CN107783348A - 一种利用特殊结构光子晶体光纤实现快光传输的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用特殊结构光子晶体光纤快光脉冲展宽温度传感方法和传感器光子晶体光纤为四层空气孔正六边形排列，中心一个空气孔缺失；布里渊频移随着占空比的增大而减小，在保持泵浦功率为20mw和快光传输长度为10m的条件下，时间提前量随着占空比的增大而增大，脉冲展宽因子与时间提前量变化趋势相反；本发明根据特殊PCF结构对SBS快光传输特性的影响，设计出相应的快光传输***模型。

Description

一种利用特殊结构光子晶体光纤实现快光传输的方法
技术领域
本发明涉及一种光子晶体光纤快光传输方法，尤指利用特殊结构光子晶体光纤的快光传输方法。
背景技术
光在传播时的群速度加快或者减慢的物理现象称为快慢光。近几十年来，随着光信息处理和光通信等技术的发展，将光的群速度进行调控已经成为了光学领域研究的热点。快慢光技术在光信息处理，光传感，以及光通信等领域有着巨大的应用潜力。随着光纤通信***的发展，在光纤中控制光的群速度变得越来越重要。光纤中的可控快慢光技术由于其结构简单，易于实现等特点，更是吸引了更多的关注和研究。光纤中的快慢光技术对于光缓存器件的发展以及全光通信网络的实现具有重大的意义。
在光子晶体光纤(PCF)中基于受激布里渊散射(SBS)实现的快慢光调控技术，其结构简单灵活，室温可工作，可工作在任意波长，与现有通信***易兼容。光子晶体光纤是一种截面具有周期性排列空气孔的结构，能把光束集中在纤芯很小的区域，在SBS过程中增强声光的相互耦合，可实现比普通单模光纤高的非线性，有较高的布里渊增益或吸收，且光子晶体光纤可以通过改变其结构来进行设计，提高其非线性，以便用较短的光子晶体光纤实现较大的时间延迟或提前，获得快慢光。
目前，对快慢光现象的调控主要从色散介质材料和结构两方面开展。材料方面，主要利用材料的吸收共振或增益共振频率范围内群折射率与频率的剧烈变化来调控群速度的快慢，主要的方法有电磁诱导透明(EIT)，相干布居数振荡 (CPO)等。结构方面，利用波导结构的空间调制使波导色散与频率有剧烈变化以调控群速度，如光子晶体和光纤光栅。另外还有与材料和结构都有关的光的非线性来进行光速调控的，如受激散射、参量过程等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用特殊结构光子晶体光纤基于快光传输方法。
为达成上述目的，本发明一种基于掺杂的光子晶体光纤普工实现快光传输的方法，光子晶体光纤为四层空气孔正六边形排列，中心一个空气孔缺失，空气孔节距Λ＝2.3μm，占空比的值分别为0.6、0.7和0.8，；经过调制后的脉冲光经过掺饵光纤放大器(EDFA)进行放大，然后通过一个环形器和光纤光栅将自发辐射噪声滤除，经光纤光栅滤波后由一个光纤耦合器(OC)第1输出端输出千分之一的信号作为参考光，剩余的光通过一个光纤环形器进入布里渊震荡腔。并在PCF中发生受激布里渊散射SBS作用,产生的后向斯托克斯光在震荡腔中传输。腔内的信号光比斯托克斯光高一个布里渊频移，此时信号光满足快光相位匹配条件，斯托克斯光将作为泵浦光传输,信号光将产生脉冲展宽。环形腔下方的光纤耦合器(OC)输出10％的信号光和斯托克斯光,其中将第2输出端输出的信号光与第1输出端输出的信号光进行快光时间提前量、脉冲展宽对比，获得相应快光传输。
采用了上述方案后，布里渊频移随着占空比的增大而减小，在保持泵浦功率为20mw和快光传输长度为10m的条件下，时间提前量随着占空比的增大而增大，脉冲展宽因子与时间提前量变化趋势相反；本发明根据特殊PCF结构对 SBS快光传输特性的影响，设计出相应的快光传输***模型。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2为本发明光子晶体光纤PCT截面示意图；
图3为时间提前量、脉冲展宽因子随占空比的变化关系；
图4为泵浦光功率为20mw，泵浦波长为1550nm、脉宽为220ns的高斯信号脉冲信号光输出波形随着不同占空比的变化图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
