光子晶體光纖以其靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計和高非線性、平坦色散、高雙折射等獨特光學(xué)特性吸引了越來越多的關(guān)注。簡單介紹了光子晶體光纖的分類,導(dǎo)光機理,詳細討論了其相關(guān)光學(xué)特性,最后介紹了光子晶體光纖的研究進展。

光子晶體光纖獨特的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)模機制使它具有其他普通光纖無法比擬應(yīng)用前景。本文對晶體光纖的定義、分類、特性和目前的研究情況做了詳細的分析。

采用光子晶體光纖構(gòu)成非線性光學(xué)環(huán)路鏡,利用非線性環(huán)路鏡中信號光與控制光之間交叉相位調(diào)制效應(yīng)實現(xiàn)全光開關(guān).討論了光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對其非線性的影響,建立了基于光子晶體光纖非線性環(huán)路鏡光開關(guān)的理論模型,研究了光開關(guān)的透過特性及影響光開關(guān)性能的因素.研究結(jié)果表明,基于光子晶體光纖非線性環(huán)路鏡的光開關(guān),可以在較短的環(huán)長和較低的開關(guān)功率下實現(xiàn)高速光開關(guān)操作,其開關(guān)特性可由控制光功率靈活調(diào)控.光子晶體光纖非線性環(huán)路鏡光開關(guān)為實現(xiàn)用于高速光通信系統(tǒng)中的光開關(guān)技術(shù)提供了一種重要思路.

分析基于單芯光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源在提升平均輸出功率時所面臨的問題,指出采用多芯光子晶體光纖作為超連續(xù)譜產(chǎn)生介質(zhì)是一種實現(xiàn)高功率超連續(xù)譜產(chǎn)生的潛在方案。使用自制皮秒光纖激光器泵浦一段國產(chǎn)多芯光子晶體光纖,實現(xiàn)了光譜范圍750～1700nm,平均功率42.3w的全光纖化高功率超連續(xù)譜輸出。

光子晶體光纖模擬.

采用平面波展開法研究了空芯光子晶體光纖(hc-pcf)的導(dǎo)波模式特性。結(jié)果表明,在包層帶隙范圍內(nèi),當導(dǎo)波模的縱向相位傳播常數(shù)k_s滿足一定條件時,才能在hc-pcf纖芯中形成穩(wěn)定的基模傳輸;并且,纖芯基模的模場分布與光波長有關(guān),當光波長位于纖芯基模傳輸曲線中央時,光波能量被很好地約束在纖芯中,而當光波長位于纖芯基模傳輸曲線的上下邊沿時,光波能量將向包層中漏泄。

采用毛細玻璃管拼接并拉絲的方法試制成功光子晶體光纖樣品,它由石英纖芯和周圍呈六角形分布的兩圈氣孔組成,氣孔直徑4μm,間距17μm,芯區(qū)直徑30μm。理論模擬和光學(xué)實驗均證實此光纖在6328nm以上的波長范圍內(nèi)為單模光纖

增大光場與氣體的作用范圍是提高光子晶體光纖(pcf)氣體傳感靈敏度的主要途徑之一。首先,利用多極方法模擬了空芯光子晶體光纖中的功率分數(shù)隨波長的變化關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)帶隙型光子晶體光纖纖芯中光功率分數(shù)隨波長變化是不連續(xù)的,其最大值可達90%,最小值不到5%。纖芯中光功率分數(shù)隨波長的分布還與光子晶體光纖包層的空氣填充率有關(guān)。其次,通過平面波展開方法計算了相應(yīng)光子晶體光纖周期性包層所導(dǎo)致的光子帶隙,研究發(fā)現(xiàn)纖芯中的功率分數(shù)與光子晶體光纖周期性包層光子帶隙的特征有著密切的聯(lián)系。只要被檢測氣體的特征波段落入空芯光子晶體光纖的光子帶隙中,纖芯中的光功率分數(shù)就會遠大于實芯光子晶體光纖倏逝波吸收傳感時氣孔中的功率分數(shù)。

介紹該課題組近兩年在光子晶體光纖超連續(xù)譜方面的主要研究成果,包括基于連續(xù)波泵浦研制全光纖化超連續(xù)譜源,利用級聯(lián)一段高非線性正常色散光纖,通過光纖的受激拉曼散射效應(yīng)實現(xiàn)超連續(xù)譜的平坦化;基于皮秒鎖模光纖激光器實現(xiàn)全光纖化5w輸出超連續(xù)譜源;拉制一段145m的錐形光子晶體光纖,利用自制的納秒光纖激光器與錐形光子晶體光纖熔接,制備輸出功率2.2w的寬帶超連續(xù)譜源;利用自制的網(wǎng)狀光子晶體光纖和全固態(tài)光子帶隙光纖,分別研究亞微米薄壁上偏振相關(guān)的超連續(xù)譜產(chǎn)生,以及基于四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的超連續(xù)譜.

