光子晶體光纖產(chǎn)生慢光的機(jī)理與實(shí)例

王大偉+翟旭華+張博

摘 要：本文介紹了光子晶體光纖作為慢光介質(zhì)應(yīng)用于慢光系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的延遲效率，通過實(shí)驗(yàn)得出高非線性光子晶體光纖的延遲效率是普通單模光纖的13.7倍。該光纖應(yīng)用于SBS慢光系統(tǒng)可以有效短光纖長度和降低對(duì)抽運(yùn)功率的要求。

關(guān)鍵詞：光子晶體；紫外預(yù)電離；光子晶體光纖；受激布里淵散射

【中圖分類號(hào)】TH744.3

1 引言

慢光研究是當(dāng)前光學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。光纖中基于SBS的可控慢光技術(shù)易于同現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)集成，波長可調(diào)，可以工作在通信波段，并且其成本低，具有很大的應(yīng)用前景。要理解慢光，首先要分清光的相速度和群速度，其中相速度是大家所熟知“光速”，也就是 。而在光纖通信中使用的光，是以光脈沖的形式來傳播信息的。而光脈沖的速度是光的群速度而不是光的相速度。

2 基于布里淵散射慢光延遲的基本原理

當(dāng)一束較強(qiáng)的泵浦光（頻率為 ）入射到光纖中，由于電致伸縮效應(yīng)，會(huì)在光纖中產(chǎn)生斯托克斯聲學(xué)聲子。該聲學(xué)聲子對(duì)光纖的折射率 產(chǎn)生周期性調(diào)制而形成光柵，該光柵會(huì)反射入射的泵浦光波，同時(shí)產(chǎn)生散射光波。假設(shè)泵浦波在 處注入，斯托克斯波在 處輸入，如示意圖2.1所示。

由于要保持能量守恒，反射光比入射光具有一個(gè)布里淵頻移的波長差。對(duì)于斯托克斯光，相當(dāng)于光纖對(duì)其具有增益放大的作用。布里淵散射的特點(diǎn)之一為增益帶寬窄，由 Kramers—Kronig關(guān)系，折射率的變化是隨著增益的變化而產(chǎn)生的。由于在窄帶頻率范圍內(nèi)，布里淵增益會(huì)從零變化到極大值，導(dǎo)致在很小的頻域內(nèi)大的折射率的改變。這種折射率相對(duì)于光頻率的大幅變化引起這個(gè)頻域內(nèi)光的群折射率 的大幅變化由群折射率與群速度的關(guān)系可知，這將會(huì)大大降低光脈沖的群速度，這就是光纖中基于布里淵散射慢光延遲的基本原理。 （2.1）

（2.1）式中 是慢光系統(tǒng)中一個(gè)重要的參數(shù)，它表示每單位長度和單位功率下的延遲時(shí)間，用來表征作為慢光介質(zhì)的各種光纖的延遲效率。 為布里淵增益系數(shù)， 為信號(hào)的延遲時(shí)間， 是布里淵增益譜帶寬， 為光纖的有效傳輸長度， 為光纖的有效模場面積， 為常數(shù)，與偏振相關(guān)。具有大布里淵增益系數(shù)的光纖具有大的延遲效率，作為慢光介質(zhì)，可以縮短光纖的長度，降低系統(tǒng)對(duì)抽運(yùn)功率的要求。研究結(jié)果表明高折射率的鉍氧化物、硫族化合物、亞碲酸鹽等高非線性光纖具有大的布里淵增益系數(shù)，用于慢光系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的延遲效率，有效縮短光纖的長度和減少系統(tǒng)對(duì)抽運(yùn)功率的需求。但是這些非硅材質(zhì)的光纖同現(xiàn)有的光通信網(wǎng)絡(luò)存在兼容問題，并且應(yīng)用范圍有限。對(duì)于純硅材質(zhì)的光纖，相對(duì)于具有高折射率的非硅光纖來說， 要小一或兩個(gè)數(shù)量級(jí)，為了得到大的延遲效率，可以采用具有小模場面積（ ）的光子晶體光纖作為慢光介質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，選取一段70 長的高非線性純硅光子晶體光纖作為慢光介質(zhì)，纖芯直徑為2.1 ，包層直徑為128 。1550 波長處，模場直徑為2.8 ，非線性系數(shù)約為11 。該HNL-PCF通過一段中間光纖同標(biāo)準(zhǔn)單模光纖連接，總的熔接損耗小于0.5 。在1510～1620v波長范圍內(nèi)，光纖的傳輸損耗小于9 。實(shí)驗(yàn)測得該70 長的HNL-PCF的布里淵閾值為101 。使用小信號(hào)放大的方法測得該HNL-PCF的布里淵增益譜，1550 處，布里淵頻移為9.749 ，布里淵增益譜帶寬為41 。

實(shí)驗(yàn)中用10 的正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，調(diào)制出半峰全寬為50 的脈沖信號(hào)作為布里淵放大的信號(hào)光，此時(shí) 。

圖3.1表示信號(hào)布里淵增益與抽運(yùn)功率的關(guān)系。當(dāng)抽運(yùn)功率達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，由于自發(fā)布里淵散射的加強(qiáng)，放大器開始飽和，信號(hào)增益開始變得不明顯，且不同功率大小的信號(hào)進(jìn)入飽和時(shí)的抽運(yùn)功率不同，輸入信號(hào)功率越大，放大器越早飽和，小功率的信號(hào)能獲得較大的非飽和的布里淵增益。基于受激布里淵散射的慢光實(shí)驗(yàn)中，選用功率大小為-31 的信號(hào)光進(jìn)行測量。信號(hào)光在抽運(yùn)功率為101 的情況下獲得了33 的非飽和增益。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所使用的高非線性光子晶體光纖的延遲效率是普通單模光纖的13.7倍。該光纖應(yīng)用于SBS慢光系統(tǒng)可以有效短光纖長度和降低對(duì)抽運(yùn)功率的要求，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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