一種具有慢光特性的光子晶體光纖的製作方法

2023-05-30 19:30:07 1

本發明涉及光纖領域，具體是一種具有慢光特性的光子晶體光纖。

背景技術：

減慢光脈衝的傳輸速度（慢光）被認為是未來光通信系統中的關鍵技術之一，且在光延遲線、數據同步和光緩存等方面均具有重要的應用前景。基於受激布裡淵散射（SBS）的慢光傳輸是目前慢光領域的一大熱點。其優點在於：只要相應改變泵浦波長，布裡淵放大可工作於任意波長；布裡淵增益可根據泵浦功率大小進行調節，從而改變時間延遲大小，實現可控制時間延遲；布裡淵增益效率較高，低的泵浦功率可得到大的信號增益，從而實現大的信號時間延遲。

在光纖中基於受激布裡淵散射實現慢光和快光傳輸的設想最早是由杜克大學的D. J. Gauthier於2004年提出（參考文獻D. J. Gauthier. Physics and applications of slow light. Duke University, July 27, 2004）。2005年，由瑞士Luc Thevenaz研究小組中的K. Y. Song（參考文獻K. Y. Song, M. G. Herraez and L. Thevenaz. Observation of pulse delaying and advancement in optical fibers using stimulated Brillouin scattering. Opt. Express. 2005, 13）和美國康奈爾大學的Y. Okawachi分別在實驗上觀察到慢光延遲現象（參考文獻Y. Okawachi, M. S. Bigelow, J. E. Sharping, Z. Zhu and A. Schweinsberg. Tunable all-optical delay via Brillouin slow light in an optical fiber. Phys. Rev. Lett. 2005, 94）。然而，標準的單模光纖非線性係數較小，必須使用較高的泵浦功率或者較長的光纖但這樣容易導致其他的非線性效應。採用特種光纖因非線性係數大可以減小光纖長度，從而提高效率。2006年，英國南安普敦大學光電研究中心C. Jauregui等人採用高非線性2m長Bi-HNL光纖，在泵浦功率為400mW時獲得了46ns的慢光延遲（參考文獻C. Jauregui, H. Ono, P. Petropoulos and D. J. Richardson. Four-fold reduction in the speed of light at practical power levels using Brillouin scattering in a 2-m bismuth-oxide fiber. in Proc. OFC 2006）。2010年，南開大學現代光學研究所趙軍發等人採用70m長的矽基光子晶體光纖作為慢光介質，在泵浦功率為101mW情況下獲得了30ns的慢光延遲（參考文獻 趙軍發,楊秀峰,李元等.光子晶體光纖中受激布裡淵散射慢光研究[J]. 光子學報, 2010, 30）。2014年，Than Singh Saini等人採用1m長的背景材料為Tellurite的光子晶體光纖作為慢光介質，在泵浦功率為140mW情況下獲得了88ns的慢光延遲，但延遲時間還需進一步提高（參考文獻T. S. Saini, A. Kumar，and R. K. Sinha. Stimulated Brillouin scattering based tunable slow light in tellurite photonic crystal fiber. in Proc. OFC 2014）。2016年，Ravindra Kumar Sinha等人採用1m長的背景材料為As2Se3-Chalcogenide的光子晶體光纖，在100mW的泵浦功率下獲得137.4ns的慢光延遲，但延遲時間需要進一步增大並且泵浦功率還需進一步減小（參考文獻Ravindra Kumar Sinha, Ajeet Kumar, et al. Analysis and Design of single-mode As2Se3-chalcogenide photonic crystal fiber for generation of slow light with tunable features[J]. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPTICS, 2016, 21）。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種具有慢光特性的光子晶體光纖，以解決現有技術慢光傳輸中存在的問題。

為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為：

一種具有慢光特性的光子晶體光纖，其特徵在於：包括As2Se3玻璃製成的背景材料，背景材料中有多個呈正方形排布的小圓形空氣孔，背景材料中位於纖芯處設有四個大圓形空氣孔，且四個大圓形空氣孔的圓心關於光子晶體光纖圓心對稱，所述大、小圓形空氣孔內分別填充空氣，設大圓形空氣孔的直徑為d1，小圓形空氣孔的直徑為d2，相鄰兩個大圓形空氣孔間距為Λ1，相鄰兩個小圓形空氣孔間距為Λ2，選擇光子晶體光纖的結構參數Λ1=1.6 um、d1=1.5 um、Λ2=1 um、d2=1 um時，在泵浦功率為2.8 mW情況下，光子晶體光纖可在入射波長λ=1.56 um處獲得251 ns的慢光延遲量。

