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光子晶体光纤及其应用研究.pdf

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    • 光子晶体光纤及其应用研究光子晶体光纤及其应用研究报告人:刘艳格报告人:刘艳格Email: ygliu@;Tel: 022-23509479王志、刘波、张伟刚、张昊、开桂云、袁树忠、赵启大、董孝义王志、刘波、张伟刚、张昊、开桂云、袁树忠、赵启大、董孝义南开大学现代光学研究所 光电子学课题组南开大学现代光学研究所 光电子学课题组提 纲提 纲一、光子晶体光纤概述一、光子晶体光纤概述一、光子晶体光纤概述一、光子晶体光纤概述二、光子晶体光纤的特性及应用二、光子晶体光纤的特性及应用二、光子晶体光纤的特性及应用二、光子晶体光纤的特性及应用三、光子晶体光纤光栅三、光子晶体光纤光栅三、光子晶体光纤光栅三、光子晶体光纤光栅一、光子晶体光纤概述一、光子晶体光纤概述一、光子晶体光纤概述一、光子晶体光纤概述? 光子晶体及器件光子晶体及器件? 光子晶体光纤的概念及发展光子晶体光纤的概念及发展? 光子晶体光纤的传导机制光子晶体光纤的传导机制? 光子晶体光纤的制造技术光子晶体光纤的制造技术? 光子晶体光纤的国内研究概况光子晶体光纤的国内研究概况光子晶体:光子晶体:是指空间折射率在 波长量级周期变化 的结构根据空间 结构主要分为一维、 二维和三维晶体。

      是指空间折射率在 波长量级周期变化 的结构根据空间 结构主要分为一维、 二维和三维晶体2-D3-D1-D光子晶体中的光子具有 类似与半导体中电子的 性质,如能带结构和光 子禁带光子晶体的出 现为像半导体中操纵电 子那样操纵光子提供了 可能光子晶体中的光子具有 类似与半导体中电子的 性质,如能带结构和光 子禁带光子晶体的出 现为像半导体中操纵电 子那样操纵光子提供了 可能Periodic in one directionPeriodic in two directionsPeriodic in three directions光子晶体光子晶体一、概述一、概述光子晶体与器件光子晶体与器件在光子晶体的周期结构中引入缺陷,在光子晶体的周期结构中引入缺陷,能够能够出现 局域化的电磁场态或局域化的传导态,就可以 像在掺杂半导体中控制电子那样控制光子出现 局域化的电磁场态或局域化的传导态,就可以 像在掺杂半导体中控制电子那样控制光子cavitywaveguideDWDM上下载滤波器上下载滤波器微腔激光器光子集成线路微腔激光器光子集成线路一、概述一、概述什么是光子晶体光纤?什么是光子晶体光纤?光子晶体光纤光子晶体光纤通常由纯石英或聚 合物等材料为基底,在光纤的横 截面上具有二维的周期性折射率 分布(通常由纯石英或聚 合物等材料为基底,在光纤的横 截面上具有二维的周期性折射率 分布(空气孔或高折射率柱空气孔或高折射率柱), 而沿光纤长度方向不变。

