在单零色散微结构光纤中一次抽运同时发生两组四波混频的实验观察?
Exp erimental studies of two sets of four-wave mixing pro cesses in a single-zero-disp ersion microstructured fib er by the same pump
采用可以减小纤芯面积的小气孔设计方案巧妙设计并成功拉制了一根高非线性的单零色散微结构光纤.利用有限元法模拟并计算得到了该光纤的基模有效折射率、色散系数和非线性系数等基本属性随波长的变化关系,然后利用四波混频的有效相位失配方程模拟了其相位失配曲线.模拟表明,在该光纤中可以同时发生两组四波混频.在位于微结构光纤的正常色散区的0.800,0.810和0.820μm三个波长处,分别采用不同的功率抽运,在实验上都非常明显地观察到了分列于抽运波长两侧的四个增益波带的产生.经与相位失配曲线比较,发现它们满足相位匹配条件,从而证明了两组四波混频过程的同时发生.实验结果与理论预言符合得很好.发生在正常色散区的四波混频效应的产生可归结于负的四阶色散对相位匹配过程的贡献.本文研究可对微结构光纤的结构设计和基于四波混频的多波长转移技术的发展提供经验与借鉴,同时也对非常见波段激光器和宽带光源的开发具有参考意义.
Abstract：
A highly nonlinear microstructured fiber with single-zero-dispersion wavelength is designed and drawn by reducing the core area in order to observe two groups of four-wave mixing processes by a single pump. The foundational material of the fiber is silica and its cladding is comprised of seven-layer air holes. The air holes are arranged in a hexagonal lattice and the lattice pitch is Λ = 2.5 μm. The radius of each of the air holes is r = 1.03 μm. There is just one zero-dispersion wavelength in our considerable wavelength range for the microstructured fiber and the corresponding wavelength λD is nearly 0.85 μm (λD =0.85 μm). The basic properties of the fiber including effective refractive index, dispersion coe?cient, and nonlinear coe?cient are calculated by the finite element method. The effective mode area is 4.4 μm2 and the nonlinear coe?cient is 0.057 m?1·W?1 for the foundation mode near the wavelength of 0.8 μm, and the nonlinear coe?cient reaches 0.053 m?1·W?1 near the zero dispersion wavelength of 0.85 μm. In short, the optical fiber has a stable and high nonlinear coe?cient in the whole experimental band (0.80–0.83 μm), which provides an important guarantee for the occurrence of four-wave mixing double parameter gain process. In addition, the phase mismatch curve is simulated by using the four-wave mixing phase mismatch formulation. Numerical simulation shows that two sets of four-wave mixing processes can occur in the designed fiber. At the normal dispersion wavelengths of 0.800, 0.810 and 0.820 μm with different powers, the experimental result shows a significant feature of four gain wavebands located at both sides of the pump wavelength. By comparing experimental data with the phase mismatch curve, we find that the band generation meets four-wave mixing phase matching condition, thus, the simultaneous occurrence of two groups of four-wave mixing processes observed in the experiment is explained in theory. The experimental results are consistent well with the theoretical predictions. This also proves the theoretical predictions that two sets of parametric gain processes and two pairs of signal and idle frequency waves can be generated in PCF. The four-wave mixing effect occurring in the normal dispersion region can be attributed to the contribution of negative fourth-order dispersion to the phase matching process. The present work can provide valuable reference to designing the microstructure fibers and developing the multi-wavelength conversion technology based on four-wave mixing effect. At the same time, this work can also supply guidance for developing the uncommon waveband lasers and broadband light sources.
Li Jian-She
Li Shu-Guang
Zhao Yuan-Yuan
Fan Zhen-Kai
Wang Guang-Yao
燕山大学理学院，亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，秦皇岛 066004
& ISTICEISCIPKU
年，卷(期)
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国家自然科学基金，河北省自然科学基金，燕山大学博士基金(
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宽带光源是什么意思
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首先什么是:单点光源. &&一般波长精度小于2nm, &&如1550+/-1nm宽带光源.一般波长精度大于40nm以上.例如1550+/-20nm &&或 &&更宽. &&对于使用.主要看你测试的是什么器件.如果你测试的产品是单波长器件.则需要使用单点光源.如果你测试的宽带器件.特别是WDM器件扫描的时候.则需要使用宽带光源(或可调激光器).