設(shè)計一種喇叭型開口二維光子晶體波導(dǎo),利用時域有限差分法計算波導(dǎo)傳輸譜圖。模擬結(jié)果表明:通過改變開口處光子晶體橢圓點缺陷的結(jié)構(gòu),傳輸譜圖中將出現(xiàn)相應(yīng)變化的缺陷模,可用于實現(xiàn)頻率可調(diào)的窄帶光子晶體濾波器。

基于有限元法分析了光子晶體光纖模場半徑,為了提高計算速度,提出了一種工作波長為1.55μm時,光子晶體光纖模場半徑的快速估算方法,進而實現(xiàn)光子晶體光纖熔接損耗的快速估算。分析表明,本文提出的方法能夠準確快速的實現(xiàn)光子晶體光纖熔接損耗的估算。

介紹了光纖陀螺在實際應(yīng)用過程中的環(huán)境適應(yīng)性問題,并從光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點出發(fā),總結(jié)了光子晶體光纖的獨特應(yīng)用優(yōu)勢,指出將光子晶體光纖應(yīng)用于光纖陀螺中可很好地解決溫度、磁和輻射敏感等問題。通過實驗研究,驗證了實心保偏光子晶體光纖的損耗、模式特性,以及溫度、磁場和核輻射對此種光纖的影響。同時,研究開發(fā)了它與傳統(tǒng)保偏光纖的熔接對軸技術(shù),熔接點損耗和偏振串音達到0.7db和-25db。在此基礎(chǔ)上,研制出光子晶體光纖陀螺樣機,陀螺零漂達到0.09(°)/h。研究和對比表明:在光纖陀螺中用光子晶體光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖,在減小溫度、輻射、磁場的影響和進一步提高光纖陀螺性能方面具備很大的潛力。

為了抑制通信系統(tǒng)中脈沖的展寬,根據(jù)色散補償理論,提出了一種由單一石英材料制成的雙層芯光子晶體光纖(dccpcf).該光纖的色散值在1.55μm處可達到-6000ps/(nm·km).理論分析表明,在傳輸過程中內(nèi)芯基模和外芯缺陷模以相位匹配波長為臨界狀態(tài),在內(nèi)芯與外芯之間相互交替?zhèn)鬏?并在匹配波長處因模式發(fā)生強烈耦合而引起折射率產(chǎn)生大幅度波動.通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)d1、d2變化的情況下色散曲線的擾動情況進行分析,可為實際制備工作提供一定的理論指導(dǎo).

實驗研究了基于摻y(tǒng)b多芯大模場面積光子晶體光纖的全正色散鎖模激光器.增益光纖的18個纖芯呈六角陣列排布,等效的模場直徑約為52μm.激光器基于σ腔結(jié)構(gòu),腔內(nèi)沒有色散補償元件,通過半導(dǎo)體可飽和吸收鏡實現(xiàn)鎖模的自啟動.實驗獲得了平均功率為3.3w,脈沖寬度為4.92ps,重復(fù)頻率為44.68mhz的鎖模脈沖輸出,對應(yīng)的單脈沖能量為74nj,脈沖經(jīng)腔外光柵對壓縮為780fs.

從線性耦合的非線性薛定諤方程組出發(fā),數(shù)值模擬了利用可飽和吸收鏡啟動多芯光子晶體光纖激光器鎖模的建立過程.由于初始自發(fā)輻射的隨機性,可飽和吸收鏡在多個芯中提取的初始脈沖也具有很大的隨機性.針對兩種脈沖建立的可能初始情況,即只在一個纖芯中先提取出脈沖與同時在多個纖芯中提取出脈沖,對多芯光子晶體光纖作為鎖模激光器增益介質(zhì)的機理進行了詳細的模擬.模擬結(jié)果表明,要想同時鎖定多個纖芯的所有縱模頻率,不僅需要纖芯之間具有較強的耦合,而且在可飽和吸收鏡提取出的多個初始脈沖時延較大時,在talbot腔結(jié)構(gòu)下,端鏡反射使得各個纖芯出射光束相互交疊也是建立穩(wěn)定鎖模過程必須的.

