空芯光子晶体光纤光子带隙的测量与数值模拟

用全矢量平面波法计算三角结构光子晶体光纤的带隙. 用透射法测量了自制的空芯光子晶体光纤的透射谱,得到了它在可见光波段透射强度与波长的关系,并在随后的实验中观测到了传光的模场图.通过理论模拟了实验所用的空芯光子晶体光纤的带隙图,与实验结果具有较好的一致性. 关键词： 空芯光子晶体光纤 光子带隙 全矢量平面波法 透射     

Effects of geometrical parameters on optical characteristics of erbium doped photonic crystal fiber based on FVEIM

In this paper, using the fully vectorial effective index method (FVEIM), dependence of the refractive index of fundamental mode, mode field diameter and normalized frequency of the photonic crystal fiber on geometrical parameters of fiber are investigated. Simulations show that the normalized frequency of the photonic crystal fiber increases gently with increase of the air filling factor. Range of parameters in which erbium doped photonic crystal fiber is single mode at both the pump wavelength and the signal is determined. Wavelength dependence of the normalized frequency implies that single mode region of the signal in the case of using dopants such as ytterbium or erbium is significantly (about 1.6 times) more than the pump. In addition, it is shown that by changing dopant material to obtain a higher gain for an optimum set of geometrical parameters, no considerable change in the area of single mode occurs.     

高双折射光子晶体光纤中均匀布拉格光栅的特性

研究了具有高双折射的光子晶体光纤(HB PCF)中均匀布拉格光栅(FBG)的光谱特性。利用紧凑的超格子模型,对光子晶体光纤的传输特性进行分析,研究正向传输和反向传输的模式之间的耦合规律,从而研究写入光子晶体光纤中的均匀布拉格光栅的特性。首先给出具有C6v对称性的零双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的布拉格波长λB随光纤结构参量的变化规律;然后分析一种高双折射光子晶体光纤中的光纤布拉格光栅的光谱特性,高双折射使两个不同偏振态的反射峰分开较大;最后分析了一种常用的双模双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的光谱特性,LP01模和LPe11模的两个偏振态对应的反射谱都由于高双折射而分开。     

激光泵浦碲化物产生中红外超连续谱数值模拟

对2 m波段脉冲激光泵浦碲化物光子晶体光纤产生中红外超连续谱进行了数值研究。通过材料的拉曼增益谱间接求得了对应的拉曼响应函数;由光子晶体光纤的材料折射率和波导结构,通过COMSOL软件获得了碲化物光子晶体光纤中基模等效折射率,计算了相应的色散曲线和限制损耗 ;利用自适应的分步傅里叶算法,模拟了中心波长为1.96m、峰值功率为20 kW的50 fs脉冲光泵浦碲化物光子晶体光纤时超连续谱的产生,当光纤长度为6 cm时,产生的中红外超连续谱波长范围为1.0~4.5 m。     

材料的吸收效应对光子晶体温感特性的影响

利用传输矩阵法对含有缺陷层光子晶体缺陷模的透射率进行计算,主要讨论了材料的吸收效应对光子晶体温感特性的影响。以波长为800nm处缺陷态的透射峰作为研究对象,通过MATLAB数学软件数值模拟仿真发现:随着温度逐渐增加,缺陷模的透射率随之减小,说明光子晶体对温度变化有一定的灵敏度;介质材料的吸收效应会使透射峰随温度变化的速度减小,即光子晶体的缺陷模对温度变化的灵敏度减小;介质材料的消光系数越大,光子晶体的缺陷模对温度变化的灵敏度则越小。     

Electrically tunable Sagnac filter based on a photonic bandgap fiber with liquid crystal infused

We demonstrate an electrically tunable Sagnac filter based on a photonic bandgap fiber that is realized by infusing liquid crystal into a solid-core air-hole photonic crystal fiber. The filter enables an electrical tuning with a range of about 26 nm for one single interference minimum in the transmission bandgap from 1330 to 1650 nm wavelength. The tuning efficiency is averaged to 0.53 nm/V.     