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宽带光源是美国IR公司提供的宽频段、低偏振度的高功率稳定光源。其波段范围非常广阔,可以达到350nm.通过高能发光二极管的高精度控制实现更高的稳定性。当全部波段模块都设置好后(包括O,E,S,C以及L波段),一台光源可用于所有的通信窗口.高速外置调制器可配合锁定放大器,以进行高灵敏度的测量以及数据通信。低偏振度的特性提供了对高PDL或PDλ元件的精确与一致的测量.在医学应用方面,高能与宽带的特性能够增强 &&X线断层摄影术一致性的光学品质.。
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宽带光源是美国IR公司提供的宽频段、低偏振度的高功率稳定光源。其波段范围非常广阔,可以达到350nm.通过高能发光二极管的高精度控制实现更高的稳定性。当全部波段模块都设置好后(包括O,E,S,C以及L波段),一台光源可用于所有的通信窗口.高速外置调制器可配合锁定放大器,以进行高灵敏度的测量以及数据通信。低偏振度的特性提供了对高PDL或PDλ元件的精确与一致的测量.在医学应用方面,高能与宽带的特性能够增强 &&X线断层摄影术一致性的光学品质.。
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一种宽带光源，包括具有多个串联放大介质的光放大器，光放大器在宽波长范围内输出前向和后向放大的自发发射光。与光放大器串联的循环器返回从光放大器后向输出的自发发射光。位于循环器和光放大器之间的第一泵浦装置将泵浦光泵浦到光放大器，而位于光放大器之后的第二泵浦装置将泵浦光泵浦到光放大器。 &&　
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标准SLED（Super &&luminescent &&LED）光源模块是一种工作在超辐射模式的宽光谱范围光源。相比较其它传统的SLED光源(工作于ASE模式下)，在同样的驱动电流条件下输出光谱更宽。SLED输出光的低相干度特性对于减小瑞利（Rayleigh）散射噪声极为有利，结合高输出光功率与宽光谱范围的优点，可以有效地降低探测噪声，提高空间分辨率（对于OCT应用）和提高测量灵敏度（对于光纤传感）。同时为保证光源输出稳定性的严格要求，内部采取全局光反馈控制技术与脉宽调制（PWM）精密温度控制技术，确保极高的输出光功率稳定性与光谱波形稳定性。
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　　宽带光源是一种宽带光源，包括具有多个串联放大介质的光放大器，光放大器在宽波长范围内输出前向和后向放大的自发发射光。与光放大器串联的循环器返回从光放大器后向输出的自发发射光。位于循环器和光放大器之间的第一泵浦装置将泵浦光泵浦到光放大器，而位于光放大器之后的第二泵浦装置将泵浦光泵浦到光放大器。
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宽带光源是什么意思
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首先什么是:单点光源. &&一般波长精度小于2nm, &&如1550+/-1nm宽带光源.一般波长精度大于40nm以上.例如1550+/-20nm &&或 &&更宽. &&对于使用.主要看你测试的是什么器件.如果你测试的产品是单波长器件.则需要使用单点光源.如果你测试的宽带器件.特别是WDM器件扫描的时候.则需要使用宽带光源(或可调激光器).
