CN106772780A - 一种具有慢光特性的光子晶体光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有慢光特性的光子晶体光纤，其主体为呈正方形排布的小圆形空气孔，背景材料为As2Se3玻璃，在光子晶体光纤纤芯处的九个小圆形空气孔内被四个大圆形空气孔取代，所有圆形孔内都填充空气。本发明在基于受激布里渊散射效应条件下，实现了较低泵浦功率获得具有较大时间延迟量的慢光传输方法，其将在全光通信、光缓存器、数据同步和光延迟线等方面发挥重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤领域，具体是一种具有慢光特性的光子晶体光纤。
背景技术
减慢光脉冲的传输速度（慢光）被认为是未来光通信系统中的关键技术之一，且在光延迟线、数据同步和光缓存等方面均具有重要的应用前景。基于受激布里渊散射（SBS）的慢光传输是目前慢光领域的一大热点。其优点在于：只要相应改变泵浦波长，布里渊放大可工作于任意波长；布里渊增益可根据泵浦功率大小进行调节，从而改变时间延迟大小，实现可控制时间延迟；布里渊增益效率较高，低的泵浦功率可得到大的信号增益，从而实现大的信号时间延迟。
在光纤中基于受激布里渊散射实现慢光和快光传输的设想最早是由杜克大学的D. J. Gauthier于2004年提出（参考文献D. J. Gauthier. Physics and applicationsof slow light. Duke University, July 27, 2004）。2005年，由瑞士Luc Thevenaz研究小组中的K. Y. Song（参考文献K. Y. Song, M. G. Herraez and L. Thevenaz.Observation of pulse delaying and advancement in optical fibers usingstimulated Brillouin scattering. Opt. Express. 2005, 13）和美国康奈尔大学的Y.Okawachi分别在实验上观察到慢光延迟现象（参考文献Y. Okawachi, M. S. Bigelow, J.E. Sharping, Z. Zhu and A. Schweinsberg. Tunable all-optical delay viaBrillouin slow light in an optical fiber. Phys. Rev. Lett. 2005, 94）。然而，标准的单模光纤非线性系数较小，必须使用较高的泵浦功率或者较长的光纤但这样容易导致其他的非线性效应。采用特种光纤因非线性系数大可以减小光纤长度，从而提高效率。2006年，英国南安普敦大学光电研究中心C. Jauregui等人采用高非线性2m长Bi-HNL光纤，在泵浦功率为400mW时获得了46ns的慢光延迟（参考文献C. Jauregui, H. Ono, P.Petropoulos and D. J. Richardson. Four-fold reduction in the speed of lightat practical power levels using Brillouin scattering in a 2-m bismuth-oxidefiber. in Proc. OFC 2006）。2010年，南开大学现代光学研究所赵军发等人采用70m长的硅基光子晶体光纤作为慢光介质，在泵浦功率为101mW情况下获得了30ns的慢光延迟（参考文献 赵军发,杨秀峰,李元等.光子晶体光纤中受激布里渊散射慢光研究[J]. 光子学报,2010, 30）。2014年，Than Singh Saini等人采用1m长的背景材料为Tellurite的光子晶体光纤作为慢光介质，在泵浦功率为140mW情况下获得了88ns的慢光延迟，但延迟时间还需进一步提高（参考文献T. S. Saini, A. Kumar，and R. K. Sinha. Stimulated Brillouinscattering based tunable slow light in tellurite photonic crystal fiber. inProc. OFC 2014）。2016年，Ravindra Kumar Sinha等人采用1m长的背景材料为As2Se3-Chalcogenide的光子晶体光纤，在100mW的泵浦功率下获得137.4ns的慢光延迟，但延迟时间需要进一步增大并且泵浦功率还需进一步减小（参考文献Ravindra Kumar Sinha,Ajeet Kumar, et al. Analysis and Design of single-mode As2Se3-chalcogenidephotonic crystal fiber for generation of slow light with tunable features[J].IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPTICS, 2016, 21）。
