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低损耗紫外空芯反谐振光纤的设计与研究

光电技术应用 2024年第2期39卷 27-30页

作者：杨旭杨博义刘学胜中国电子科技集团光电研究院天津北京工业大学北京

通过仿真模拟设计了一种低损耗紫外空芯反谐振光纤。首先,基于有限元法,建立了紫外空芯反谐振光纤的理论模型。其次,通过调整光纤反射层和空气填充比例等参数,并采用反谐振效应控制光的传播和反射,进一步优化了光纤的性能和损耗值。最后... 详细信息

通过仿真模拟设计了一种低损耗紫外空芯反谐振光纤。首先,基于有限元法,建立了紫外空芯反谐振光纤的理论模型。其次,通过调整光纤反射层和空气填充比例等参数,并采用反谐振效应控制光的传播和反射,进一步优化了光纤的性能和损耗值。最后,采用有限元法对设计的紫外空芯反谐振光纤进行仿真计算,可得光纤在传输波长为375nm时取得最小传输损耗,为0.00326dB/m,对应的在弯曲半径为5cm时的弯曲损耗为0.00625dB/m,并具有高效率和稳定的模式输出。该研究为开展紫外空芯反谐振光纤的高性能仿真设计提供了重要的参考和指导,并为实际应用提供了更多可能性。

关键词：紫外波段空芯光纤反谐振低损耗

窄带空芯反谐振光纤的制备及其模式转换应用研究

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物理学报 2022年第13期71卷 207-214页

作者：杨家濠张傲岩夏长明邓志鹏刘建涛黄卓元康嘉健曾浩然蒋仁杰莫志峰侯峙云周桂耀华南师范大学信息光电子科技学院广州510006

空芯反谐振光纤由于其优异的光学特性,如低非线性、超低群速度色散、低温度敏感性和高损伤阈值等,使其在大功率激光传输、量子通信、传感、航空航天等多个领域有着潜在的应用,成为未来最具发展潜力的特种光纤.由于空芯反谐振光纤能够将9... 详细信息

空芯反谐振光纤由于其优异的光学特性,如低非线性、超低群速度色散、低温度敏感性和高损伤阈值等,使其在大功率激光传输、量子通信、传感、航空航天等多个领域有着潜在的应用,成为未来最具发展潜力的特种光纤.由于空芯反谐振光纤能够将99.9%以上光场限制在光纤的空芯区域中,这也使其成为光纤滤波器、模式转换等领域的重要光子器件.本文针对980 nm单模激光器的迫切需求,研制了一种应用于980 nm多模激光转980 nm单模激光的空芯反谐振光纤,并对其应用进行了实验验证.

关键词：光纤光学反谐振导光特性模式转换

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新型空芯反谐振光纤的理论研究与性能仿真

新型空芯反谐振光纤的理论研究与性能仿真

作者：郑伟钦广东工业大学

学位级别：硕士

随着全球互联网、物联网等通信需求的不断增长和飞速发展,对光纤通信系统的传输容量提出更大需求。通过采用多维光信号复用和高阶调制等技术可以提高光纤通信系统的传输容量,但传统实心光纤的材料非线性导致容量难以继续增长而出现容量... 详细信息

随着全球互联网、物联网等通信需求的不断增长和飞速发展,对光纤通信系统的传输容量提出更大需求。通过采用多维光信号复用和高阶调制等技术可以提高光纤通信系统的传输容量,但传统实心光纤的材料非线性导致容量难以继续增长而出现容量极限,被称为非线性香农极限。为了克服实心光纤的材料缺陷,以空气作为导光介质的空芯光纤已经被提出和广泛研究。空芯光纤具有低时延、低色散、低非线性、高功率损伤阈值等优点,是可替代传统实心光纤、突破光纤非线性容量极限的潜在理想传输光纤。并且,空芯光纤在许多应用场景中具有广阔的发展前景,例如气体传感、中红外激光器、精密加工等。相较于其他类型的空芯光纤,空芯反谐振光纤具有传输损耗低、工作波段宽、结构简单等独特优势,成为近年来的研究热点。在理论研究方面,现有的低损耗空芯反谐振光纤理论模型仍面临工作带宽窄、光纤结构复杂度高等问题;在单偏振空芯反谐振光纤设计方面,已报道的研究主要以偏振损耗比为主,对于单偏振光纤的低损耗研究较少。针对这些问题,本文提出一种新型的空芯反谐振光纤理论模型,并对光纤性能进行了数值仿真和分析。主要工作如下:1.提出一种U型嵌套结构的空芯反谐振光纤新模型。该光纤的限制损耗相比圆型嵌套空芯反谐振光纤降低约1个数量级,同时具有550 nm的低限制损耗带宽,限制损耗＜0.01 d B/km。通过模式耦合理论分析,该光纤可以实现高阶模式损耗比超过100,000的优异单模性能,即在整个工作波段均可以维持单模传输。2.提出一种低损耗的单偏振空芯反谐振光纤新模型,该光纤在10.8 nm的单偏振工作波段内具有＜1 d B/km的限制损耗,并且在1543.2 nm波长处具有50.3 d B的偏振损耗比和0.44 d B/km的限制损耗,具有低损耗和良好的单偏振单模性能。

