光纖光子學(xué)深圳大學(xué)期末復(fù)習(xí)課件

1、01 光纖,光電工程學(xué)院 閆培光,1,1.1.1光纖的結(jié)構(gòu),光纖中心部分(芯Core)同心圓狀包裹層(包層Clad)表面涂層 纖芯材料主要成分為摻雜的SiO2，極少量的摻雜劑如GeO2等，以提高纖芯的折射率。 包層里可能會摻氟，能降低折射率。,特點和導(dǎo)光原理：ncorenclad光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。,纖芯的作用約束光的傳輸。,包層的作用形成光波導(dǎo)效應(yīng)。,涂敷層的作用保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷，同時增加光纖的柔韌性。,改變折射率的方法,2,按折射率分布分類： 突變型光纖 漸變型光纖 按傳輸模式數(shù)目分類： 單模光纖 多模光纖 按傳輸光的偏振態(tài)： 非保偏

2、光纖、保偏光纖、雙折射光纖 制造光纖的材料分： 高純度熔石英光纖、多組分玻璃纖維、塑料光纖、紅外光纖、液芯光纖、晶體光纖（纖芯為單晶）等。,保偏光纖激光器、高靈敏度光纖陀螺,1.1.2光纖的類型,3,光纖通信（第3版） 原榮 編著,1.1.3單模光纖-纖芯小、色散小,只能傳播一個模式的光纖稱為單模光纖 標(biāo)準(zhǔn)單模(SM, Single Mode)光纖折射率分布和階躍型光纖相似，只是纖芯直徑比多模光纖小得多，模場直徑只有（910）m 光線沿軸線直線傳播, 色散使輸出脈沖信號展寬最小。,4,光纖通信（第3版） 原榮 編著,為調(diào)整工作波長或色散特性，改變折射率分布，可以設(shè)計出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光纖。已經(jīng)開

3、發(fā)的有： 多模光纖(G.651)，普通單模光纖(G.652)， 色散移位光纖(G.653)，非零色散移位光纖（G.655）， 在1.55m衰減最小的光纖（G.654），色散補償光纖， 全波光纖（G.656）， 接入網(wǎng)用光纖(G.657),單模光纖種類,5,光纖通信（第3版） 原榮 編著,多模光纖,可以傳播數(shù)百到上千個模式的光纖，稱為多模(MM, Multimode)光纖。 根據(jù)折射率在纖芯和包層的徑向分布情況，又可分為階躍多模光纖和漸變多模光纖。,6,子午光線和螺旋光線,當(dāng)考慮螺旋光線時，則模間色散會更加嚴(yán)重,怎樣去設(shè)計光纖呢？,7,光纖通信（第3版） 原榮 編著,漸變多模光纖-色散較小,漸變

4、(GI, Graded Index)多模光纖折射率 n1不像階躍多模光纖是個常數(shù)，而是在纖芯中心最大，沿徑向往外按拋物線形狀逐漸變小，直到包層變?yōu)?n2。 這樣的折射率分布可使模間色散降低到最小。 色散較小的理由：雖然各模光線以不同的路經(jīng)在纖芯內(nèi)傳輸，但是這種光纖的纖芯折射率不再是一個常數(shù)，所以各模的傳輸速度也互不相同。沿光纖軸線傳輸?shù)墓饩€速度最慢，因折射率最大；越遠(yuǎn)離軸線，到達(dá)終點傳輸?shù)木嚯x越長，但傳輸速度越快，這樣到達(dá)終點所需的時間幾乎相同，輸出脈沖展寬不大。,8,光纖類型之：漸變折射率光纖的光線傳輸行為,GIF的設(shè)計能夠優(yōu)化模間色散，但不能消除 根據(jù)GIF原理可以用來做光束的準(zhǔn)直和自聚焦

