空气包层大模场面积掺镱光子晶体光纤研究

采用改进的化学气相沉积法和气相液相混合掺杂技术制备大芯径掺镱石英光纤预制棒, 以此作为有源纤芯制备了纤芯直径约90 μm的掺镱双包层光子晶体光纤, 纤芯组分为镱铝磷共掺.双包层光子晶体光纤的模场面积约1330 μm², 纤芯数值孔径0.065,包层数值孔径0.5.首次实现了国产掺镱光子晶体光纤的高功率高效率激光输出, 1 m长的光子晶体光纤激光器实现102 W 激光输出,斜率效率76%.     

双包层多芯光子晶体光纤自相干合成的数值分析与实验

依据耦合模理论分析了双包层多芯光子晶体光纤的超模模场特性,通过倏逝波对7束光的相位调节,可实现相干合成,激光亮度得到很大提高.利用相干合成原理对双包层多芯光子晶体光纤的出射光相干功率密度进行了分析与测量,对此种结构的光子晶体光纤实现自相干合成提出了理论和实验依据.     

光子晶体光纤的弯曲损耗振荡特性分析

综合运用弯曲光纤的等效直光纤模型、全矢量频域有限差分法及各向异性完全匹配层吸收边界,计算了两种类型(折射率引导型和带隙型)光子晶体光纤(PCF)的弯曲损耗.通过数值模拟弯曲损耗随弯曲半径的变化关系,证实了两种光子晶体光纤均具有弯曲损耗振荡特性.进而分析了两种光子晶体光纤弯曲损耗振荡的产生机理并给出了与损耗峰对应的包层模式.结果表明,振荡的产生源于基模与包层模式的耦合,其中,折射率引导型光子晶体光纤的弯曲损耗振荡机理类似于传统双包层光纤,带隙型光子晶体光纤弯曲损耗振荡的产生则是两种不同类型的包层模式共同作用的结果.     

一种新型混合双包层光子晶体光纤的色散特性研究

以多极法理论为基础,设计了一种混合双包层结构的光子晶体光纤.通过改变其五层空气孔的四个结构参数（内层空气孔直径、外层空气孔直径、六边形孔间距和八边形孔间距）,理论上实现了色散绝对值在144—20 μm的波段内变化仅为125 ps·km^-1·nm^-1的平坦色散特性.在此情况下对其损耗进行了数值模拟,使所设计的光纤在144—20 μm的宽波段范围内具有小于0005 dB/km的低限制损耗特性. 关键词： 光子晶体光纤 多极法 平坦色散 限制损耗     

双包层光子晶体光纤激光器散热能力的理论研究

通过比较在相同发热功率和散热条件下双包层光子晶体光纤和传统双包层光纤的温度分布,考察了双包层光子晶体光纤的散热能力.数值研究结果表明：双包层光子晶体光纤的散热能力要弱于后者;但从总体来看,传统双包层光纤和光子晶体光纤的热性能对激光器的激光性能的影响是近乎相同的.     

基于对称双环嵌套管的低损耗弱耦合六模空芯负曲率光纤

本文设计了一种具有对称双环嵌套管结构的新型低损耗少模空芯负曲率光纤,该光纤支持LP₀₁, LP₁₁,LP₂₁, LP₀₂, LP_31a, LP_31b共6种纤芯模式.所设计的光纤以SiO₂作为基底材料,采用特殊的对称双环嵌套结构将包层区域进行划分,能够有效地减小纤芯模式与包层模式的耦合.使用有限元法对该少模空芯负曲率光纤的结构参数进行优化,并分析了纤芯各个模式的限制损耗和弯曲损耗.仿真结果表明,所提出的少模空芯负曲率光纤能够同时支持弱耦合的6种纤芯模式独立传输(相邻模式间的有效折射率差均大于10^–4,有效地避免了纤芯内模式间的耦合).在400 nm带宽(1.23—1.63μm,覆盖O, E, S, C, L波段)范围内,纤芯中的6个模式均保持低损耗稳定传输.各模式限制损耗在1.4μm处达到最低,其中基模LP₀₁模式的限制损耗最低,为4.3×10^–7 d B/m.此外,当弯...     

高双折射的混合格子太赫兹光子晶体光纤的设计与研究

提出了一种新型高双折射的混合格子太赫兹光子晶体光纤,通过对芯区亚波长尺寸的空气孔进行多种格子组合排列,增加结构的非对称性实现高的模式双折射. 全文仿真建模采用专业的有限元计算软件COMSOL Multiphysics 4.0,结果表明:混合格子太赫兹光子晶体光纤在很宽的频率范围内都具有较高的双折射(达到10^-2)和低的限制损耗,且通过改变光纤的某些参数可以灵活地控制其双折射或限制损耗特性. 相比于同类光通信波段光纤,由于太赫兹波波长较大,能够降低芯区微结构加工的难度,具有可行性. 关键词： 双折射 混合格子 太赫兹光子晶体光纤 限制损耗     