关键词：空芯光纤反谐振低损耗大带宽单偏振

基于3D打印技术的太赫兹反谐振空芯波导研究

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基于3D打印技术的太赫兹反谐振空芯波导研究

作者：董哲言江苏大学

学位级别：硕士

太赫兹辐射波段位于电磁波频谱中红外与微波之间,其在光谱中特殊的位置使太赫兹波拥有其他波段电磁波与众不同的特性与众多潜在应用。太赫兹波在传输过程中容易受到空气中极性物质(例如水蒸气)的吸收从而导致高额的损耗,所以开展低损耗... 详细信息

太赫兹辐射波段位于电磁波频谱中红外与微波之间,其在光谱中特殊的位置使太赫兹波拥有其他波段电磁波与众不同的特性与众多潜在应用。太赫兹波在传输过程中容易受到空气中极性物质(例如水蒸气)的吸收从而导致高额的损耗,所以开展低损耗太赫兹波导器件研究,将太赫兹波限制在其中传输,可有效解决太赫兹在自由空间传输时的水汽吸收、传输方向控制困难等问题。太赫兹波导是太赫兹技术中重要的组成部分之一,是太赫兹成像系统、太赫兹探测系统以及太赫兹通讯系统的重要组成器件之一,因此实现高效、定向、低损耗传输的太赫兹波导器件对于太赫兹技术的发展与应用都具有重要意义。基于Bragg结构的空芯波导具有工作带宽大、泄露损耗与吸收损耗低的优点,太赫兹波能被良好的束缚在纤芯中以基模形式低损耗传输,然而其支撑结构对传输特性的影响一直是困扰其应用的重要因素之一。本文着重研究了其支撑方案,开展了低损耗太赫兹波导的研究工作。首先,利用反谐振导光机理确定级联支撑波导参数,采用周期性排布的轴向间断式级联支撑条对相邻介质层进行支撑。采用COMSOL有限元仿真软件对结构进行建模与仿真计算,结果表明其具有接近理想Bragg波导的低损耗传输特性。采用3D打印技术制作了波导样品,通过太赫兹时域光谱系统对所制作的波导进行测试,发现其在0.84-0.87 THz波段,传输损耗低至0.245 d B/m。再次,提出了片状螺旋结构支撑方案,通过沿轴向环绕式旋转的片状结构,对相邻介质层进行支撑。对支撑条的结构形状和参数进行了优化设计,采用3D打印技术制作了有关样品,对样品的形貌特性进行了分析,并使用太赫兹时域光谱系统对波导样品进行实验测试。结果发现:在0.57～0.58THz范围内,其可获得小于0.106 d B/m的超低传输损耗。最后,利用金属材料对太赫兹波的高反射率特性,本文设计了一种金属聚合物混合波导,仿真发现采用铜金属层可以使金属聚合物混合波导表现出优良的传输特性,引入金属层可实现对原始结构的传输损耗的降低。例如,在0.908-0.96THz波段范围的传输损耗仅为0.82 d B/m,且其具有改善波导弯曲性能的特性,在弯曲半径为50 cm时,在0.8～0.9 THz波段可以获得1.2 d B/m以下的较低弯曲损耗。

关键词：太赫兹波导 3D打印支撑结构反谐振传输损耗

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太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器的研究

太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器的研究

作者：刘明云华南理工大学

学位级别：硕士

目前,随着空芯反谐振光纤在太赫兹频段应用的不断扩展,基于空芯反谐振光纤的光学器件受到大量关注。偏振分束器作为一种控制电磁波偏振的重要光纤器件,在光纤传感、光纤通信、光成像等领域有广泛应用。双空芯反谐振光纤利用电磁场在两... 详细信息

