【研究】光子晶體光纖的特性及應用發展趨勢

2021-01-15 網絡電信

1.光子晶體光纖雷射器

光纖雷射器已經廣泛應用於雷射切割、雷射焊接、雷射鑽孔、雷射雕刻、雷射打標、雷射雷達、傳感技術和空間技術以及雷射醫學等領域。國際上,摻鐿光纖雷射器單根光纖已經實現了9600W的單模雷射功率輸出。2016年,我國摻鐿光纖雷射器的單纖輸出雷射功率達到5kW。常規摻鐿雙包層光纖利用摻雜實現光纖包層與纖芯之間的折射率差,使得維持單模傳輸的纖芯面積難以增加,限制了雙包層摻鐿光纖雷射器性能的進一步提高。

雙包層摻鐿光子晶體光纖的誕生,可以解決大有效面積與單模傳輸的矛盾,它可以根據雷射器件的要求,設計製造纖芯摻雜濃度高、模場面積大、內包層數值孔徑大,同時維持纖芯單模傳輸的高要求,大大地提高了該光纖雷射器的散熱性能和耐熱性能。2005年德國Jena公司採用雙包層摻鐿光子晶體光纖,單纖獲得了1530W的雷射輸出。

2.光子晶體光纖放大器

鉺鐿共摻光子晶體光纖放大器是近年來光纖放大器的研究熱點,國外在該方面進行了大量的基礎應用研究。Akira等將0.7nJ、700fs、47MHz、32mW的1557nm種子光注入到9米鉺鐿共摻雙包層光子晶體光纖,在7.1W的975nm泵浦光功率作用下,在1550nm獲得了100fs、74nJ、350mW的放大雷射輸出,光束質量因子M2小於1.05,表現出單橫模特性。該鉺鐿共摻雙包層光子晶體光纖的參數為:晶格常數Λ=22μm,佔空比d/Λ=0.54,空氣外包層直徑222μm,纖芯Er3+和Yb3+的濃度分別為140ppm和2000ppm,模場直徑26μm,纖芯數值孔徑為0.04,內包層數值孔徑為0.58,976nm泵浦吸收係數為1.6dB/m。

3.超連續光譜與新型光源

超連續譜(SC)是高功率密度脈衝雷射通過非線性介質產生的強烈光譜展寬,利用光脈衝在光子晶體光纖中的自相位調製(SPM)、受激喇曼散射(SRS)以及四波混頻(FWM)等非線性效應,可使輸入脈衝展寬得到超連續譜,在超連續光譜中取出特定波長的雷射就可以製造不同波長的新型光源。超連續譜光源在飛秒雷射脈衝的相位穩定、光學相干層析(OCT)、超短脈衝壓縮、雷射光譜學和傳感技術等領域具有廣泛的應用。

4.光開關與傳感器

光子晶體光纖由於具有較高的非線性效應,包括自相位調製、交叉相位調製等,利用該非線性效應可以研製高速、偏振無關的高性能集成化微型全光開關。全光開關是波長路由全光網絡和下一代光網絡的核心部件,P.Petropolous等提出基於光子晶體光纖自相位調製效應的全光開關方案,J.E.Sharping等提出基於光子晶體光纖的交叉相位調製效應的全光開關方案。

光子晶體光纖中分布著許多空氣微孔,將不同的液體、氣體、固體材料填充到空氣微孔中就可以製造出各種各樣的傳感器。Thomas Tanggaard等將液晶填充到PBG型光子晶體光纖的空氣微孔中,製造出一種全光傳感器件,該器件對溫度非常敏感,0.4℃的溫度變化就可以產生60dB的消光比,是一種較好的溫度傳感器件或光開關。

5.光剎車與全光通信

為了實現高速全光通信,首先必須實現能夠光速控制與光的存儲。2005年1月,美國康奈爾(Cornell)大學的Yoshitomo Okawachi等首次利用光纖中受激布裡淵散射(SBS)非線性效應實現了可調諧的慢光時延,通過調整泵浦雷射波長可以調節被時延的波長,通過調節泵浦光的光強可以實現時延的大小變化,試驗中實現了25ns的時延。

光纖中實現慢光是慢光研究歷史上的裡程碑,它直接將慢光技術推向實際工程化應用,充分發揮了光交換的快速高效特性。2007年12月,美國杜克(Duke)大學的Daniel J. Gauthier等在《Science》上發表論文,利用光纖中的受激布裡淵散射(SBS)非線性效應,成功進行了慢光的讀寫試驗,實現了慢光的全光緩存技術,這是全光通信史上的重大技術突破,並且實現了6個歸一化脈衝時延,這是目前光纖SBS慢光的最大歸一化時延。

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    ——光子晶體光纖已經在很多科研技術領域得到了應用。文章綜述了光子晶體光纖的研究進展,給出其分類,並重點介紹了光子晶體光纖在超短脈衝、光頻測量、光纖通信等科研領域的重要應用以及未來的發展前景。光子晶體光纖(photonic crystalfiber,PCF)是基於光子晶體技術發展起來的新一代傳輸光纖。由於光子晶體光纖結構的可控性可以滿足人們對於不同信號傳輸特性的PCF的需要,因此引起了很多相關科研領域的極大興趣。光子晶體光纖的概念最早是由Russell St J p等人於1992年提出的。
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    Eli Yablonovitch等將此類結構命名為 「光子晶體」。很快,這一結構在光纖領域得到了移植應用。1992年,Phillip Russell等人提出「光子晶體光纖」(微結構光纖中的一類)。光子晶體光纖是由一簇細小的石英毛細管按照六邊形周期性排列,從橫截面上看去,就像是蜂窩結構。由於優良的傳輸特性,光子晶體光纖迅速在全球受到重視。
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    半導體是帶電粒子的周期性晶體結構,電子的行為受到周期性的約束和影響。而材料對光傳播特性的影響只能通過折射率(介電常數)來實現。因此,光子晶體一定是折射率(介電常數)在空間的周期性排列,以使光子受到周期性的約束和影響。折射率的周期分布可以是一維、二維或三維的,它們分別對應於一維、二維和三維光子晶體。光子晶體具有光子能帶結構。
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  • 光子前沿:納腔光子晶體雷射器
    [3]對於納腔陣列光子晶體雷射器,雖然總閾值增加,但每個納腔的閾值仍然很低,同時由於陣列的空間面積較大,其響應時間也相應地變長。    增加光子晶體雷射器輸出功率的另一種方法是設計耦合納腔陣列,使雷射在陣列平面中輸出,從而使得光從結構邊緣耦合進入光纖成為可能。在2007年5月的CLEO會議上,南加州大學報導了他們的重大研究成果:進入多模裸光纖的峰值功率高達60?W。
  • 成果推介:新型空芯微結構光纖與傳感特性基礎研究
    20世紀,石英光纖技術的出現和廣泛應用奠定了光纖通信、光纖雷射器、光纖傳感三大領域的革命性成就。光纖直徑約幾十微米,比人類一根頭髮絲還要細,因此在運輸和鋪設中相比傳統的電纜有很多優勢,同時其具備抗電磁輻射能力,保密性能優異,在軍事領域應用具有巨大潛力。因此,光纖的設計和研究一直以來都備受科學研究者的關注。資訊時代的不斷發展,必將伴隨著人們對於信息容量需求的不斷增加。
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