5、，GL,梯度折射率透鏡是光通訊無源器件中必不可少的基礎(chǔ)元器件。應(yīng)用于要求聚焦和準(zhǔn)直功能的各種場合，光耦合器、準(zhǔn)直器、光隔離器、光開關(guān)、激光器等方面,9,光纖的制造,10,PCF制作方法stack-draw,Extrusion technique,11,MCVD法，改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法 PCVD法，等離子體化學(xué)氣相沉積法 OVD 法，外化學(xué)氣相沉積法 VAD法，氣相軸向沉積法 拉絲演示,預(yù)制棒制作和拉絲演示,12,1.2 光纖的傳輸原理全內(nèi)反射,階躍光纖利用全反射將光限制在纖芯內(nèi)傳輸，由snell定律知道：,只有當(dāng)c的光才能傳輸對應(yīng)入射角大于max,13,定義數(shù)值孔徑NA（numerical a

6、perture）表示對入射光線的最大接受角度，NA只取決于光纖折射率，與幾何尺寸無關(guān)。 =(n1-n2)/n1稱為相對折射率差,光纖的參數(shù)（1）：數(shù)值孔徑,14,光纖的參數(shù)（2）：歸一化頻率V,V與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光波長有關(guān)，V越大，能夠傳播的模式數(shù)就越多。,15,光纖的參數(shù)（3）：截至波長,V=2.405時所對應(yīng)的波長，為截止波長。 截止波長為多模和單模的分界點。,16,階躍折射率光纖的（只傳輸HE11 模）單模條件是：V2.405,17,光纖的參數(shù)（4）：模場直徑,18,倏逝波古斯?jié)h森相移,19,古斯?jié)h森相移光學(xué)隧道效應(yīng),20,光纖的參數(shù)（5）：非線性系數(shù),用于評估光纖非線性效應(yīng)的強度,2

7、1,22,光纖的參數(shù)（6）：色散系數(shù),材料色散可用Selleier方程表示，石英的Selleier方程：,對石英有：A1=0.6961663,A2=0.4079426,A3=0.8974794, 10.0684043m, 20.1162414m, 39.896161m,模式有效折射率,23,應(yīng)指出的是：此處波長是以微米為單位，如題目中是納米則需首先轉(zhuǎn)換成微米。,clear,clc syms lambda0 b1=0.6961663;b2=0.4079426;b3=0.8774794; b4=0.0684043;b5=0.1162414;b6=9.896161; n=sqrt(1+b1*lamb

8、da02/(lambda02-b42)+b2*lambda02/(lambda02-b52)+b3*lambda02/(lambda02-b62); lambda=0.6:0.01:1.6; n=subs(n,lambda0,lambda); plot(lambda,n),24,D0，反常色散區(qū)！反之為正常色散區(qū)！,25,26,單模光纖的種類,G. 651 標(biāo)準(zhǔn)多模光纖 G. 652 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖 G. 653 色散移位光纖 G. 654 衰減最小光纖 G. 655 非零色散光纖 G. 656 寬帶全波光纖 G. 657 接入網(wǎng)用光纖 色散補償光纖,27,介紹與本節(jié)課有關(guān)聯(lián)的工作來自浙大,減小

9、模場面積納米線,28,29,NEXT-GENERATION FIBERS: Optical fibers go nano,With large evanescent fields and high optical nonlinearity, nanofibers drawn from optical fiber are well suited for optical sensors and other devices. Their standard-size fiber ends allow for easy coupling of light in and out.,30,31,32,33,

10、34,35,光纖的特性,光纖模式特性 光纖的雙折射特性 光纖衰減特性和激光 光纖色散特性 光纖非線性特性,36,光纖的模式：淺析（1）,在光纖內(nèi)傳輸?shù)膱龇植迹ㄊ蔷窒蘅臻g中場存在狀態(tài)） 這種場分布在傳播過程中只有相位變化而沒有形狀的變化，且始終滿足邊界條件。 電磁場不是以連續(xù)的、而是以離散的模式在光纖中傳播。,37,m = 0基模沿波導(dǎo) y 方向的電場分布，通常入射角 = 90o，沿 z 軸的傳輸速度最大。 三種模式的波沿波導(dǎo)y方向的電場分布，m越大光場進(jìn)入包層越深，消逝波以指數(shù)衰減 。從下圖可見m值決定在y方向上出現(xiàn)的0值個數(shù)。如果對光纖則指纖芯內(nèi)沿徑向出現(xiàn)0值個數(shù),此處，請同學(xué)們對比駐波概念