图1是本发明利用特殊掺杂光子晶体光纤PCF实现快光传输装置图。DFB 为分布式反馈激光源，输出光经过一个电光调制器(EOM)进行调制,调制的射频信号通过一个信号发生器(FG)提供。经过调制后的脉冲光经过掺饵光纤放大器(EDFA)进行放大。然后通过一个环形器和光纤光栅将自发辐射噪声滤除，经光纤光栅滤波后由一个光纤耦合器(OC)通过1端输出千分之一的信号作为参考光，剩余的光通过一个光纤环形器进入布里渊震荡腔。并在掺杂的PCF中发生 SBS作用。产生的后向斯托克斯光在震荡腔中传输。腔内的信号光比斯托克斯光高一个布里渊频移，此时信号光满足快光相位匹配条件，斯托克斯光将作为泵浦光传输,信号光将产生脉冲展宽。环形腔下方的光纤耦合器(OC)输出10％的信号光和斯托克斯光,其中将2端输出的信号光与1端输出的信号光进行快光时间提前量，脉冲展宽对比，获得相应快光传输。在环形腔中加入偏振控制器(PC) 来调整信号光和斯托克斯光的偏振态，使得信号光能够实现随结构变化明显的快光特性。
图2为PCF的结构图，光子晶体光纤为四层空气孔正六边形排列，中心一个空气孔缺失，d代表空气孔的直径，Λ代表空气孔之间的间距(截距),层数为 4层。选取的光子晶体光纤为折射率引导型。
本发明中，Λ＝2.3μm保持不变，改变空气孔直径d，可调节相应的d/Λ(占空比)，研究中占空比的值分别取过0.6,0.7和0.8。
本发明理论分析：
受激布里渊散射SBS是一种非线性过程，本质为泵浦波和斯托克斯波通过声波进行的非线性相互作用。当一束泵浦光入射进入光纤，通过电致伸缩效应产生声波，而声波会引起光纤密度分布的不均匀，调制介质的折射率，进而产生移动的折射率光栅，折射率光栅通过布拉格衍射来散射泵浦光，产生斯托克斯光。通常散射光都是后向散射的，即产生的斯托克斯光和泵浦光的传播方向相反。一般条件下，受激布里渊散射SBS动力学行为可以用以下耦合波方程来表示：
式中Ep，Es和ρ分别是泵浦波，斯托克斯波和声波的振幅。ng是考虑受激布里渊散射时光纤的群折射率。c是真空中的光速。α是光纤的衰减系数。γe是电致伸缩常数。ωp和Ω是泵浦波和声波的角频率。ΓB是布里渊共振线宽，它和光子寿命TB有关，并且是光子寿命的倒数，ΓB＝1/TB。ΩB是布里渊频移，即入射泵浦光和斯托克斯光的频率差。ε0是真空中的介电常数。
在受激布里渊散射SBS中，强泵浦光经过电致伸缩效应将其能量部分转化为声波场能量。通过移动折射率光栅的散射，散射光产生了频率下移，产生斯托克斯光。当该过程进行到一定程度使声波场足够强时，介质会吸收一部分泵浦光和声波的能量，并散射产生向高频方向移动的反斯托克斯光。泵浦光，斯托克斯光，反斯托克斯光，声波之间的频率关系可以表示为：
ωp＝ωs+ΩB (2)
ωas＝ωp+ΩB (3)
式(2)和(3)中的ωs和ωas分别表示斯托克斯光和反斯托克斯光的角频率。此时，斯托克斯光处在布里渊增益峰的范围，经历正常色散，其群速度小于泵浦光的群速度，并经历放大过程。而反斯托克斯光处在布里渊吸收峰的范围，会经历反常色散，其群速度大于泵浦光的群速度，会经历衰减过程。如果信号光与泵浦光之间的相位匹配条件满足式(2)和(3)，此时信号光作反斯托克斯光，信号光将会被加快，且信号光将经历衰减过程。本发明假设在一个足够强的高斯脉冲信号光沿着光纤-z方向传输，产生的斯托克斯光可以作为沿着+z方向传输的泵浦光，声波和入射信号光的方向是一样的。当信号光的中心频率比斯托克斯光的频率高一个布里渊频移ΩB，理论上将斯托克斯光作为泵浦光分析，此时高斯脉冲信号光经历衰减过程，产生时间提前、脉冲压缩。
假设泵浦光和信号光的偏振方向是相同的。通过求解布里渊耦合波方程，在小信号稳态解的条件下可以得到信号光的时间提前量为：
其中ΔT是信号光在SBS过程中和未发生SBS过程中输出信号光波形峰值的之间的时间差。ω是泵浦光和信号光之间的频率差。G＝g0LeffP是布里渊损耗。g0代表SBS吸收系数(其值等于SBS增益系数)。Leff是光在SBS过程中的有效长度， Leff＝(1-e(αL))/α，L是光纤的长度。α是衰减系数，本发明取α＝0.2dB/km，室温范围工作α近似保持不变。P是泵浦光功率(斯托克斯光功率)。ΓB是布里渊吸收谱的半高全宽，各阶声波模式对应的ΓB近乎相同，为了简化分析，只考虑布里渊吸收谱中的主峰声模。对光纤进行掺杂(掺GeO2)，掺杂浓度与ΓB之间的关系可以表示为：