光子晶体光纤布拉格光栅传输谱特性的分析

研究光子晶体光纤中光纤光栅的传输谱特性对于研制基于光子晶体光纤的光纤光栅器件有着重要的意义。结合耦合模理论和光束传输相关函数方法,对一种典型光子晶体光纤中的布拉格光栅(FBG)传输谱进行了理论分析。比较了光子晶体光纤中布拉格光栅与常规布拉格光栅的传输谱。数值分析了光纤截面结构变化对于光栅传输谱的影响,并给出这种影响的定性解释。计算结果显示,与常规光纤光栅相比,包层模共振引起的损耗峰与正反向纤芯模耦合引起的损耗峰可以相比拟,而包层模共振的间隔也比常规光纤中光纤光栅的包层模共振间隔要大。同时给出了晶体光纤截面上空气孔的占空比,空气孔的排布层数对于传输谱影响的规律。     

Guiding Properties of a Tapered Photonic Crystal Fiber Compared with Those of a Tapered Single-Mode Fiber

We have fabricated tapered photonic crystal fibers using a fusion splicer and experimentally observed the near-field mode distribution and the beam divergence of it. We have also compared characteristics of the tapered photonic crystal fiber with those of a tapered standard single-mode fiber. Unlike a tapered standard single-mode fiber, the mode field profile of a tapered photonic crystal fiber shows a good confinement of its field within the core region. The numerical apertures of tapered photonic crystal fibers are increased as the diameter of the fiber is decreased.     

Guiding Properties of a Tapered Photonic Crystal Fiber Compared with Those of a Tapered Single-Mode Fiber

We have fabricated tapered photonic crystal fibers using a fusion splicer and experimentally observed the near-field mode distribution and the beam divergence of it. We have also compared characteristics of the tapered photonic crystal fiber with those of a tapered standard single-mode fiber. Unlike a tapered standard single-mode fiber, the mode field profile of a tapered photonic crystal fiber shows a good confinement of its field within the core region. The numerical apertures of tapered photonic crystal fibers are increased as the diameter of the fiber is decreased.     

用于液压传感的双芯光子晶体光纤

采用全矢量有限元方法进行光纤设计优化,得到横截面上失去两层空气洞的双芯光子晶体光纤,可用于液压传感.优化的双芯光子晶体光纤的模场半径和数值孔径与单模光纤基本一致,在优化的双芯光子晶体光纤和单模光纤之间有一个相对较低的熔接损耗.计算结果表明由模场半径和数值孔径导致的不匹配造成的总共损耗可低至0.026 dB,低于传统光子晶体光纤和单模光纤0.1 dB的直接熔接损耗.对基于20 cm双芯光子晶体光纤的液压传感器的性能进行研究,结果表明在0～500 MPa量程内的灵敏度为-1.6 pm/MPa.     

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.     

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.     

基于游标效应的双芯光子晶体光纤温度传感器

设计了一种基于双芯光纤耦合效应和游标效应的高灵敏度温度传感器,传感器是由2个相差一定长度的双芯光子晶体光纤和单模光纤级联构成。双芯光子晶体光纤通过级联实现游标效应,同时对纤芯中间的气孔填充乙醇实现温度传感。仿真结果表明,该温度传感器在35℃～45℃范围内的平均温度灵敏度可达-20.37 nm/℃。与单纯依靠双芯光子晶体光纤能量耦合效应的传感器相比,该传感器的温度检测灵敏度提高了10倍。     

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。     

二维点缺陷正方光子晶体的微腔结构

通过平面波展开法对由Al₂O₃介质棒在空气背景介质中构成含有点缺陷的二维正方光子晶体微腔结构进行研究,计算得出缺陷态能带以及缺陷态模场分布。缺陷模对应的电磁波波长为470~476nm。对该微腔结构的品质因数的求解,得出缺陷态光谱曲线。在光谱曲线中,随着传输波长的增大,将产生几个峰值,并且在475nm处的波动最为明显,反映出在475nm附近的电磁波段在缺陷处的光强较大。进一步利用全矢量等效折射率法研究该结构缺陷模频率的稳定性,得出等效折射率的变化曲线。从等效折射率变化曲线可以看出,当传输波长达到475nm时,该结构已经达到稳定传输的区域。含缺陷模的二维光子晶体微腔结构在光子晶体发光二极管以及高阈值半导体激光器等方面有着重要的应用价值。     