11、進(jìn)行思考,38,基模電力線和磁力線在光纖中的分布,39,光纖的模式：基模和高階模（1）,模式的等效折射率neff,40,從圖可見，隨著V的增大，b可取值數(shù)目增加，即光纖中模式數(shù)目增加。,最先激發(fā)的是HE11，其次是HE21、TM01、TE01，再其次?,41,基模的兩個兼并偏振態(tài),42,二階模式,43,徑向偏振,44,偏振轉(zhuǎn)換器,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象的原因： 實際光纖的纖芯形狀不完善 不是理想的圓柱形。 應(yīng)力不均勻也使光纖的圓柱對稱性受到破壞。,雙折射帶來的不利影響！ 如果纖芯是理想圓柱形，這兩個正交的模式將以相同的速度傳播，并同時到達(dá)輸出

12、端。 如果圓柱對稱性出現(xiàn)了改變，這兩個模式就會以不同的速度傳播，導(dǎo)致脈沖展寬。 偏振的不確定性對相干通信系統(tǒng)對信號的檢測、接收將產(chǎn)生不良影響。,光纖的雙折射特性（1）,55,雙折射特性（2）,雙折射程度的定義：兩個偏振模的模折射率的差,雙折射效應(yīng)將導(dǎo)致兩個偏振分量間功率的周期交換，該周期為拍長。 把兩個正交偏振模的相位差達(dá)到2的光纖長度定義為拍長LB：,從物理角度講：線偏振光只有當(dāng)它沿一個主軸偏振時才能保持線偏振，否則其偏振狀態(tài)將沿光纖長度方向周期性的從線偏到橢圓偏，然后再到線偏這樣的變化,56,解決雙折射問題的方法,減小單模光纖的不完善性。 采用保偏光纖（線偏振光沿一個主軸偏振） 人為引入較

13、高的固定雙折射，壓低小的雙折射隨機(jī)波動的影響。 典型保偏光纖，B104。,57,偏振保持光纖,某些系統(tǒng)，如相干光系統(tǒng)和某些濾波器是偏振敏感的，需要具有確定的偏振光才能工作 保偏光纖具有不對稱的纖芯結(jié)構(gòu)或應(yīng)力分布，本身具有很高的雙折射系數(shù)；因而具有確定的快慢軸，沿快慢軸入射的光可以保持其偏振方向。,快軸折射率小于慢軸折射率nFns,58,59,60,61,62,對長度為L的光纖，兩個模式的時延差為,63,拍長怎么測量？,64,光纖的衰減特性和激光應(yīng)用,65,石英光纖通光窗口,全波光纖的制作？,66,英藉華人高錕（K.C.Kao)博士 “光纖之父”，2009諾貝爾物理獎獲得者,“原材料的提純制造出

14、適合于長距離通信使用的低損耗光纖”,67,68,彎曲損耗對模式的控制，能夠利用泄漏效應(yīng)減少高階模數(shù)目，提高光纖的光束質(zhì)量M2。,ZBLAN光纖通光窗口,69,70,71,稀土摻雜ZBLAN光纖激光器的發(fā)射波長和當(dāng)時輸出功率,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,硫系玻璃光纖,91,92,93,94,95,96,能否把SC擴(kuò)展到16um甚至是20um？是當(dāng)前的一個挑戰(zhàn)。,97,98,99,100,光子晶體光纖 Photonic Crystal Fiber,101,PCF 的導(dǎo)光原理,1. 基于全內(nèi)反射原理 “實芯”,2.

