高非线性光子晶体光纤接续损耗的数值研究

为了从理论上求解光子晶体光纤的接续损耗问题,采用全矢量模型,计算了全反射式光子晶体光纤、高非线性光子晶体光纤的模场半径,给出了模场半径随空气孔间距、空气孔半径以及掺杂比例的变化关系,并在此基础上分析计算了光子晶体光纤与普通单模光纤的接续损耗,得到了理论上零损耗时的光子晶体光纤的模场半径。结果表明,模场失配是高非线性光子晶体光纤与普通单模光纤以及与一般全反射式光子晶体光纤接续损耗的最主要因素,合理的设计有望实现模场匹配,将接续损耗降到最小程度。     

光子晶体光纤熔接损耗研究

基于有限元法分析了光子晶体光纤模场半径,为了提高计算速度,提出了一种工作波长为1．55μm时,光子晶体光纤模场半径的快速估算方法,进而实现光子晶体光纤熔接损耗的快速估算。分析表明,本文提出的方法能够准确快速的实现光子晶体光纤熔接损耗的估算。     

掺镱大模场光子晶体光纤研究进展（特邀）

掺镱大模场光子晶体光纤在高峰值功率超快激光放大器中有着重要的应用价值,其研究得到了广泛关注。首先简要介绍了国内外掺镱大模场光子晶体光纤的研究进展,阐述了掺镱大模场光子晶体光纤的基本设计思路,对比说明了保偏型掺镱光子晶体光纤的设计制备方法。重点介绍了近十年来中国科学院上海光学精密机械研究所在掺镱大模场光子晶体光纤方面的研究进展。包括掺镱大模场光子晶体光纤的纤芯折射率大小和均匀性控制、光子晶体光纤微结构控制等关键技术。采用自主研制的四种芯径为40～100μm的掺镱大模场光子晶体光纤开展了皮秒脉冲激光放大实验。利用40μm芯径的保偏掺镱光子晶体光纤实现了平均功率为100 W、光束质量因子（M2）小于1.4的稳定输出,偏振消光比为12 dB。利用100μm芯径的保偏掺镱大模场光子晶体光纤实现了M2小于1.5的高光束质量脉冲放大。上述研究为掺镱大模场光子晶体光纤的国产化应用奠定了基础。     

普通光纤与小芯径实芯光子晶体光纤的塌孔熔接技术

光子晶体光纤(PCF)和普通光纤的熔接损耗主要来源于两光纤模场直径(MFD)的失配。提出了一种小芯径光子晶体光纤和大模场直径普通光纤低损耗熔接的方法。利用熔融拉锥机加热光子晶体光纤来精确控制光子晶体光纤的空气孔塌缩,以增加光子晶体光纤的模场直径,从而降低其与大模场直径普通光纤的熔接损耗。实现了模场直径为3.94μm的光子晶体光纤和模场直径为10.4μm普通光纤的低损耗熔接,最低损耗小于0.2 dB。     

宽带色散平坦光子晶体光纤的优化设计与特性分析

设计了一种第一层为椭圆空气孔缺陷的宽带色散平坦光子晶体光纤,借助全矢量有限元法对这种结构的光子晶体光纤的色散特性、模场面积、双折射和限制损耗特性进行了数值模拟.结果表明改进的光子晶体光纤的色散曲线可以在很宽的波长范围内保持色散平坦并具有较低的色散值,其模场面积较未改进光子晶体光纤的模场面积要大,光纤的限制损耗变小且双折射也相当小.主要分析了这种光纤的结构参数的优化后,光纤的色散特性、有效模面积、双折射以及限制损耗特性的变化规律,最终设计了在1 200～1 800 nm波长范围内超平坦色散的光子晶体光纤.     