表示GeO2的掺杂浓度。Aeff是光纤的有效模场面积，可以表示为：
其中E是沿着光纤截面的电场分布。
布里渊吸收谱是一个洛伦兹型谱线，当信号光的中心频率处于吸收谱内时，信号光的传输将被加快。当信号光中心频率处于吸收谱峰值处时，(即信号光与泵浦光的频率差为一个布里渊频移ΩB)，此时信号光获得的时间提前量最大，但同时衰减最大。只考虑快光时间提前量最大的情况，ω＝ΩB。由(4)式可得最大快光时间提前量为：
假设泵浦光和信号光的偏振方向是相同的，通过求解布里渊耦合波方程，在小信号稳态解的条件下，设输入高斯信号光脉冲的半高全宽为τin，在布里渊共振吸收频率处，信号经历布里渊快光过程被压缩，经布里渊压缩过程后信号仍为高斯脉冲，输出高斯脉冲信号的半高全宽为τout，可得到脉冲展宽因子B为
式中，总是小于1，所以脉冲展宽因子总是小于1的，脉冲信号在经历快光过程之后将会被压缩。布里渊吸收谱是一个洛伦兹型谱线，当信号光的中心频率处于吸收谱内时，信号光的传输将被加快。当信号光中心频率处于吸收谱峰值处时，(即信号光与泵浦光的频率差为一个布里渊频移ΩB)，此时信号光衰减最大。
本发明中实验参数：泵浦光功率为20mw(已达到发生SBS过程的最小阈值)，泵浦波长为1550nm，信号光为高斯脉冲信号，脉宽为200ns，信号光传输有效传输距离为10m，且不同温度下对应的布里渊吸收系数不变，各阶声波模式对应的吸收谱的半高全宽近似相同，取布里渊线宽ΓB＝20MHz，通过结构对模场有效面积的影响来计算出不同结构对布里渊快光脉冲提前量、脉冲展宽因子的影响。图3表示时间提前量、脉冲展宽因子随占空比的变化关系，可以看出随着占空比的增大，快光时间提前量增大，因为占空比越大，更多的光束会被限制在纤芯中，增强了SBS过程，但同时脉冲展宽因子B减小，因为快光过程是一个信号光脉冲衰减的过程，当信号光中心频率处于吸收谱峰值处时，(即信号光与泵浦光的频率差为一个布里渊频移ΩB)，信号光经历的时间提前量最大，同时脉冲衰减最剧烈。
图4表示泵浦光功率为20mw，泵浦波长为1550nm、脉宽为220ns的高斯信号脉冲信号光输出波形随着不同占空比的变化图。可以看出，随着占空比的增大，信号光脉冲是被逐渐压缩的，占空比越大，脉冲压缩的越剧烈，时间提前越大。
本发明在保证输入泵浦功率一定的情况下，占空比越大，光脉冲时间提前量越大，布里渊阈值越小，信号脉冲形变越严重。在占空比为0.8，泵浦阈值功率范围可达从0.23mw到468mw，相应的布里渊频移为9.72GHz，快光时间提前量为29.7ns，脉冲展宽因子为0.88。本发明通过优化光子晶体光纤PCF结构参数，获得具有更大快光时间提前量和较低的脉冲形变光子晶体光纤PCFPCF，对于设计合理的光缓存器件和提高快光器件的性能具有指导作用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效形状或结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种利用特殊结构光子晶体光纤实现快光传输的方法，其特征在于：光子晶体光纤为四层空气孔正六边形排列，中心一个空气孔缺失，空气孔节距Λ＝2.3μm，占空比的值分别为0.6、0.7和0.8，经过调制后的脉冲光经过掺饵光纤放大器(EDFA)进行放大然后通过一个环形器和光纤光栅将自发辐射噪声滤除，经光纤光栅滤波后由一个光纤耦合器(OC)第1输出端输出千分之一的信号作为参考光，剩余的光通过一个光纤环形器进入布里渊震荡腔并在PCF中发生受激布里渊散射SBS作用,产生的后向斯托克斯光在震荡腔中传输，腔内的信号光比斯托克斯光高一个布里渊频移，此时信号光满足快光相位匹配条件，斯托克斯光将作为泵浦光传输,信号光将产生脉冲展宽。环形腔下方的光纤耦合器(OC)输出10％的信号光和斯托克斯光,其中将第2输出端输出的信号光与第1输出端输出的信号光进行快光时间提前量、脉冲展宽对比，获得相应快光传输。
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