一种压缩六边形单偏振单模光子晶体光纤北大核心

提出了一种新型压缩六边形空气孔阵列的SPSM-PCF(单偏振单模光子晶体光纤)结构,并采用全矢量有限元方法以完美匹配层为边界条件研究了该光纤的限制损耗特性随结构参量变化的规律。数值模拟结果表明,在入射波长为1.550μm时,快轴模的限制损耗很大,而慢轴模的限制损耗随包层层数的增加而减小,当包层层数Nr分别为6、8和10时,限制损耗分别为4.534×10-4、2.236×10-5和9.597×10-6 dB/m。因此,快轴模在极短的光纤长度内快速衰减,从而实现仅有慢轴模且限制损耗低于0.1dB/km的低损耗单模单偏振运转。     

单偏振单模微结构聚合物光纤的设计

设计了一种聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基的单偏振单模(SPSM)微结构聚合物光纤(MPOF)。采用全矢量平面波展开法并结合完美匹配边界条件,对其偏振特性进行了理论模拟。详细讨论了微结构光纤参数的变化对单偏振单模带宽和工作波长的影响,发现在0.57～0.71μm的可见光波长范围,由于基模两个正交偏振模的截止波长不同,这种微结构聚合物光纤只能传输基模中的一个偏振模。光束传播法计算表明,在波长0.65μm处具有7圈空气孔的单偏振单模微结构聚合物光纤的传导偏振模约束损耗仅为1.24dB/m,这种低损耗的单偏振单模微结构聚合物光纤可有效消除传统保偏光纤固有的偏振串扰和偏振模色散。     

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。     

椭圆孔正方形点阵聚合物光子晶体光纤偏振特性

以聚合物为基材,设计了一种单模零走离参数的高双折射光子晶体光纤,该光纤具有椭圆孔正方形点阵,基于全矢量平面波方法,对其传输模场和偏振特性进行了数值模拟。结果发现,与传统的光子晶体光纤相比,该光纤具有更大的模式双折射和走离参数,当增长光纤结构参数椭圆孔长短轴之比η时,双折射明显增强并高达3.5×10-2,走离参数在低频区出现零走离点,这为在该光纤中即保持高双折射又实现零走离单模运转提供了可能。     

高双折射低有效模场面积SF57软玻璃光子晶体光纤设计

设计了一种包层为椭圆孔排列的六边形结构SF57软玻璃光子晶体光纤,在其纤芯区域引入了菱形排列的四个小椭圆孔.利用有限元法模拟了该光子晶体光纤的双折射和有效模场面积,获得了波长1.55μm处双折射为1.01×10~(-1),x和y偏振的有效模场面积分别为1.52μm~2、1.55μm~2的高双折射低有效模场面积光子晶体光纤.且对该光纤的结构参数进行了实验制作的容差性分析,得到了较大的制作容差对其光纤的双折射影响很小,具有较好的偏振稳定性.     

一种金填充高双折射光子晶体光纤偏振滤波器

为了获得具有对称性结构的金填充高双折射光子晶体光纤,采用有限元方法对光纤的纤芯基模、金属表面等离子体激元的色散和损耗特性进行了分析。改变包层晶格节距、纤芯周围气孔直径以及填充金丝直径能够灵活地调节纤芯基模与等离子体激元之间共振响应波长点的位置和耦合强度。通过对光纤结构参量的优化,获得了一种基于通信波段的偏振滤波器。当特定空气孔数值孔径确定后,在1.55m处, x方向基模损耗可以达到473dB/cm,而y方向基模几乎不会受到等离子体激元的干扰。结果表明,与单偏振单模光子晶体光纤相比,新设计的光纤结构可以通过调节金丝直径大小,选择性地滤掉某一偏振方向的光,从而达到在通信波段滤波的效果。该研究对研制基于通信波段的偏振滤波器具有一定的参考意义。     

椭圆芯扁六角聚合物光子晶体光纤的偏振特性

采用全矢量定域基函数模型,以聚合物PMMA为基材,研究了椭圆芯三角点阵扁六角结构光子晶体光纤(Photonic crystal fibers,PCFs)的偏振特性,分析了其相位模双折射和群模双折射与相对孔间隔比的依赖关系,并与椭圆芯三角点阵正六角结构PCFs的研究结论进行比较;研究发现,椭圆芯扁六角结构PCF的偏振特性强烈的依赖于光纤的结构参数,由于色度色散的存在,在短波长段,群双折射远远高于相位模双折射,通过适当调节光纤的相对孔径和相对孔间隔比,有望在给定波长实现高双折射和零偏振模色散单模运行.该研究为高双折射聚合物光子晶体保偏光纤的制备提供了理论依据.     