目前,随着空芯反谐振光纤在太赫兹频段应用的不断扩展,基于空芯反谐振光纤的光学器件受到大量关注。偏振分束器作为一种控制电磁波偏振的重要光纤器件,在光纤传感、光纤通信、光成像等领域有广泛应用。双空芯反谐振光纤利用电磁场在两个纤芯之间的相互耦合作用,实现对偏振方向相互垂直的两束光的控制,而且其易于与空芯反谐振光纤系统互连,所以近年来研究人员开始研究太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器。但目前在太赫兹频段的双空芯反谐振光纤偏振分束器仍存在结构设计复杂、工作带宽小、消光比低、器件长度长的问题。针对上述问题,本文主要的研究内容如下:1.设计了一种双厚度结构的太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器,深入分析了引入双厚度结构对偏振分束器性能的影响,最终很好地实现了偏振分束的效果。利用基于有限元法的仿真软件对偏振分束器的模式有效折射率、耦合长度、耦合长度比、消光比、工作带宽特性进行了详细的数值研究。仿真结果证明,相比于传统的太赫兹DHC-ARF偏振分束器,该结构在保持低损耗和较短器件长度的同时,耦合长度比更易于达到2。通过优化结构参数,在1 THz中心频率下,获得了311 d B的高消光比,0.1 THz的超大工作带宽,0.12 d B/cm的损耗,26.65 cm的器件长度。该方案为解决太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器中存在的结构设计复杂、消光比低和工作带宽小等问题提供了新的思路。2.为进一步减小器件尺寸,设计了一种结构简单易于实现,且具有超短器件长度的太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器,该种结构在保持耦合长度比易于达到2或者0.5的同时,实现了超短的器件长度,是目前已报道的太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器中器件长度最短的。解决了目前太赫兹双空芯反谐振光纤偏振分束器中存在的结构设计复杂和器件长度过长的问题。并通过仿真工具研究了结构参数对偏振分束器性能的影响,最终在1 THz中心频率下,获得了4.35 cm的超短器件长度,高达299 d B的消光比,0.006 THz的工作带宽,3.92 d B/cm的损耗。

关键词：太赫兹偏振分束器反谐振光纤双空芯

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基于反谐振波导微环的光控波束延时网络设计

光学学报 2019年第2期39卷 231-238页

作者：申芳芳苏鑫鑫杨思成武震林赵明山韩秀友大连理工大学光电工程与仪器科学学院辽宁大连116024

设计了面向Ka频段(30 GHz)相控阵天线的4阵元子阵集成波导光延时网络。该光延时网络采用相位调制方式将射频信号转换至光域,波导微环处于反谐振状态,以实现大带宽、连续可调延时;通过带通滤波仅对一个边带进行延时调控,基于差分平衡探... 详细信息

设计了面向Ka频段(30 GHz)相控阵天线的4阵元子阵集成波导光延时网络。该光延时网络采用相位调制方式将射频信号转换至光域,波导微环处于反谐振状态,以实现大带宽、连续可调延时;通过带通滤波仅对一个边带进行延时调控,基于差分平衡探测器还原出射频信号。优化设计了级联双波导微环的结构参数,使每条路径的延时量在0～24.9 ps范围内连续可调,延时带宽大于4 GHz,实现了最大扫描角为±30°的波束扫描。对光延时网络链路的增益和噪声系数进行了推导分析,评估了整个延时芯片系统在实际应用中的性能。

关键词：集成光学光控波束光延时线波导微环反谐振

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过孔激起反谐振对信号传输的影响

西安电子科技大学学报 2013年第5期40卷 135-140页

作者：初秀琴卢珊秦俊林永嘉西安电子科技大学电路CAD研究所陕西西安710071

针对过孔激起的平面谐振对传输线传输效果有着严重影响这一问题,提出了一种能够准确预测平面过孔对传输效果影响的方法.将过孔与平面谐振紧密结合,补充了平面模式阻抗抑制法所没有讨论的情况,通过引入线性网络阻抗Z参数模型,可以准确判... 详细信息

针对过孔激起的平面谐振对传输线传输效果有着严重影响这一问题,提出了一种能够准确预测平面过孔对传输效果影响的方法.将过孔与平面谐振紧密结合,补充了平面模式阻抗抑制法所没有讨论的情况,通过引入线性网络阻抗Z参数模型,可以准确判断不同位置处,激起相同谐振频率的两过孔传输效果是否优于单一过孔.此外,对多种过孔的传输效果进行了分析.仿真结果表明,当考虑平面谐振对传输效果的影响时,电源地平面间应尽量使用通孔;在多层印刷电路板中的信号线上,当过孔造成信号两次换层时,返回路径仅在离平面边沿最近处改变.