15、 基于光子帶隙原理 “空芯” neff 1 “實芯” 全固帶隙,102,PCF為何能引起大家廣泛的興趣？,數(shù)值孔徑大耦合效率高. 無盡單模. 彎曲損耗小. 高雙折射高保偏光纖. 小纖芯（實芯）高非線性. 空氣芯中傳光低色散，低非線性. 空氣芯中填充氣體或液體傳感器等. 色散可調(diào). ,103,Photonic crystal fibres (PCFs),包層周期性排列的空氣孔結(jié)構(gòu),104,PCF的拉制過程,1. 制作預(yù)制棒,2. 拉絲it,源自：P. Russell et al. Science 299 (2003), 358 J Knight et al. Opt. Lett. 21 (199

16、6), 1547,105,106,2.2 光子晶體光纖PCF超連續(xù)譜光源,包層內(nèi)含有周期性排列的空氣孔結(jié)構(gòu)。 特點：可調(diào)控色散、非線性，并具有高光束質(zhì)量。 因此是產(chǎn)生超連續(xù)譜的優(yōu)良材料。,107,PCF超連續(xù)譜光源： 光學(xué)物理領(lǐng)域內(nèi)最引人矚目的新型光源技術(shù) （美國紐約城市大學(xué)P.R.Alfano教授評語）,超連續(xù)譜是指一束高強度的激光經(jīng)過非線性介質(zhì)后，出射的光譜中產(chǎn)生許多新的頻率成分使其光譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射激光的寬度,108,PCF超連續(xù)譜光源（2）,光子晶體光纖（PCF）是產(chǎn)生超連續(xù)譜的優(yōu)良材料，它通過包層內(nèi)沿軸向的空氣線陣列將光的能量限制在纖芯內(nèi)傳輸。,圖片源自：,這類光纖可以“靈活調(diào)控”

17、光纖的色散特性和非線性系數(shù)，適合產(chǎn)生超連續(xù)譜；下圖為我們計算的光纖結(jié)構(gòu)變化時色散系數(shù)、非線性系數(shù)、模場直徑的變化,109,PCF超連續(xù)譜光源（3）產(chǎn)生機(jī)理和優(yōu)點,PCF超連續(xù)譜的產(chǎn)生涉及多種非線性光學(xué)效應(yīng)：調(diào)制不穩(wěn)定性、自相位調(diào)制、拉曼頻移效應(yīng)、高階孤子分裂效應(yīng)等； 超連續(xù)譜光源具有超寬帶、超平坦、超亮度等優(yōu)勢，它既具有像白熾燈一樣的譜寬，又可以同時具有像激光器一樣的高亮度，它相當(dāng)于一個超寬帶激光器。這是一項正在快速發(fā)展的高新技術(shù)。,圖片源自：深圳市激光工程重點實驗室,圖片源自：深圳市激光工程重點實驗室,時域圖，時間為橫坐標(biāo)，光纖長度為縱坐標(biāo),頻譜圖，波長為橫坐標(biāo)，光纖長度為縱坐標(biāo),110,S

18、C的應(yīng)用領(lǐng)域,中紅外超寬帶譜光源在激光光譜學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)、OCT和相干反斯托克斯拉曼散射譜測量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。,圖片： Proc. SPIE 8264, 82641F (2012);,111,基于拉曼光譜的生物檢測,LabRAM HR Evolution拉曼光譜儀,7 譜線激光光源： 488.0nm； 514.5nm； 520.8nm； 530.9nm； 568.2nm； 647.1nm； 785.0nm,缺點： 譜線選擇有限 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 成本高,一臺SC光源可覆蓋全部激光 譜線，可任意選擇激光波長精確匹配待測樣品吸收峰，降低了所需激發(fā)功率和曝光時間，提高細(xì)胞在測量時的存活能力