发明内容 本发明的目的是提供一种具有慢光特性的光子晶体光纤，以解决现有技术慢光传输中存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种具有慢光特性的光子晶体光纤，其特征在于：包括As2Se3玻璃制成的背景材料，背景材料中有多个呈正方形排布的小圆形空气孔，背景材料中位于纤芯处设有四个大圆形空气孔，且四个大圆形空气孔的圆心关于光子晶体光纤圆心对称，所述大、小圆形空气孔内分别填充空气，设大圆形空气孔的直径为d1，小圆形空气孔的直径为d2，相邻两个大圆形空气孔间距为Λ1，相邻两个小圆形空气孔间距为Λ2，选择光子晶体光纤的结构参数Λ1=1.6um、d1=1.5 um、Λ2=1 um、d2=1 um时，在泵浦功率为2.8 mW情况下，光子晶体光纤可在入射波长λ=1.56 um处获得251 ns的慢光延迟量。
所述的一种具有优良慢光特性的新型光子晶体光纤，其特征在于：制成背景材料的As2Se3玻璃其折射率为2.808。
所述的一种具有优良慢光特性的新型光子晶体光纤，其特征在于：所有光子晶体光纤的圆形孔都填充折射率为1的空气。
本发明设计了一种具有慢光特性的光子晶体光纤，当Λ1=1.6 um、d1=1.5 um、Λ2=1 um、d2=1 um时，在泵浦功率为2.8 mW情况下，光子晶体光纤在入射波长λ=1.56 um处可获得251 ns的慢光延迟量。其将在未来光通信、光延迟线、数据同步和光缓存等方面发挥重要作用。
附图说明
图1为本发明光子晶体光纤横截面结构示意图。
图2为本发明模场分布图。
图3为本发明在不同d1参数下的有效模面积和相对应的非线性系数。
图4为本发明不同泵浦功率下的慢光延迟量。
具体实施方式
一种具有慢光特性的光子晶体光纤，其主体为多个呈正方形排布的小圆形空气孔，背景材料为As2Se3玻璃，在光子晶体光纤的纤芯处的九个小圆形空气孔内被四个大圆形空气孔取代，且四个大圆形空气孔的圆心关于光子晶体光纤圆心对称。在上述结构中，所有大、小圆形空气孔内都填充空气，设光子晶体光纤的纤芯处大圆形空气孔的直径为d1，四周小圆形空气孔的直径为d2，相邻两个大圆形空气孔间距为Λ1，相邻两个小圆形空气孔间距为Λ2。
本发明可以采用有限元分析方法并结合边界吸收条件，并同时考虑材料吸收损耗和结构限制损耗进行理论计算，得到本发明的模场分布特性、有效模面积，并结合基于受激布里渊的慢光传输理论（参考文献Ravindra Kumar Sinha, Ajeet Kumar, et al.Analysis and Design of single-mode As2Se3-chalcogenide photonic crystal fiberfor generation of slow light with tunable features[J]. IEEE JOURNAL OFSELECTED TOPTICS, 2016, 21）计算，拟合出泵浦功率和延迟时间的曲线。
如图2所示，可以看出本发明模场分布特性。在PCF中，光波的能量集中在纤芯传播，即以基模的形式进行传输，因此基模模场分布是衡量光纤特性的重要标准。图2给出了当入射波长λ=1.56 um，Λ1=1.6 um、d1=1.5 um、Λ2=1.6 um、d2=1 um时的基模模场分布情况。从图中可以看出，模场能量集中在纤芯，满足光纤单模传输的要求。
如3图所示，可以看出本发明有效模面积特性。图3给出了波长λ=1.56 um处，Λ1=1.6 um、Λ2=1 um、d2=1 um时PCF有效模面积Aeff和非线性系数随着纤芯大圆直径d1增加的变化情况。由图3可知，Aeff随着d1的增加而减小，因为非线性系数与有效模面积成反比，所以非线性系数随着d1的增加而增加，并且在d1=1.5 um时取得有效模面积0.49 um2和非线性系数89.8 W-1m-1。
如4图所示，可以看出本发明的慢光延迟特性。图4给出了在入射波长λ=1.56 um,Λ1=1.6 um、d1=1.5 um、Λ2=1 um、d2=1 um结构参数下，泵浦功率和延迟时间的曲线。由图4可知，在受激布里渊散射阈值功率内，慢光时间延迟量随着泵浦功率的增加而线性增加。在此结构参数，受激布里渊散射阈值功率为2.8 mW，在1m的PCF中可以获得最大251 ns的慢光延迟量，斜率k=89.6 ns/mW。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.一种具有慢光特性的光子晶体光纤，其特征在于：包括As2Se3玻璃制成的背景材料，背景材料中有多个呈正方形排布的小圆形空气孔，背景材料中位于纤芯处设有四个大圆形空气孔，且四个大圆形空气孔的圆心关于光子晶体光纤圆心对称，所述大、小圆形空气孔内分别填充空气，设大圆形空气孔的直径为d1，小圆形空气孔的直径为d2，相邻两个大圆形空气孔间距为Λ1，相邻两个小圆形空气孔间距为Λ2，选择光子晶体光纤的结构参数Λ1=1.6um、d1=1.5 um、Λ2=1 um、d2=1 um时，在泵浦功率为2.8 mW情况下，光子晶体光纤可在入射波长λ=1.56 um处获得251 ns的慢光延迟量。
2.根据权利要求1所述的一种具有优良慢光特性的新型光子晶体光纤，其特征在于：制成背景材料的As2Se3玻璃其折射率为2.808。
3.根据权利要求1所述的一种具有优良慢光特性的新型光子晶体光纤，其特征在于：所有光子晶体光纤的圆形孔都填充折射率为1的空气。
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