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超连续谱是指当一束窄线宽的激光泵浦脉冲，入射到光学介质中时，因为光谱展宽和新光谱成份的产生而构成的一个被极大展宽了的宽带光谱。在光谱的展宽过程中，群速度色散和诸如自相位调制、四波混频及受激拉曼散射等非线性效应起到主要作用。作为一种新型的高亮度宽带光源，超连续谱光源因为其广泛的应用前景受到人们的关注。近年来，光纤，尤其是新型微结构光纤，因为其独特的波导性质，成为产生超连续谱的理想介质。通过使用不同基质材料的光纤，调整光纤的结构参数，可以方便地对光纤的色散和非线性效应进行控制，进而获得需要的超连续谱。　　本论文以新...展开
超连续谱是指当一束窄线宽的激光泵浦脉冲，入射到光学介质中时，因为光谱展宽和新光谱成份的产生而构成的一个被极大展宽了的宽带光谱。在光谱的展宽过程中，群速度色散和诸如自相位调制、四波混频及受激拉曼散射等非线性效应起到主要作用。作为一种新型的高亮度宽带光源，超连续谱光源因为其广泛的应用前景受到人们的关注。近年来，光纤，尤其是新型微结构光纤，因为其独特的波导性质，成为产生超连续谱的理想介质。通过使用不同基质材料的光纤，调整光纤的结构参数，可以方便地对光纤的色散和非线性效应进行控制，进而获得需要的超连续谱。　　本论文以新型微结构光纤的设计和制备为立足点，重点研究光纤中的非线性效应和超连续谱的产生。本论文总共包括六章。第一章是绪论，介绍本领域研究进展，第二章介绍光纤中脉冲传输的基本理论，这两章是本论文的基础。第三、四、五章为本论文核心内容。第六章是对论文工作的总结及对下一步工作的展望。　　绪论部分介绍了用于超连续谱产生的特种光纤，综述了各种光纤的特性。概述了超连续谱的理论及实验研究进展。总结了超连续谱的应用。进而提出本文的研究目的和意义。　　第二章介绍光纤中的光脉冲传输。通过麦克斯韦方程组的解说明了光纤中的模式理论等光纤光学的基本原理。介绍了非线性光学现象，主要阐述了在光纤中广泛存在的三阶非线性效应。引入描述光脉冲在光纤中传输演化过程的广义非线性薛定谔方程。通过对其解析解形式的分析，说明超连续谱展宽的机理。介绍了数值求解该方程的分步傅立叶方法。　　第三章通过数值方法，研究了硫系-氟化物复合光纤及其中的超连续谱产生。对于这种新型光纤，分析了其光纤基质玻璃的选择和制备可行性。研究了阶跃折射率复合光纤中的色散情况，将光纤的零色散波长移动到可以和稀土掺杂商用激光器匹配的波段，进行了超连续谱产生的模拟和光谱相干性的讨论。通过对其超连续谱展宽机理的分析，提出使用微结构全固态复合光纤改进其光谱相干性。分析了微结构光纤结构参数变化对光纤色散的影响。数值模拟结果表明，在一段不足1 cm的复合微结构光纤中，当泵浦峰值功率为175 W，泵浦波长为1950 nm时，可以产生波长范围1250nm到2750nm的超连续谱。这段超连续谱具有良好的相干性。通过提高泵浦功率至千瓦量级，可以获得1-5μm的中红外波段超连续谱。　　第四章提出了使用石英-空气孔微结构光纤进行波长转换的理论方案。1.3μm波段的光源具有良好的应用价值，但是其不易通过传统的方式获得。本章首先研究孤子和色散波的理论，在此基础上提出了获得1.3μm附近高效光脉冲的方案。该方案利用成熟的1μm附近Yb激光器作为泵浦光源，通过光纤中的孤子效应和红移色散波的产生，将泵浦能量转移到1.3μm附近的波段。研究了泵浦功率，初始啁啾的不同对于波长转换效率的影响。数值模拟结果表明，该方案能够满足这一特定波长的孤子和红移色散波的相位匹配条件，将76.6％的能量转换到1.24至1.4μm的波长范围。最后，研究了产生的脉冲的相干性，讨论了脉冲压缩的可行性。　　第五章是用于超连续谱产生的特种光纤的制备及性能测试的研究。在第一部分，首先介绍了光纤块体材料的测试，预制棒的制备，光纤的拉制等步骤，其次提出了一种可用于非线性效应研究的新型碲酸盐保偏光纤。在这种光纤中，可以通过简单的结构设计达到10-3量级的双折射度。实际制备了这种微结构光纤，证明了这种设计的可行性。其制备流程和方法类似于传统阶跃折射率光纤的制备，易于在实验室中获得。本章的第二部分提出了一种用于超连续谱产生的全正平坦色散阶跃折射率光纤并对制备了这种光纤。这是一种以石英为包层材料，硅酸盐玻璃为纤芯材料的复合光纤。数值模拟结果表明，该光纤实现了1.3-2μm波段的全正平坦色散。利用不同波长的超快激光泵源对该光纤的超连续谱性能进行了实验研究。结果表明，这种光纤在1μm、1.5μm和1.7μm中心波长的泵浦下，都能够产生宽带的超连续谱。超连续谱的展宽主要是由于自相位调制的作用，得到的光谱平滑，表明该光纤是一种理想的可用于超连续谱产生的非线性介质。　　最后是论文的结论部分。总结了全文结果，指出了本文的创新点，对未来工作进行了展望。收起
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