光子晶体光纤的色散特性分析

采用有效折射率模型分析了光子晶体光纤的色散特性，并给出了无限大空气玻璃微结构中基模的本征方程。分析结果表明光子晶体光纤具有奇异的色散特性，能在极大的波长范围内支持单模传输，在单模工作时可以具有反常波导色散。同时通过调整光子晶体光纤的结构参数(包括空气孔径和孔间距)可以移动零色散点的位置。最后讨论了大空气孔光子晶体光纤的特性及其在色散补偿中的应用。     

椭圆芯光子晶体光纤的偏振特性

采用全矢量模型研究椭圆芯光子晶体光纤(photonic crystal fibers,PCFs)的偏振特性。研究表明：椭网芯PCF基模的两个正交偏振态不再简并,模场具有较强的线偏振特性;模式双折射可达10^-3量级,该数值比传统椭圆保偏光纤至少高一个量级;在比传统椭圆保偏光纤更长的波长处获得零走离点和负走离区。椭圆芯PCF的偏振特性与光纤结构参数有较强的依赖关系,通过适当选择光纤的相对孔径和孔距,有望在给定的波长上实现高双折射和零走离单模运转,或设计出高双折射、大走离的单模光纤,为研制高性能保偏光纤提供了一个新的途径。     

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。     

Analysis and Design of Photonic Crystal Fibers Based on an Improved Effective-Index Method

The modal characteristics of photonic crystal fibers (PCFs), with guiding cores consisting of one or seven missing airholes, are investigated with the finite element method and compared to those of step-index fibers (SIFs). To extend the applicability of the classical SIF theories to PCFs, the effective refractive index of photonic crystal cladding and the effective core radius of a PCF are studied systematically, based on simple physically consistent concepts. With the new effective cladding index and core radius of PCFs, the classical definition of the V parameter for SIFs is extended to PCFs, and a highly efficient approach based on the effective-index method is developed for the design of PCFs. The new design approach has been successfully employed to analyze the modal properties of PCF lasers with depressed-index cores and further tested by using it to effectively estimate the number of guided modes for PCFs with large cores     

Bending Effects on Highly Birefringent Photonic Crystal Fibers With Low Chromatic Dispersion and Low Confinement Losses

Photonic crystal fibers (PCFs) with elliptical air-holes located in the core area that exhibit high birefringence, low losses, enhanced effective mode area, and low chromatic dispersion across a wide wavelength range have been presented. The effects of bending on birefringence, confinement losses and chromatic dispersion of the fundamental mode of the proposed PCFs have been thoroughly investigated by employing the full vectorial finite element method (FEM). Additionally, localization of higher order modes is presented. Also, effects of angular orientation on bending loss have been reported. Significant improvement on key propagation characteristics of the proposed PCFs are demonstrated by carefully altering the desired air hole diameters and their geometries and the hole-to-hole spacing.     

Determining Properties of Fabricated Index-Guiding Photonic Crystal Fibers Using SEM Micrograph and Mode Convergence Algorithm

We develop a method for modeling properties of fabricated (realistic) air-silica photonic crystal fibers (PCFs). Our approach involves extracting the transverse refractive index (RI) profile of the drawn PCF from its scanning electron micrograph on which is operated a precise and fast mode-analysis recipe based on a finite difference (FD) field convergence scheme. From the digitized scaled RI distribution, we evaluate propagation characteristics of guided modes of PCFs, examining modal shapes, birefringence, dispersion, and other relevant properties. Naturally, our true-structure study of PCFs using FD algorithm exhibits results that are more close to measured data, establishing its practicality as compared with idealized-structure modeling. To demonstrate the efficacy of our method, we investigate some application-specific experimentally drawn PCFs, well known for their study in the literature. The key results that fairly predict experimental measurements are presented. Besides modeling fabricated fibers, this analysis will be very useful to realize PCFs with targeted specifications using feedback of estimation and characterization of trial fabrications.     