19、和測量信噪比、分辨率和靈敏度。,112,FCM是對懸液中的單細(xì)胞或其他生物粒子，通過檢測標(biāo)記的熒光信號實現(xiàn)高速、逐一的細(xì)胞定量分析和分選的技術(shù)。 其測量速度可達(dá)每秒鐘上萬個細(xì)胞。,流式細(xì)胞術(shù)（Flow CytoMetry，F(xiàn)CM）,113,光源是FCM的關(guān)鍵部件，要求單譜線具有足夠高的強度，并且要接近被激發(fā)物質(zhì)的激發(fā)光譜的峰值。 傳統(tǒng)FCM的熒光探針激發(fā)受限于幾個分立的激光譜線，限制了眾多熒光探針的激發(fā)，進(jìn)而限制了細(xì)胞分析。 SC光源具有高亮度和寬光譜的優(yōu)勢，利用白光SC激光器，幾乎可以獲得任何可見光波段的激光波長，因而可以激發(fā)任何感興趣的熒光探針，用于FCM分析，提高測量信噪比、分辨率和靈敏

20、度。,流式細(xì)胞術(shù)（Flow CytoMetry，F(xiàn)CM）,114,利用可見光SC光源選擇激光波長,Cytometry A. 75(5): 450459(2009),流式細(xì)胞術(shù)（Flow CytoMetry，F(xiàn)CM）,115,Readout, 39, 12-33(2012).,流式細(xì)胞術(shù)（Flow CytoMetry，F(xiàn)CM）,基于可見光SC光源的FCM：實現(xiàn)了5信道FCM,116,光路系統(tǒng),量化成像流式分析技術(shù)未來FCM發(fā)展新方向,一個可見光SC光源可以替代 5 個激光器，且具有波長任意選擇性系統(tǒng)簡單，操作方便，提高了測量信噪比、分辨率和靈敏度。,比傳統(tǒng)流式技術(shù)靈敏度更高，提供視覺驗證功能和量

21、化形態(tài)學(xué)分析技術(shù),117,Spie Newsroom 01/2008; DOI:10.1117/2.1200806.1175,熒光壽命成像顯微（FLIM ）系統(tǒng),所用SC光源：(Fianium SC450),FLIM系統(tǒng)是研究活體細(xì)胞的空間-時間特性的一種新型工具，可用于毒品或疾病的發(fā)現(xiàn)和診斷。 FLIM受限于單色分立激光器的譜線，所能利用的染料或標(biāo)記有限，且光源所輸出的激發(fā)波長難以與熒光染料的吸收峰匹配。,SC激光器可以消除這些限制，它能發(fā)射從藍(lán)光到近紅外的寬帶相干光譜，再結(jié)合可調(diào)濾波器，就可以完美地與任何染料的吸收峰相匹配。,118,基于白光SC的顯微系統(tǒng)優(yōu)點： 可覆蓋所有可能的染料 無需

22、安裝多個激光源，可獲得更好的穩(wěn)定性并減少維修 可將激發(fā)波長調(diào)至染料的吸收峰，以使信噪比最大化 通過調(diào)節(jié)吸收峰，減小激發(fā)功率的要求,所用SC光源：(Fianium SC450-1),J. Biophotonics 16 (2013) / DOI 10.1002/jbio.201300165,暗場顯微術(shù)癌細(xì)胞的探測與鎖定,119,J. Biophotonics 16 (2013) / DOI 10.1002/jbio.201300165,暗場顯微術(shù)癌細(xì)胞的探測與鎖定,高亮度的SC光源提供足夠的背向散射光強，降低噪聲，獲得高質(zhì)量的細(xì)胞成像,可見SC光源成像,傳統(tǒng)光源成像,120,PCF超連續(xù)譜光源：

23、發(fā)展趨勢及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,超連續(xù)譜光源技術(shù)發(fā)展趨勢 全光纖化，增強了光源的實用性； 高功率化，通過采用連續(xù)光泵浦，大幅提高輸出功率； 由白光超連續(xù)譜向中紅外超連續(xù)譜擴(kuò)展； 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 （1）國際上白光超連續(xù)譜已經(jīng)由研究階段轉(zhuǎn)向應(yīng)用階段,左圖為由丹麥NKT公司生產(chǎn)的SuperK超連續(xù)譜光源。性能參數(shù)： 光譜范圍：400nm-2400nm 輸出功率：1-4.5W 光束質(zhì)量：M21.1 售價：8萬歐元,121,（2）向中紅外波段快速發(fā)展,圖1. Southampton大學(xué)的碲化物玻璃PCF超連續(xù)譜光源，譜寬超過4m； 圖2.OFC2010報導(dǎo)的氟化物PCF產(chǎn)生的超連續(xù)譜光源，從可見光一直到6m,

