sharp PIT windows can be formed, a high transmission is maintained between 0.51 and 0.74, and the corresponding group index is controlled between 161.4 and 115.8. Compared with previously proposed graphene-based PIT effects, the size of the introduced structure is less than 0.5 μm². Particularly, the slow light effect is crucial in the current research. Therefore, a novel approach is introduced toward the realization of optical sensors, optical filters, and slow light and light storage devices with ultra-compact, multiband, and dynamic tunable.     

二维三角晶格光子晶体波导的出射光集束传播

为了解决光子晶体波导出射端光场控制, 同时解决二维三角晶格光子晶体波导出射光辐射困难的问题。利用二维三角晶格光子晶体设计了一种新型光子晶体波导出射口结构。在二维三角晶格光子晶体波导出射端引入两个微腔, 通过光波与微腔发生共振, 形成类似于三个点光源干涉的出射光, 同时进一步提出波导出射端喇叭口干涉出射光定向辐射的设计。通过这种微腔喇叭口设计, 利用时域有限差分法分析结果表明光波实现很好的定向辐射, 并且辐射距离显著提高。