光子晶体光纤数值孔径的测量和数值研究

光纤的数值孔径是光纤的重要参数,大数值孔径光纤在激光器和激光感应荧光系统中有很好的应用前景。光子晶体光纤的数值孔径与传统阶跃型光纤不同,它与光波长有密切的关系。因此,本文用光谱仪测量了不同结构的折射率引导型光子晶体光纤的数值孔径,并进行了数值模拟,研究了光波长、包层空气孔直径、孔间距等对光子晶体光纤数值孔径的影响,同时对光子晶体光纤的非线性系数、宏弯损耗、截止波长、有效模面积等与光波长有关的参数进行了研究,取得了满意的结果。     

液晶填充碲酸盐光子晶体光纤偏振旋转器

提出一种液晶填充碲酸盐玻璃的柚子型光子晶体光纤偏振旋转器,利用全矢量有限元法,对液晶填充碲酸盐玻璃的柚子型光子晶体光纤的偏振旋转特性进行数值模拟,并分析了光纤结构参数、环境温度、工作波长等对光纤偏振旋转特性的影响.研究结果表明:此种偏振旋转器具有较高的旋转效率、较低的工作串扰和较短的旋转长度,在工作波长为1.55μm、偏振角度为45°时,其值分别达到99.947%、-32.84dB和197μm;另外,随着光纤薄壁厚度的增加,旋转长度随之升高,随着工作波长的变大,旋转长度随之降低,随着温度的增加,旋转长度随之升高.这种新型的光子晶体光纤为偏振旋转器的研发提供了参考.     

一种新型侧漏型光子晶体光纤的研制及其传输特性研究

通过引入椭圆掺锗芯和侧向泄露通道, 提出并研制出一种侧漏型光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF). 应用结构重构全矢量有限元数值分析法分析了设计结构和实际研制的侧漏型PCF的传输特性. 研制的侧漏型PCF, 在波长1550 nm处基模的平均模场直径为9.275 μm, 与G652标准单模光纤具有很好的适配性, 模式双折射为0.837× 10^-4, 群双折射约为1.508× 10^-4. 基于研制的侧漏型PCF光纤构建了Sagnac干涉仪, 对其群双折射进行了测量. 测量结果表明:当侧漏型PCF光纤达到一定长度时, 在1450–1750 nm波长范围内, 二阶模在光纤中不能成为有效传输模式, 光纤可以实现单模传输; 另外, 研制的侧漏型PCF群双折射实验的测量平均值, 与数值分析结果相符合. 侧向泄露通道的引入, 增强了侧漏型PCF光纤对外界参量变化的敏感性, 提高了其在扭转、弯曲、压力等参量的光纤传感和高性能光纤激光器构建等方面的应用潜能. 关键词： 光子晶体光纤 侧向泄露通道 双折射 Sagnac干涉仪     

一种新结构高双折射光子晶体光纤

提出了一种新结构的高双折射光子晶体光纤,通过引入掺氟实心圆的方式形成双折射,而不采用大多数高双折射光子晶体光纤中引入不同孔径空气孔或椭圆空气孔的结构。应用全矢量平面波法对其基模场分布、模式截止以及各种结构参量对模式双折射特性的影响进行了详细的分析和讨论。结果表明,该结构光子晶体光纤可以在较宽波长范围内产生10-3量级的模式双折射,且通过调节孔径,可以灵活地将双折射最高点调整到所需的波长上。另外,该结构高双折射光子晶体光纤在拉制工艺、光纤强度以及光纤熔接等方面也具有一定的优势。     

Ge30Sb8Se62硫系玻璃的制备及其10.6μm低损耗空芯光子带隙光纤的设计

硫系玻璃光子晶体光纤在中远红外激光传输领域具有广阔的应用前景。制备了红外波段具有优良透过特性的Ge30Sb8Se62硫系玻璃,并以此为基质材料设计了一种适合于高功率中红外激光传输的带隙型光子晶体光纤。利用平面波展开法和有限元法分析了不同结构下该光纤的光子带隙、模场面积和限制损耗特性。通过优化光纤的结构参数,获得了在10.6μm处限制损耗小于0.1dB/m的大模场(模场面积大于100μm2)光子晶体光纤。