      面缺陷1D光子晶体), 而沿光纤长度方向不变面缺陷1D光子晶体线缺陷2D光子晶体线缺陷2D光子晶体点缺陷3D光子晶体点缺陷3D光子晶体光子晶体光纤(光子晶体光纤(PCF)微结构光纤()微结构光纤(MOF)空洞光纤()空洞光纤(Holey fiber))一、概述一、概述• 1987年,E. Yablonovitch 和 S. John分别提出光子晶体的概念1987年,E. Yablonovitch 和 S. John分别提出光子晶体的概念• 1991年,P. Russell提出在光纤结 构中利用2D光子晶体结构实现空芯 传导的思想1991年,P. Russell提出在光纤结 构中利用2D光子晶体结构实现空芯 传导的思想• 1996年,J. C. Knight等人拉制了 第一根折射率引导光子晶体光纤1996年,J. C. Knight等人拉制了 第一根折射率引导光子晶体光纤• 1998年,J. C. Knight等人拉制了 第一根光子带隙光纤1998年,J. C. Knight等人拉制了 第一根光子带隙光纤Philip Russell光子晶体光纤的出现光子晶体光纤的出现一、概述一、概述[Science 282:1476][Science 285:1537][Bath Univ. 1996][Bath Univ., Science 282:1476][Bath Univ., Science 285:1537][MIT, Nature 420:650][Bath Univ., Opt. Lett. 29:2369][Bath Univ., Opt. Lett. 31:3574][Bath Univ., Opt. Express 15:4795][Bath Univ., Opt. Lett. 21:1547] Opt. Lett. 22:961[Southampton Univ., Opt. Lett. 24:1395][Bath Univ., Opt. Lett. 25:1325 Electron. Lett. 36:1358][Bath Univ., Opt. Express 10, 609][Southampton Univ., Opt. Express 9::714][Bath Univ., 2003 PTL 15(13): 1384][Sydney Univ., OFC2002, Opt. Express 2003, 11,2589][Southampton Univ., JLT 24, 183-190 ]光子晶体光纤的发展历程光子晶体光纤的发展历程双 包 层 保 偏双 包 层 保 偏 PCF(2008)一、概述一、概述利用包层光子带隙效应 把光约束在缺陷纤芯利用包层光子带隙效应 把光约束在缺陷纤芯光子晶体光纤光子晶体光纤光子带隙光纤光子带隙光纤纤芯折射率高于包层有效折射率纤芯折射率高于包层有效折射率折射率引导折射率引导空芯反谐振实心光子带隙光纤空芯反谐振实心光子带隙光纤基于填充全固基于填充全固光子晶体光纤的分类光子晶体光纤的分类Kagome一、概述一、概述光子晶体光纤的传导机制光子晶体光纤的传导机制普通光纤普通光纤n2n1折射率引导折射率引导PCF光子带隙引导光子带隙引导PCFn2n1n0=1传导 模式传导 模式LP01包 层 模 式 带包 层 模 式 带LP11 LP21损耗 模式损耗 模式LP02LP31传导 模式传导 模式LP01 nclad包 层 模 式 带包 层 模 式 带光子 带隙光子 带隙光子 带隙光子 带隙传导 模式传导 模式LP01LP11LP21LP02LP31包层超模包层超模光子 带隙光子 带隙n0空气传导模式空气传导模式LP01一、概述一、概述光子晶体光纤的传导机制光子晶体光纤的传导机制反谐振模型反谐振模型谐振:反谐振:谐振:反谐振:一、概述一、概述? 折射率引导折射率引导:ncore>neff>nclad? 光子带隙传导光子带隙传导:neff0.8高数值孔径内包层光纤晶体光纤,可以使在包层孔径不 大的情况下,接受更多的泵浦光,即使泵浦光耦合更容 易。

      因此可以增加双包层光子晶体光纤纤芯与内包层的 面积比,这有利于改善泵浦光的吸收效率高数值孔径内包层光纤晶体光纤,可以使在包层孔径不 大的情况下,接受更多的泵浦光,即使泵浦光耦合更容 易因此可以增加双包层光子晶体光纤纤芯与内包层的 面积比,这有利于改善泵浦光的吸收效率 (容易耦合)(容易耦合)二、光子晶体光纤的特性及应用二、光子晶体光纤的特性及应用Optics Express,9(13):714-720, 2001University of Southampton, UK内包层5个环的小空气孔,外包层2个环的大空气孔 内包层的数值孔径:0.3-0.4(10cm光纤) 图中的纤芯实现了偏移一个环,为了打破包层的对称 性从而增强泵浦吸收MFD:12.3um(1047nm)内包层5个环的小空气孔,外包层2个环的大空气孔 内包层的数值孔径:0.3-0.4(10cm光纤) 图中的纤芯实现了偏移一个环,为了打破包层的对称 性从而增强泵浦吸收MFD:12.3um(1047nm)d d=2.7=2.7um;Λum;Λ=9.7=9.7umum; d/; d/ΛΛ=0.3;光纤外径:175um 模场与掺杂区域重叠:60%=0.3;光纤外径:175um。