关键词：过孔位置不同种类过孔反谐振 Z参数传输效果

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3μm波段低损耗抗弯曲反谐振空芯光纤设计

激光与光电子学进展 2021年第17期58卷 371-378页

作者：张家强张敏尹金德林海枫闫培光深圳大学物理与光电工程学院深圳市激光工程重点实验室广东深圳518060

为实现低损耗、抗弯曲的中红外激光传输,在3μm波段研究超低损耗空芯嵌套式反谐振无节点光纤,采用有限元法对空芯光纤的结构参数(管厚、包层毛细管外径、纤芯直径和嵌套管外径)进行数值仿真,并在3μm波段实现低至0.52 d B/km的光纤传输... 详细信息

为实现低损耗、抗弯曲的中红外激光传输,在3μm波段研究超低损耗空芯嵌套式反谐振无节点光纤,采用有限元法对空芯光纤的结构参数(管厚、包层毛细管外径、纤芯直径和嵌套管外径)进行数值仿真,并在3μm波段实现低至0.52 d B/km的光纤传输损耗。通过对空芯反谐振光纤和空芯嵌套式反谐振无节点光纤的弯曲损耗及泄漏损耗的对比研究,证明空芯嵌套式反谐振无节点光纤相比于空芯反谐振光纤在宽光谱范围内具有更低的传输损耗(损耗比最高可达22.87 d B)、更好的抗弯曲性能(弯曲半径为6.5 cm的损耗小于0.1 d B/m)。

关键词：光学器件中红外反谐振低损耗抗弯曲空芯光纤

新型空芯反谐振光子晶体光纤的设计与特性研究

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新型空芯反谐振光子晶体光纤的设计与特性研究

作者：熊强燕山大学

学位级别：硕士

空芯光子晶体光纤（Hollow-core Photonic Crystal Fiber,HC-PCF）可以通过空气纤芯进行光传输,相比于传统实芯光纤,它具有低损耗、高损伤阈值和低非线性等独特优势。目前为止,空芯光子带隙光纤（Hollow-core Photonic Bandgap Fiber,HC... 详细信息

空芯光子晶体光纤（Hollow-core Photonic Crystal Fiber,HC-PCF）可以通过空气纤芯进行光传输,相比于传统实芯光纤,它具有低损耗、高损伤阈值和低非线性等独特优势。目前为止,空芯光子带隙光纤（Hollow-core Photonic Bandgap Fiber,HC-PBGF）是能够实现最低损耗光传输的空芯光纤。但是其散射损耗和纤芯模式与玻璃表面模式之间的模式耦合限制了它应用于光纤通信的超低损耗传输。最近,具有独特导光机制的空芯反谐振（Hollow-core antiresonance,HC-AR）光纤成为光纤领域的研究热点,与空芯光子带隙光纤相比,它具有更宽的传输通带、更低的传输损耗、模式纯度高以及高激光阈值损伤等特点,在数据通信、功率输送、非线性光学、弯曲传感以及中红外、紫外（UV）和太赫兹传输领域有着广泛的应用。因此,设计具有低损耗、宽带宽、单模性能良好的HC-AR光纤有着重要的科研应用价值。本论文利用有限元方法对HC-AR光纤的导光机制、特性及应用进行了系统性研究,主要研究内容如下:以简单的单环HC-AR光纤作为研究对象,利用反谐振反射光波导模型分析了HC-AR光纤的低损耗和能带形成的原因。此外,系统地分析了光纤的结构参数（管间隙、管壁厚度、纤芯直径、管个数以及嵌套管层数）对光纤传输特性的影响。通过数值模拟研究了各种HC-AR光纤在通信窗口中的损耗和带宽。设计提出了两种嵌套圆形和椭圆形反谐振管的5管HC-AR光纤,演示了光纤传输损耗和高阶模态如何受到几何结构和反谐振包层管数量的影响;并且对其弯曲损耗性能方面进行了分析。提出了三种在包层管中采用各向异性反谐振管的HC-AR光纤,通过优化谐振管的椭圆率,使得所设计的空芯光纤在通信波长1.55μm具有低损耗和单模传输能力;并与常规负曲率空芯光纤的限制损耗及高阶模式消光比等特性进行了对比。研究了保偏空芯光纤的传输特性,通过对y偏振方向上引入具有不同管壁厚度的嵌套管,分析了嵌套管厚度变化对光纤基模的限制损耗、双折射、偏振消光比的影响,对其制造公差进行了分析,并且与其他设计方案进行了对比。

关键词：光子晶体光纤空芯反谐振单模弯曲损耗保偏