先簡單介紹光子晶體光纖相對于普通光纖的特點,然后重點闡述光子晶體光纖在量子信息上應(yīng)用的優(yōu)勢。與其它方法,如基于非線性晶體自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換方法相比,利用光子晶體光纖能更有效地產(chǎn)生糾纏光子,并能與現(xiàn)有光纖傳輸系統(tǒng)良好兼容,從而表現(xiàn)出其在量子信息領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)越性及巨大的應(yīng)用潛力。最后簡要展望了光子晶體光纖在量子信息領(lǐng)域內(nèi)的前景。

采用全矢量有限元方法和完美匹配層條件,研究了一種在光纖包層中引入矩形孔的光子晶體光纖,提出一種實現(xiàn)高雙折射光子晶體光纖的方法.模擬結(jié)果表明矩形孔光子晶體光纖具有橢圓孔光子晶體光纖類似的高雙折射特性,其雙折射高達0.01的量級,兩種光子晶體光纖的模場、雙折射、約束損耗等特性基本類似.

利用微加工技術(shù),在soi上制作出了高q值的光子晶體微腔,q值可以達7×10~4以上,為后續(xù)的光與物質(zhì)相互作用和量子信息方面的實驗奠定了基礎(chǔ).實驗結(jié)果與理論模擬符合得較好.通過三維時域有限差分法模擬,得到光子晶體微腔的q值為1.2×10~5左右.

光子晶體光纖(pcf),是在1987年提出的光子晶體概念基礎(chǔ)上,由1995年開始付諸實現(xiàn)的光纖。光子晶體光纖是一種新型光纖,其結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光機理都與普通光纖不同,呈現(xiàn)出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實現(xiàn)的特性,并因此受到廣泛關(guān)注。在光子晶體光

基于折射率匹配耦合原理,提出并設(shè)計了一種新型寬帶單偏振單模光子晶體光纖,闡述了工作原理并利用全矢量有限元法對其進行了數(shù)值模擬。當中間纖芯和邊芯之間空氣孔1和2的直徑為2.4μm時,波長在1.26～1.7μm的范圍內(nèi),偏振相關(guān)損耗大于4.08db/m,單偏振單模的帶寬高達440nm;當空氣孔1和2的直徑為2.6μm時,在波長1.31μm處,x偏振模的限制損耗為26.93db/m,而y偏振模的限制損耗僅為0.01db/m,在波長1.55μm處,x偏振模的限制損耗為38.66db/m,y偏振模的限制損耗僅為0.05db/m。這種光子晶體光纖具有高帶寬特性,并且在1.31μm和1.55μm兩個通信窗口存在高相關(guān)偏振損耗。

實驗研究了高非線性光子晶體光纖中模式控制的非線性過程,利用激發(fā)出高階模式獲得上轉(zhuǎn)換到可見光波段的色散波.通過控制輸入飛秒激光的偏振方向,獲得了兩組相互正交的高階模式的非線性輸出.進一步在光子晶體光纖空氣孔包層中注入蠟修整纖芯結(jié)構(gòu),使得正交模式的有效模折射率差降低,從而形成簡并的模式,并通過疊加簡并模式獲得了中空模場的輸出.

多芯光子晶體光纖便于與抽運激光器的大模場直徑輸出尾纖進行低損耗的熔接,能夠把高功率的抽運激光耦合進光子晶體光纖中。同時,多芯光子晶體光纖的光場分布直徑比單芯光子晶體光纖大,盡管激發(fā)非線性效應(yīng)所需的激光抽運功率會有所提升,但是其激光損傷閾值也隨之提升,即能夠承受更高功率的抽運激光。因而,多芯光子晶體光纖非常適合用于構(gòu)建全光纖化的高功率超連續(xù)譜光源系統(tǒng)。最近,國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用高功率皮秒光纖激光抽運由光纖光纜制備技術(shù)國家重點實驗室拉制