      模场与掺杂区域重叠:60%高功率光纤激光器应用:高功率光纤激光器应用:高功率光纤激光器应用:高功率光纤激光器应用:双包层微结构光纤及包层泵浦双包层微结构光纤及包层泵浦双包层微结构光纤及包层泵浦双包层微结构光纤及包层泵浦二、光子晶体光纤的特性及应用二、光子晶体光纤的特性及应用实验装置:F-P腔:二向色镜和光纤端面的非涅 尔反射,透镜耦合 976单模泵浦: 4.5m光纤;耦合效率70%;斜率 效率82%; 915多模包层泵浦:7.5m光纤;耦合效率60%; 斜率效率70%;>1W实验装置:F-P腔:二向色镜和光纤端面的非涅 尔反射,透镜耦合 976单模泵浦: 4.5m光纤;耦合效率70%;斜率 效率82%; 915多模包层泵浦:7.5m光纤;耦合效率60%; 斜率效率70%;>1WFriedrich Schiller University,,GermanyOptics Express,11(7):818-823, 2003.4内包层内包层 :六边形,三角形,抽去三个形成纤芯:芯:模场直径:芯:模场直径:;21mμ模场面积:模场面积:;3502mμ 数值孔径:数值孔径:0.05数值孔径:数值孔径:0.55外包层直径外包层直径:;450mμ976泵光吸收泵光吸收: 9.6dB/m高功率激光器应用:高功率激光器应用:80W输出功率的包层泵浦激光器输出功率的包层泵浦激光器2003.6, 达到, 达到260W连续光输 出,可到连续光输 出,可到1.2kW,目前已经 大量应用于短脉冲放大系统,目前已经 大量应用于短脉冲放大系统.二、光子晶体光纤的特性及应用二、光子晶体光纤的特性及应用折射率引导PCF的特性----折射率引导PCF的特性----高非线性特性(高非线性特性(1))effAn λπγ22=光纤材料的非线性系数光纤材料的非线性系数有效模场面积有效模场面积Corning SMF28: 1.1W-1km-1 ((1550nm) 通过纤芯掺杂、改变模场直径等方法最大:) 通过纤芯掺杂、改变模场直径等方法最大: 20W-1km-1 (受能做到的最大数值孔径限制) 微结构光纤:可以做到更大的数值孔径,空气填充比(受能做到的最大数值孔径限制) 微结构光纤:可以做到更大的数值孔径,空气填充比:90% 有更好的限光能力。

      有更好的限光能力1550nm,模场直径可以小到,模场直径可以小到1um, 63W-1km-1(纯硅)模场面积可以小到(纯硅)模场面积可以小到1.7um2石英基底石英基底214W-1km-1@670nm2006,南安普顿,硅酸盐基底,南安普顿,硅酸盐基底1860W-1km-1@1550nm二、光子晶体光纤的特性及应用二、光子晶体光纤的特性及应用折射率引导PCF的特性----折射率引导PCF的特性----高非线性特性(高非线性特性(2))高非线性系数+可设计的色散⇒丰富的非线性现象:高非线性系数+可设计的色散⇒丰富的非线性现象:?自相位调制、交叉相位调制、三次谐波产生、四 波混频、受激拉曼散射、受激布里渊散射、短波长区 域观察到光孤子等等自相位调制、交叉相位调制、三次谐波产生、四 波混频、受激拉曼散射、受激布里渊散射、短波长区 域观察到光孤子等等?结合色散特性可应用于波长转换、光纤激光器和放 大器、宽带超连续谱产生等方面结合色散特性可应用于波长转换、光纤激光器和放 大器、宽带超连续谱产生等方面二、光子晶体光纤的特性及应用二、光子晶体光纤的特性及应用Optics Letters,26(6):424-426, 20023 31W-1km-1 ((1536nm);A);Aeffeff=2.85um=2.85um2 2; ;~100 ps/nm km;;40dB/k。

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