24、最近兩年，不同材料的中紅外PCF被相繼研發(fā)，用于產(chǎn)生超連續(xù)譜光源.,122,中紅外PCF超連續(xù)譜的應(yīng)用,應(yīng)用于OCT 圖1：由OMNI Scicence公司生產(chǎn)的中紅外超連續(xù)譜光源 將它用于OCT對人體血管損傷的成像監(jiān)測,應(yīng)用于安全與環(huán)境監(jiān)測 如：爆炸氣體探測系統(tǒng)，探測甲烷和其它易爆氣體；燃燒效率和尾氣排放監(jiān)測系統(tǒng)，測量 CO, CO2 等；毒氣探測、大氣中水汽濃度等。,123,超連續(xù)譜產(chǎn)生（1）,Haohua Tu and Stephen A. Boppart, Ultraviolet-visible non-supercontinuum ultrafast source enabled b

25、y switching single silicon strand-like photonic crystal fibers, Opt. Express 17, 17983-17988 (2009),124,2,Supercontinuum generation in irregularly microstructured elliptic core fibers，Phys. Rev. A 77, 035804 (2008),125,126,光纖中條形細(xì)絲上超連續(xù)譜產(chǎn)生,127,128,傳統(tǒng)高雙折射光子晶體光纖設(shè)計中的局限,利用包層結(jié)構(gòu)的不對稱設(shè)計引入高模式雙折射 包層對兩個偏振模式的束縛能力

26、不同 受限制強的偏振模式有效折射率高 受限制弱的偏振模式有效折射率低 受到弱束縛的偏振模式有大量能量在包層中傳播，限制損耗很大,129,超高雙折射超低限制損耗PCF結(jié)構(gòu)設(shè)計,在芯區(qū)引入新穎的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)（四個呈矩形分布的小空氣孔） 內(nèi)包層小空氣孔與外包層共同形成光子禁帶，光場無法在孔內(nèi)傳播 利用內(nèi)包層空氣孔的形狀和空間分布實現(xiàn)高雙折射 外包層對稱性不被破壞，且可以使用較大的空氣填充率 實現(xiàn)超低限制損耗 實現(xiàn)單模傳輸,L = 2.2 mm， d = 0.76L,計算波長 l = 1.55 mm,130,分 析 方 法,全矢量有限元法 (COMSOL Multiphysics TM ) 模場分析（每

27、個模式的光場分布和有效折射率） 利用各向異性理想匹配層邊界，模場有效折射率為復(fù)數(shù)形式 數(shù)據(jù)后處理 限制損耗 群速度色散 有效模場面積 光纖非線性系數(shù),（dB/m）,（W-1km-1）,131,內(nèi)包層空氣孔橢圓率的影 響,x方向偏振模式,y方向偏振模式,內(nèi)包層四個空氣孔呈正方形排列 L1 = L2 = 0.55L,ER = 2.25:1 a = 0.45L，b = 0.2L,空氣孔橢圓率變化時，其面積保持不變,ER = 1:1 a = b = 0.3L,ER = 1:1.25 a = 0.2L，b = 0.45L,132,內(nèi)包層空氣孔橢圓率的影響,空氣孔橢圓率ER 1或者ER 1時，模式雙折射的