非对称性对光子晶体光纤偏振相关滤波特性的影响

基于表面等离子共振效应,提出了三种不同非对称因素引入的金镀膜偏振相关滤波光子晶体光纤,利用全矢量有限元法研究了光子晶体光纤偏振相关滤波传输特性.当非对称纤芯模单独作用时,波长1.55μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.58dB/cm和461.58dB/cm,两偏振方向损耗比为83;当非对称金属表面等离子模单独作用,且镀膜厚度为55nm时,其谐振波长1.31μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为2.02dB/cm和412.91dB/cm,两偏振方向损耗比高达204,镀膜厚度19.5nm时其谐振波长1.55μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.29dB/cm和536.25dB/cm,两偏振方向损耗比为101;当纤芯模和表面等离子模同时引入非对称因素时,通信波长1.55μm处y偏振纤芯模谐振强度高达802.08dB/cm,而x偏振纤芯模损耗仅为5.57dB/cm,两偏振方向损耗比为144.数值比较可知,在金属表面等离子模中或两种模式同时引入非对称因素,可获得两偏振方向偏振损耗比更高的强偏振相关滤波传输特性的光子晶体光纤,该研究对光子晶体光纤偏振相关滤波器及相关偏振器件的设计与应用具有一定参考意义.     

新型THz波超平坦色散光子晶体光纤

设计出一种新型的渐变空气孔径THz波超平坦色散光子晶体光纤.应用时域有限差分方法(finite-difference time-domain,FDTD)计算光纤色散,所得结果表明渐变空气孔径光子晶体光纤比孔直径不变光子晶体光纤控制色散的能力更强;且当第三层与第四层空气孔直径相同时,孔直径渐变的光子晶体光纤的色散更趋于平坦,而当空气孔直径取d₁=0.85d₄, d₂=0.95d₄,d₃=d₄(d₁,d₂,d₃,d₄分别为包层从内到外空气孔的直径)时,此种光子晶体光纤可以在波长60—65 μm(4.61—5 THz)范围内将波导色散值控制在-0.1±0.3 ps/(km·nm)范围内,得到趋于超平坦色散的、具有很好的束缚THz波的能力和良好的损耗特性的新型THz波光子晶体光纤. 关键词： THz波光子晶体光纤 时域有限差分方法 超平坦色散     

光子晶体光纤的全光纤纤芯变形研究

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1550 nm下以小于0.05 dB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. 关键词： 光子晶体光纤 空气孔塌缩 纤芯变形     

微结构纤芯对光子晶体光纤基本特性的影响

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=0.4 μm的椭圆芯PCFs的三个零色 关键词： 微结构纤芯光子晶体光纤 双折射 色散 非线性     

基于椭圆孔包层和微型双孔纤芯的新型高双折射光子晶体光纤

设计了一种新型高双折射光子晶体光纤,即其包层引入椭圆形空气孔,且以三角晶格方式周期排列,纤芯引入亚波长尺寸(~0.16 μm)的微型双孔结构阵列.采用全矢量有限元法和各向异性完美匹配层边界条件分析了该型光子晶体光纤的双折射特性和色散特性,详细介绍了该光子晶体光纤在不同的椭圆率、椭圆归一化面积、微型双孔孔径、两小孔之间间距的情况下双折射和限制损耗随波长的变化曲线.模拟结果表明,通过同时在包层和纤芯引入非对称性,获得了较高的双折射(~10^-3量级)和极低(~10^-4 dB/km)的限制损耗.提供了一种新的光子晶体光纤设计方法,即通过同时在包层和纤芯引入新结构来同时获得高双折射和低损耗.     

大模场掺镱双包层光子晶体光纤内包层新型结构研究

制备了掺镱多组分硅酸盐光子晶体光纤纤芯材料。其折射率为1.586,有效荧光半高宽为85.3 nm,荧光寿命为1.30 ms。分析了光纤结构参数对光子晶体光纤的归一化频率（单模截止条件）、数值孔径、有效模面积、非线性效应和限制损耗等参数的影响。设计了以该材料为纤芯,内包层为八边形、五层空气孔的新型结构光子晶体光纤。用有限元法对该光子晶体光纤性能进行了数值模拟。结果表明,该光纤有效模场面积为1 150 μm²;当空气孔直径为21.6 μm、孔间距为60 μm时,内包层数值孔径达到0.45。     

椭圆空气孔矩形结构光子晶体光纤的高双折射及限制损耗分析

提出了以包层为椭圆空气孔的矩形结构光子晶体光纤,采用有限元法分析了光子晶体光纤的双折射和损耗特性.研究表明:当光子晶体光纤中心缺失两个空气孔,即Λx=1.0μm,Λy=2.0μm时,在1.55μm处双折射可以达到1.98×10-2;在芯区引入小的椭圆空气孔时,双折射与引入椭圆空气孔的大小、长短轴的比例和空气孔的位置有关;芯区引入空气孔后,使光模场发生了形变,同时减少了向包层的泄漏,其损耗相比未引入空气孔小;增加包层的层数,发现包层层数对光纤双折射和损耗几乎没有影响,当包层层数N4时,损耗小于10-3量级.     