所述的一種具有優良慢光特性的新型光子晶體光纖，其特徵在於：製成背景材料的As2Se3玻璃其折射率為2.808。

所述的一種具有優良慢光特性的新型光子晶體光纖，其特徵在於：所有光子晶體光纖的圓形孔都填充折射率為1的空氣。

本發明設計了一種具有慢光特性的光子晶體光纖，當Λ1=1.6 um、d1=1.5 um、Λ2=1 um、d2=1 um時，在泵浦功率為2.8 mW情況下，光子晶體光纖在入射波長λ=1.56 um處可獲得251 ns的慢光延遲量。其將在未來光通信、光延遲線、數據同步和光緩存等方面發揮重要作用。

附圖說明

圖1為本發明光子晶體光纖橫截面結構示意圖。

圖2為本發明模場分布圖。

圖3為本發明在不同d1參數下的有效模面積和相對應的非線性係數。

圖4為本發明不同泵浦功率下的慢光延遲量。

具體實施方式

一種具有慢光特性的光子晶體光纖，其主體為多個呈正方形排布的小圓形空氣孔，背景材料為As2Se3玻璃，在光子晶體光纖的纖芯處的九個小圓形空氣孔內被四個大圓形空氣孔取代，且四個大圓形空氣孔的圓心關於光子晶體光纖圓心對稱。在上述結構中，所有大、小圓形空氣孔內都填充空氣，設光子晶體光纖的纖芯處大圓形空氣孔的直徑為d1，四周小圓形空氣孔的直徑為d2，相鄰兩個大圓形空氣孔間距為Λ1，相鄰兩個小圓形空氣孔間距為Λ2。

本發明可以採用有限元分析方法並結合邊界吸收條件，並同時考慮材料吸收損耗和結構限制損耗進行理論計算，得到本發明的模場分布特性、有效模面積，並結合基於受激布裡淵的慢光傳輸理論（參考文獻Ravindra Kumar Sinha, Ajeet Kumar, et al. Analysis and Design of single-mode As2Se3-chalcogenide photonic crystal fiber for generation of slow light with tunable features[J]. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPTICS, 2016, 21）計算，擬合出泵浦功率和延遲時間的曲線。

如圖2所示，可以看出本發明模場分布特性。在PCF中，光波的能量集中在纖芯傳播，即以基模的形式進行傳輸，因此基模模場分布是衡量光纖特性的重要標準。圖2給出了當入射波長λ=1.56 um，Λ1=1.6 um、d1=1.5 um、Λ2=1.6 um、d2=1 um時的基模模場分布情況。從圖中可以看出，模場能量集中在纖芯，滿足光纖單模傳輸的要求。

如3圖所示，可以看出本發明有效模面積特性。圖3給出了波長λ=1.56 um處，Λ1=1.6 um、Λ2=1 um、d2=1 um時PCF有效模面積Aeff和非線性係數隨著纖芯大圓直徑d1增加的變化情況。由圖3可知，Aeff隨著d1的增加而減小，因為非線性係數與有效模面積成反比，所以非線性係數隨著d1的增加而增加，並且在d1=1.5 um時取得有效模面積0.49 um2和非線性係數89.8 W-1m-1。

如4圖所示，可以看出本發明的慢光延遲特性。圖4給出了在入射波長λ=1.56 um, Λ1=1.6 um、d1=1.5 um、Λ2=1 um、d2=1 um結構參數下，泵浦功率和延遲時間的曲線。由圖4可知，在受激布裡淵散射閾值功率內，慢光時間延遲量隨著泵浦功率的增加而線性增加。在此結構參數，受激布裡淵散射閾值功率為2.8 mW，在1m的PCF中可以獲得最大251 ns的慢光延遲量，斜率k=89.6 ns/mW。

以上所述僅為本發明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案採取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。