28、絕對值可高于0.02。,隨著橢圓率的增加，總有一個偏振態(tài)的限制損耗迅速增大。,簡單的使用橢圓空氣孔，無法獲得兼顧高雙折射與低限制損耗的最優(yōu)結(jié)構(gòu),133,內(nèi)包層空氣孔空間分布的影響,內(nèi)包層四個空氣孔為圓形 ER = 1:1，a = b = 0.3L,x方向偏振模式,y方向偏振模式,L1 = L2 = 0.55L,L1 = 0.5L，L2 = 0.65L,模式雙折射可達(dá)0.01 限制損耗分別為0.0016 dB/km和0.00042 dB/km,134,綜合考慮內(nèi)包層空氣孔橢圓率和空間分布,內(nèi)包層使用橢圓空氣孔可以產(chǎn)生巨大的模式雙折射,低限制損耗難以實現(xiàn),利用空氣孔不對稱空間分布也可以獲得高雙折射

29、,可以實現(xiàn)低限制損耗,x方向偏振模式,y方向偏振模式,內(nèi)包層四個空氣孔為橢圓形，矩形分布 ER = 2.25:1，a = 0.45L，b = 0.2L L1 = 0.55L，L2 = 0.65L,模式雙折射可達(dá)0.021 限制損耗分別為0.0013 dB/km和0.00002 dB/km,135,模 式 特 性 分 析,內(nèi)包層四個空氣孔為橢圓形，矩形分布 ER = 2.25:1，a = 0.45L，b = 0.2L L1 = 0.55L，L2 = 0.65L d/L = 0.76，L = 2.2 mm,1.3 mm波長處二階模式截止,相對平坦中等大小的負(fù)色散,x偏振態(tài)有效模場面積為4.1 mm

30、2,y偏振態(tài)有效模場面積為3.6 mm2,非線性系數(shù)g為32 W-1km-1,非線性系數(shù)g為36 W-1km-1,n2,3.2 x 10-20 m2/W,Published at J. Lightwave Technology,136,單模單偏振高非線性光纖,性能優(yōu)勢 單模單偏振 更高的非線性效率 特殊非線性應(yīng)用：偏振敏感參量放大、極化超連續(xù)譜產(chǎn)生 研究現(xiàn)狀 利用包層不對稱設(shè)計或者應(yīng)力材料實現(xiàn)單偏振傳輸 高雙折射與小模場面積、低限制損耗之間無法兼顧 我們的工作 利用芯區(qū)內(nèi)包層結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)超寬帶單模單偏振傳輸 兼顧小模場面積（高非線性）和低限制損耗 優(yōu)化外包層結(jié)構(gòu)設(shè)計，獲得近零平坦群速度色散,1

31、37,超寬帶單模單偏振高非線性PCF結(jié)構(gòu)設(shè)計,在芯區(qū)引入新穎的內(nèi)包層結(jié)構(gòu)（四個緊密排列的橢圓空氣孔） 空氣孔橢圓率大，相互間隔小 實現(xiàn)基模一個偏振態(tài)的截止 實現(xiàn)小模場面積，同時對其他高階模式也有強烈的抑制作用 具有較大空氣填充率的外包層 有利于實現(xiàn)超低限制損耗和小模場面積 結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以實現(xiàn)平坦近零群速度色散,L = 2.2 mm， d待討論,計算波長 l = 1.55 mm,a = 0.45L，b = 0.2L L1 ，L2 待討論,138,單模傳輸?shù)膶崿F(xiàn),外包層采用均勻空氣孔結(jié)構(gòu)（d = d1） L1 = L2 = 0.55L,傳統(tǒng)單模PCF設(shè)計 包層空氣填充率 基空間填充模 芯區(qū)和包層折射

32、率對比加大 高階模式 低空氣填充率 模場束縛能力弱 使用芯區(qū)內(nèi)包層 芯區(qū)有效折射率降低 抑制高階模 允許外包層使用較大空氣填充率,d = 0.77L時，通信波長處仍能保持單模傳輸,傳統(tǒng)PCF的單模條件一般要求d 0.5L。,1.55 mm波長處，光纖工作在單模狀態(tài)，并且模式雙折射高達(dá)0.02487,139,單偏振傳輸?shù)膶崿F(xiàn),內(nèi)包層空氣孔橢圓率的選擇 長軸在y方向上的大橢圓率空氣孔 內(nèi)包層空氣孔的空間分布對基模模場分布的影響 L1 = L2 = 0.55L 橢圓孔使水平方向上偏振模式的模場分布受到極大限制 外包層空氣填充率對單模單偏振的影響 適當(dāng)降低外包層的空氣填充率有利于基模x偏振模的截止,d