八角格子光子晶体光纤的传输特性

基于带有各向异性完全匹配层吸收边界条件的紧凑二维频域有限差分法(2D-FDFD)对八角格子光子晶体光纤(O-PCF)的模式分布、模式截止特性以及色散特性进行了数值模拟。通过计算八角格子光子晶体光纤前20个模式分布发现,其模场形状比六角格子光子晶体光纤(H-PCF)的好,更接近于圆形;利用有效面积方法分析了八角格子和六角格子光子晶体光纤基模和二阶模的截止特性,得到了非限制模、基模和多模的相图。比较发现相同填充率和空气孔间距时,八角格子光子晶体光纤的单模运转区域要比六角格子光子晶体光纤的宽,且更易用于色散补偿。     

非均匀孔径光子晶体光纤的模式截止

对于非均匀孔径光子晶体光纤(PCF)模式截止特性的分析,基于基空间填充模(FSM)的方法不再适用。使用全矢量超格子模型给出了光子晶体光纤模场半径的计算方法,并提出通过分析各模式模场半径的突变现象可以判断模式截止,使用该方法对双孔保偏光子晶体光纤和最内层为小孔的光子晶体光纤模式截止特性作了分析和讨论,结果表明,通过该方法能准确地判断非均匀孔径光子晶体光纤中的模式截止,只要波长扫描的精度足够高就能精确地求解出各个模式的截止波长。     

光子晶体光纤的基模色散特性研究

通过Monro等提出的一种半矢量方法建立了光子晶体光纤的本征方程,解本征方程后计算了三角形光子晶体光纤的模场分布和色散曲线,并分析了光子晶体光纤的结构参数与波导色散的关系,得出了色散补偿PCF具有的结构特点.     

一种新结构光子晶体光纤的双折射特性研究

在普通正六边形光子晶体光纤的基础上,通过改变x轴方向空气孔的大小及分布构造了一种新结构的光子晶体光纤。利用多极法对该光子晶体基模的模场分布及双折射进行了数值计算,分析了光波长与结构参数对双折射的影响,同时对光子晶体光纤的色散特性进行了研究。结果表明,通过改变x轴方向空气孔的大小以及分布结构使光子晶体光纤比普通六边形结构光子晶体光纤的双折射率明显提高,并且具有较低的宽带反常色散,在光纤双折射效应的应用和光学器件的研制等方面具有独特的优势。     

相移光纤布拉格光栅的光子晶体理论研究

本文将相移光纤布拉格光栅近似为一维光子晶体,利用光子晶体理论研究其能带结构和光学传输特性.指出了光栅的反射峰和光子禁带,反射峰中的高透射曲线部分和缺陷模之间的对应关系;并研究了相移和缺陷模频率位置之间的关系.     

大模场光子晶体光纤研究进展

大模场光子晶体光纤具有无截止单模运转和大模场面积特性,可以克服由激光功率密度过高引起的非线性效应对高功率系统尤其是超快脉冲系统的限制。近年来它在高功率光纤激光器、高功率光纤放大器、高功率能量传输以及高灵敏度传感器等领域引起广泛关注。回顾了大模场光子晶体光纤的研究历程,从大模场光子晶体光纤的特征参数、结构设计方法和应用热点等方面总结了大模场光子晶体光纤的研究现状,最后对其发展前景进行了展望。     

新型大模场光子晶体光纤传输系统及其传输特性分析

通过在多模光子晶体光纤的两端分别连接一根单模光子晶体光纤,对其选择合适的参数,形成一种可以实现低弯曲损耗、大模场单模传输的光纤传输系统。运用数值仿真,分析了该传输系统在模场面积、弯曲损耗、连接损耗等方面的特性。研究结果表明,多模光子晶体光纤与单模光子晶体光纤所组成的系统可实现有效的单模传输;工作波长为1064nm时,多模光子晶体光纤在直波导状态时的基模模场面积可达1593μm2;在弯曲半径低至10cm时,多模光子晶体光纤仍然可以保持低损耗传输。经过对多模光子晶体光纤结构参数的优化,其与单模光子晶体光纤的连接损耗降低至0.085dB。     

光子晶体光纤耦合损耗的数值研究

光子晶体光纤(PCF)与普通单模光纤(SMF)以及不同结构光子晶体光纤之间的耦合损耗是急待解决的问题,采用光子晶体光纤的本地正交函数模型,对光子晶体光纤与普通单模光纤以及不同结构光子晶体光纤之间的耦合损耗进行了分析计算,得到了耦合损耗随光子晶体光纤结构参量以及波长的变化关系,给出了最优耦合的光子晶体光纤的结构参量。结果表明,PCF的孔距Λ是影响PCF与SMF耦合损耗的最主要因素,当Λ为某个特定值时,PCF与SMF的模场半径相等,耦合损耗最小,偏离这个特定值时的耦合损耗都会增大;PCF之间的耦合损耗取决于它们孔距的差异;此外由于模场半径与波长有关,当波长为某个特定值时,PCF与SMF模场半径相等,此时耦合损耗也最小。因此,在PCF设计过程中应综合考虑这些相关因素。     