液晶光子晶体光纤电场传感的模式特性

光子晶体光纤(PCF)的导光特性可通过改变空气孔的结构参数(孔径、间距和排列方式)、材料填充等方法进行调节。由于自身具有电可调性,液晶作为PCF的填充材料具有很大的研究价值,可以用于制作电可调PCF。利用有限元法分析了液晶(E7)填充的光子晶体光纤的基模有效折射率、有效模场面积等参量随占空比、外电场的变化关系,得到了不同占空比下基模的截止电压和一定电压下基模的截止波长。结果表明光子晶体光纤的电压可调范围随占空比增大而增大;占空比一定时,电压越大,波长可调范围越小。这种液晶填充的光子晶体光纤可以应用于电场传感等领域。     

基于谐振耦合现象的三芯光子晶体光纤偏振分束器

设计了一种三芯光子晶体光纤(PCFs)偏振分柬器.利用光纤的谐振现象,实现了偏振状态的分离.当三芯光子晶体光纤中三个超模式的模式折射率满足一定条件时,将产生谐振现象.通过选择合适的光纤结构参数,可使某一偏振方向的光接近谐振条件,而另一偏振方向的光远离谐振条件.在光纤的输出端,由于耦合的程度不同,两个偏振光的功率集中在不同的纤芯区,从而达到分离偏振光的目的.应用有限元法(FEM)计算了三芯光子晶体光纤中的模式折射率,选择了合适的光纤结构参数.应用全矢量光束传播法(BPM)分析了这种光纤偏振分束器的性能.结果表明,在1.55 μm工作波长上,长度为1.039 mm的光纤即能实现偏振状态的隔离,隔离度达到-36.98 dB,隔离度<-11 dB的带宽可达到24 nm.     

Investigation on Brillouin scattering characteristics in photonic crystal fibers

Brillouin scattering characteristics of photonic crystal fibers (PCFs) are investigated theoretically and experimentally in this paper. The results of two kinds of PCFs are compared and discussed, the influences of size of fiber core on the acoustic modes and hence on the Brillouin resonance peaks are explained. Furthermore, the improvement for our research is also presented.     

零模间色散三芯光子晶体光纤

为了研究纤芯掺杂低折射率材料后三芯光子晶体光纤中任意两超模之间的模间色散特性,采用全矢量有限元法进行了仿真,取得了模间色散系数、零模间色散波长随纤芯折射率和结构参量变化的数据。结果表明,通过调节纤芯折射率、纤芯直径、空气孔直径以及孔间距这4个结构参量,可以使任意两超模间的模间色散在两个常用波段1.31m和1.55m处为0。该结果对于消除基于模分复用的光纤不同模式间因为模间色散导致的脉冲失真和实现零模间色散的模分复用技术是有帮助的。     

改进的快速评估实际光子晶体光纤特性的方法

将数字信号处理技术和有限元方法相结合,提出了一种改进的快速评估实际光子晶体光纤特性的方法。针对光纤截面的数字图像中出现空气孔断裂的情况,应用数字化的方法自动检测断裂的空气孔边缘,并采用边缘生长方法自动连接断裂的空气孔,以重建用于光子晶体光纤分析的光纤截面信息。在此基础上,结合有限元方法实现了对实际光子晶体光纤特性的快速评估。结合已有的商用的光子晶体光纤对提出的改进方法进行了验证,结果表明:该方法可以有效、快速评估光子晶体光纤的特性,为一些复杂的难以测量光纤特性的评估提供了一种有效方法。     

基于液体选择填充光子晶体光纤的波分解复用器研究

设计了一种基于液体选择填充三芯光子晶体光纤的1.31/1.55um波分解复用器。中间为缺失一个空气孔的普通二氧化硅纤芯,左右两纤芯填充了不同折射率的液体材料。根据光纤的消逝场耦合的模式理论,不对称相邻波导存在波长相关耦合。不同填充折射率的两纤芯与中间纤芯分别耦合,构成两个不同响应波长的光滤波器。通过选择合适光纤长度,可实现不同波长光的分离。采用全矢量有限元法分析了光纤的传输特性,讨论了填充不同折射率液体时波导间的模式耦合,得到了其匹配波长与耦合长度。基于光束传播法仿真发现,长度为4.88 mm的光纤能实现1.31/1.55 um波长光的解复用。     

A novel approach for calculating the dispersions of photonic crystal fibers

A novel and efficient approach is proposed to calculate the dispersions of the guided modes of the photonic crystal fibers (PCFs). Based on the vector boundary-element method, the surface integral equations for the first and second derivatives of the propagation constants with respect to the wavelength are explicitly derived. Compared with the three-point finite difference approach which needs to solve and search three effective indexes near the interested wavelength, this approach can determine the dispersions of the PCFs by only solving one effective index at this wavelength based on the derived formulations. This novel approach saves over 60% computing time without losing the accuracy.