多芯光子晶體光纖激光器選模實驗研究

王遠++劉強++梁萍

摘 要 采用有限元分析方法對一種18芯摻鐿光子晶體光纖的模場分布進行數(shù)值分析，得到了多個超模的模場分布，并且計算出了相應的衍射場分布。根據(jù)各個超模分布的特點，采用塔爾博特腔結構進行了激光器的選模實驗。實驗結果表明，反相超模被壓制，同相位超模得到了增強，但同時還存在其他超模，需要進一步對模式進行甄別選擇，以實現(xiàn)同相超模的選模。

關鍵詞 光子晶體光纖；超模；塔爾博特腔；同相選模

中圖分類號 TN248 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0017-03

1 研究背景

使用多芯光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）來制作光纖激光器可以在不影響光束質量的前提下增大模場面積，從而有利于提高光纖激光器的輸出功率[1-4]。多芯光子晶體光纖的每個纖芯周期性排列，各自保持單模運轉，所有纖芯模場相互疊加形成穩(wěn)定的模場，被稱為超模。根據(jù)耦合模理論可以知道多芯光子晶體光纖超模的個數(shù)與纖芯數(shù)一致，其中的一個超模因為其各個纖芯的模場相位相同被稱為同相位超模，其他的則被稱為非同相位超模[5]。圖1為一種18芯摻鐿光子晶體光纖，材料介質為純石英，中間位置由空氣孔缺陷形成18個纖芯，纖芯材料為摻鐿的石英?？諝饪组g距Λ為10.1um，占空比為0.4，因而各個纖芯滿足單模傳輸條件[6]。

圖1 18芯光子晶體光纖剖面圖

2 遠場超模計算

對于多芯光子晶體光纖而言，其內(nèi)部的多個纖芯相當于相互臨近的波導，假定18個波導之間發(fā)生模式耦合后，光纖內(nèi)總的電場分布可以用耦合模理論進行分析，根據(jù)耦合模理論[7]可以知道8芯光子晶體光纖的光場分布有18個本征值，分別對應18種超模分布。我們采用有限元分析方法對18芯光子晶體光纖進行模場分析[8]，得到了18種超模的模場分布，如圖2所示。

其中第一個圖為反相超模（即相鄰纖芯中模場相位相差π），最后一個圖為同相超模。18種超模在光纖中交疊形成輸出光束，其近場光場分布如圖3所示。18芯光子晶體光纖存在多個超模，但是同相位超模并沒有被選出，也沒有在超模競爭中占據(jù)大的優(yōu)勢，觀察到的只是各個超模分布的簡單疊加。

圖3 18芯光子晶體光纖近場光場分布圖

根據(jù)菲涅爾衍射公式：

（1）

可以計算出各個超模的遠場分布，如圖4所示為18芯光子晶體光纖部分超模遠場分布。其中表示光纖端面處光場的分布，在這里就是18個超模的分布，為光波長，為自由空間波數(shù)，表示觀察面上光場的分布，在這里就是超模的衍射分布，為觀察面到光纖端面的距離。

3 實驗過程

由18芯光子晶體光纖各超模遠場分布可以清楚的看出，同相超模的遠場分布光束集中，能量主要集中在中心位置，呈類高斯形分布，質量較好，而其他超模的遠場分布光束能量分散，質量較差。如果能在18種超模當中高效率的選擇出同相超模并且抑制其他超模的能量，就可以在提高光束輸出能量的基礎上保證光束有較高的質量。由于18芯光子晶體光纖同相超模的近場分布呈周期性排列，并且其相位處處相等，因而可以使用塔爾博特腔效應[3]進行選模。塔爾博特距離可以由公式（2）計算出來，為正整數(shù)，為光場分布的周期。

（2）

由于多芯光子晶體光纖的纖芯是周期性排列的，所產(chǎn)生的超模分布具有不同的周期，因而根據(jù)公式（2），應具有不同的Talbot距離。在同相位超模模式的二分之一Talbot距離處放置一個平面反射鏡，光場經(jīng)反射后再耦合進光纖行進了ZT距離，形成同相位超模自身的像，此時，同相位模式的耦合損耗最小，其他模場的耦合損耗很大，從而可以利用耦合損耗選擇出此模式。

塔爾博特腔鏡的位置如圖5所示，位于同相超模塔爾博特距離的一半位置。實驗結果如圖6所示。同時，在遠場得到的激光輸出，除了中間的亮斑之外還觀察到了周邊的6個小的較弱光斑，與計算得到的同相位超模的衍射光斑分布一致，都是6個旁瓣圍繞中間主瓣的分布形式。

4 結論

綜合實驗結果和Talbot腔的模擬結果分析可知：超模的相干性增強造成了光子晶體光纖近場光強的分布結果，可以推斷同相位超模被Talbot腔選擇出來，反相超模被壓制。然而我們發(fā)現(xiàn)輸出譜線仍有多個尖峰，說明還存在其他超模，還需要設法進一步對激光輸出模式進行甄別選擇，實現(xiàn)同相超模的選模。

參考文獻

[1]王春燦，張帆，童治，等.改進的高功率19芯光纖激光器的理論分析[J].中國激光，2008，35（1）：61-66.

[2]陳月娥，邵秋峰，王金生.多芯光子晶體光纖的相干組束集成[J].紅外與激光工程，2014，43（5）：1454-1457.

[3]M. Kochanowicz，D. Dorosz，and A. Zajac.Phase-locking of 19-core Yb3+-doped optical fibre[J].Bulletin of The Polish Academy of Sciences：Technical Sciences，2011，59（4）：371-379.

[4]王春燦，張帆，童治，等.多芯光纖激光器中共相位模式功率的提高[J].強激光與粒子束，2007，19（10）：1594-1598.

[5]周樸，侯靜，陳子倫，等.多芯光纖激光器的超模及模式選擇問題研究[J].光學學報，2007，27（10）：1812-1816.

[6]T.A.Birks，J.C.Knight，P.S.J.R.Endlessly single-mode photonic crystal fiber[J].Optics Letters，1997，22（13）：961-963.

[7]nyder，A.W.Coupled-mode theory for optical fibers[J].Journal of The Optical Society of America，1972，62（11）：1267-1277.

[8]李書婷.光子晶體光纖的數(shù)值模擬[D].西安：西北大學，2008：27-37.endprint