含有负折射率缺陷的光子晶体中的局域缺陷模

研究了含有负折射率缺陷的光子晶体中的局域缺陷模。利用传输矩阵方法计算了含有3个负折射率缺陷的一维光子晶体的透射谱,讨论了缺陷间的相互作用对缺陷模的影响。与正折射率缺陷情形相比较,负折射率缺陷间的相互作用对缺陷模的影响更大,局域模谱线更宽。     

含有多缺陷的光子晶体中的局域缺陷模

采用紧束缚法,研究含有缺陷的光子晶体中的缺陷模,导出了缺陷模频率方程。作为特例,采用转移矩阵法,数值计算了含有三个缺陷的一维光子晶体的透射谱和与光子带隙中缺陷模频率对应的光场强度分布,讨论了缺陷间的相互作用对缺陷模的影响。结果表明:当光通过含有多个半波缺陷的光子晶体时,在透射谱的禁带中出现缺陷模,缺陷模的数目与半波缺陷数目相同,而缺陷模频率的间隔随着半波缺陷间隔层数的增加而减小,最后形成一个缺陷模通带;与缺陷模频率对应的光场分布为局域状态,并发现局域光场峰值出现在缺陷邻近层。     

无序光子晶体中的密集波分复用光通信

采用传输矩阵的方法研究带缺陷的一维光子晶体 ,缺陷的引入使得原来不透电磁波的禁带中 ,出现了缺陷模 ,计算表明缺陷模的频率与透过率随着不同介电常量、不同几何结构以及掺杂的晶体结构而改变 ,频率位于带隙中的光子受到抑制 ,所以掺杂光子晶体的信道间信号串扰必然受到抑制 ,由此形成无序光子晶体密集波分复用 (DWDM )光通信系统 .     

纤芯掺杂对光子晶体光纤特性的影响研究

利用COMSOL Multiphysics软件进行仿真,计算了光子晶体光纤不同掺杂半径下,导波基模有效折射率的分布,并与传统光纤相比,得出表现光子晶体光纤特性的最佳掺杂半径大小范围.分析了非线性系数受掺杂半径的影响,为更好地设计光子晶体光纤光栅提供理论依据.     

准周期结构一维光子晶体的缺陷模研究

利用传输矩阵方法,研究了光波在包含掺杂缺陷和替代缺陷的厚度渐变准周期结构一维光子晶体中的传播规律.研究结果表明,类似于传统的周期结构一维光子晶体,在准周期结构光子晶体引入缺陷,光子晶体禁带中也产生了缺陷模,并且两种缺陷所引起的缺陷模的性质基本一致;缺陷模的出现使带隙有了一定程度的加宽,而缺陷模的位置和强度与缺陷层所处的位置和缺陷层的光学厚度有关;随着缺陷层光学厚度的增大,缺陷模向长波方向移动.     

低有效模场面积的高双折射PCF的优化设计

设计了一种高双折射低有效模场面积的光子晶体光纤(PCF)。利用有限元法依次研究了三层椭圆孔光子晶体光纤在纤芯中引入矩形排列的四个小椭圆孔,及其基础上再引入一个中心椭圆缺陷孔的五个小椭圆孔情况下的双折射和有效模场面积。研究表明:纤芯区域矩形排列的小椭圆孔主导了光子晶体光纤的双折射,中心椭圆缺陷空气孔中填充高折射率的材料可以获得更高的双折射和更低的有效模场面积,且波长1.55μm处光纤双折射达到了5.49×10-2,x与y偏振有效模场面积分别低至3.05μm2、2.42μm2。     

光子晶体光纤模式特性分析

通过引入包层有效折射率的概念定义了光子晶体光纤中模式激发的判断条件；使用有限元法精确求得了光子晶体光纤的包层有效折射率和有效模折射率的数值解；给出了不同波长的光在不同结构光子晶体光纤中的模场分布，其结果与实验图样一致。