高功率光子晶体光纤激光器温度分布研究

对高功率光子晶体光纤激光器温度分布问题进行了理论研究.在分析光纤热产生机理和结构的基础上,建立了双包层光子晶体光纤激光器稳态切面温度分布简单模型,数值模拟了光纤径向的温度分布、纤芯温度和纤芯-表面温差与纤芯热负载的关系,研究了光纤结构对温度分布的影响;并就激光器光纤泵浦端面的冷却方案进行讨论,数值模拟了外界对流系数不同时纤芯温度的大小.结果表明：对高功率光子晶体光纤激光器采用风冷和水冷的方法可以降低热效应的影响.     

掺Yb3+双包层大模面积光子晶体光纤激光器的研究

采用多模大功率半导体激光器泵浦掺镱双包层大模面积光子晶体光纤,应用5 m长光子晶体光纤,在泵浦功率为22 W的条件下,获得了1.03 μm,功率为65 mW的单横模激光输出,同时实验研究了输出功率与泵浦功率的关系,并观察到掺Yb3+光子晶体光纤侧面有绿色荧光出现.     

双芯高双折射光子晶体光纤耦合特性研究

设计了一种双芯高双折射光子晶体光纤,采用多极法（multipole method）和光纤的模式耦合理论研究了光纤的双折射、耦合长度以及色散特性.数值研究发现,对于空气孔节距 Λ=1.2　μm,空气孔直径d=1.0　μm的光纤,在1.55　μm处双折射度为1.24×10^-2;对应x偏振模的耦合长度为21.6　μm,对应y偏振模的耦合长度为24.3　μm. 这种具有高保偏度和极短耦合长度的双芯光子晶体光纤对于微型光子器件的研制具有重 关键词： 光子晶体光纤 双芯 双折射 耦合长度     

一种基于肖特玻璃的新型高双折射光子晶体光纤

设计了一种基于肖特玻璃SF57的新型高双折射光子晶体光纤,在纤芯和包层同时引入椭圆空气孔,并且在包层的最内层对称地引入两个圆形空气孔.通过改变空气孔的间距和椭圆率,采用全矢量有限元法研究了该光纤的双折射、限制损耗和色散特性.数值研究发现,在纤芯中引入小椭圆空气孔,可极大地提高双折射的数值.通过优化光纤的结构参数,当孔间距Λ为1.60μm,椭圆率η为0.5时,在波长1.55μm处,双折射高达5.22×10-2,限制损耗低至8.82×10-10dB/m,且该光纤在1.0~2.2μm的波长范围内保持正常色散,可用于宽带色散补偿.该设计对研究新型背景材料的光子晶体光纤具有一定的意义.     

六角点阵蜂窝状包层光子晶体光纤中的高双折射负色散效应

设计了一种六角点阵蜂窝状包层光子晶体光纤,该光纤中心缺失一根空气柱形成纤芯,包层由椭圆空气孔和小圆空气孔组成.基于全矢量有限元法并结合各向异性完美匹配层边界条件,对其双折射、色散、非线性系数、约束损耗和模场等特性进行了数值模拟;计算了具有相同参数的椭圆状包层光子晶体光纤的双折射、色散及非线性系数.结果发现,若调整光纤结构参数为孔间隔Λ=1.15μm,空气孔椭圆率η=0.5,相对孔间隔比f=0.48,小圆孔直径d₁=0.4μm时,在波长1.55μm处,该光纤的双折射B高达1.02×10^-2,比传统光纤高约两个数量级,同时,该光纤在低损耗通信窗口C波段呈现负色散和负色散斜率,其色散斜率在整个C波段附近在-0.132—-0.121ps·km^-1·nm^-2范围内波动,非线性系数为45.7 km^-1·W^-1,约束损耗接近10² dB·km^-1.蜂窝状包层比椭圆状包层光子晶体光纤的双折射及大负色散特性明显提高,非线性系数低,更有利于进行色散补偿.     

一种支持130个轨道角动量模式稳定传输的反谐振光纤

随着光纤通信技术的不断发展,基于轨道角动量(OAM)模式传输的空分复用技术引起了人们的广泛关注。本文提出了一种反谐振光纤(ARF),其结构主要分为三部分：内层高折射率紫水晶玻璃管作为环芯,其有效增大了纤芯与包层的折射率差,有利于OAM模式的稳定传输;中间层二氧化硅(SiO₂)玻璃管起到调节色散的作用;外层负曲率管处于反谐振状态,进一步增强了对环芯光子能量的限制。该光纤可在1.5～1.7μm波段内稳定传输130个OAM模式。基于矢量有限元法(FEM)对ARF进行建模仿真与分析,结果表明,最大有效折射率差为6.08×10^-3,最小色散变化率仅为0.43 ps·nm^-1·km^-1,限制损耗(CL)维持在10^-14～10^-8 dB/m量级之间且最高模式纯度达到99.26%,有效模场面积最大值为187.38μm²,非线性系数最小值为0.87 W^-1·km^-1,数值孔径(NA)均大于0.064。此外,还...