33、 = 0.77L時，減小L1和L2仍不能保證基模x偏振模的截止； d = 0.76L時，L1 = L2 = 0.5L情況下，基模x偏振模即已截止。,x方向偏振模式,具有中等大小的負(fù)色散 (-220 ps/nm/km),140,群速度色散優(yōu)化,設(shè)法提高對模場的束縛，消除色散曲線的“下凸”,d1= 0.96L,141,超寬帶單模單偏振高非線性低色散,單模單偏振波段(限制損耗低于0.25 dB/km) 0.3 mm 1.84 mm，帶寬高達(dá)1540 nm 在800 nm附近的近紅外波段，提供近零且平坦的群速度色散特性 0.75 mm 0.95 mm，色散0 -10 ps/(nm*km) 0.55 m

34、m 1.15 mm，色散絕對值小于25 ps/(nm*km) 0.45 mm 1.45 mm，色散絕對值小于50 ps/(nm*km) 高非線性系數(shù) 800 nm附近，有效模場面積為2.16 mm2，g為116 W-1km-1,142,狹 縫 波 導(dǎo) 結(jié) 構(gòu),Lipson等提出的狹縫波導(dǎo),Wiederhecker等提出的具有納米級 中心小孔的光子晶體光纖,Saitoh等提出的狹縫PCF,平板硅基狹縫波導(dǎo)的優(yōu)勢 極強的場局限能力，納米級的模場尺寸 高非線性 器件小型化，易集成 平板硅基狹縫波導(dǎo)的缺點 具有超大負(fù)色散 損耗較大,利用光子晶體光纖的空氣孔包層， 改善其色散、損耗特性,143,基 于

35、狹 縫 效 應(yīng) 的 光 纖,首先只考慮在纖芯處引入高折射率狹縫結(jié)構(gòu)的情況,熔石英基底中嵌入兩條間隔L1的硅棒 形成狹縫效應(yīng) 高折射率芯結(jié)構(gòu)可減少模場在狹縫外的分布 與普通SOI狹縫波導(dǎo)非常類似,a = 800 nm, b = 130 nm, L1 = 100 nm,144,模 式 特 性,模場限制情況（電場分布） 狹縫 14.68% 硅棒 6.3% 熔石英包層 79.02% 高非線性 1.55 mm附近有效模場面積為0.29 mm2 群速度色散特性 與SOI波導(dǎo)類似，具有超大負(fù)色散,減小負(fù)色散，須設(shè)法使更多的模場分布在狹縫 和硅棒當(dāng)中，以提高模式的有效折射率,波長轉(zhuǎn)換應(yīng)用1.55 mm 1.5

36、7 mm D約為-3.5 fs/(nm*mm) 兩光場累計相移p所需的長度僅為10 mm,145,包層使用兩個空氣孔限制模場,L = 2 mm，d = 0.62L,在包層中使用兩個大空氣孔對模場分布進(jìn)行調(diào)整,空氣孔的間隔為L，直徑為d 空氣孔在水平方向上明顯限制了光場的分布 但在豎直方向上，光場分布更加狹長 色散平坦的波段可以選擇,146,模 式 特 性,模場限制情況（電場分布） 狹縫 16.34% 硅棒 7.17% 空氣孔 19.3% 熔石英包層 57.21% 高非線性 1.55 mm附近有效模場面積為0.23 mm2 群速度色散特性 相比沒有空氣孔的情況，色散減小了20%。,豎直方向上沒有提供有效的限制，因此模場在狹縫和硅棒中的分布提高的不明顯 色散特性還須進(jìn)一步改善,色散減小20%，相干長度則可增加20%,147,包層使用四個空氣孔限制模場,= 2 mm, L = 2.2 mm d = 0.62L,