一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器。提出了一种理论推导方法，得到了在受激布里渊放大作用下，轨道角动量模式的布里渊增益谱；设计了一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器，其由呈环形分布的圆形空气孔层和一个圆环构成，圆环外有五层圆形空气孔呈环状分布，圆环内有两层圆形空气孔按正六边形排列，所有的圆形空气孔层与圆环都具有相同的圆心。应用本发明专利技术的光子晶体光纤放大器能够稳定、准确的对轨道角动量模式进行同步放大和长距离传输，为轨道角动量模式激光系统的设计提供了一种可能。供了一种可能。供了一种可能。

【技术实现步骤摘要】
一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器


[0001]本专利技术涉及光纤
，具体涉及一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器。

技术介绍

[0002]高纯度轨道角动量模式的产生、放大和传输都是实现其应用于提高系统频谱效率、提高光通信等方面的基础，科研人员已经提出了多种产生轨道角动量(OrbitalAngularMomentum，OAM)光束的方法。而OAM光束的纯度、透射谱和放大等特性引起了研究者的兴趣，他们认为OAM光束比线偏振模式更适合作为信息载体，为了满足长距离光通信的应用需求，如何实现不同轨道角动量模式的同步放大是必须面临的问题。现有的可用于OAM模式放大技术方案有两种，一种是直接利用稀土掺杂增益介质对所需的轨道角动量模式进行放大；另一种是基于光参量放大效应对所需的轨道角动量模式进行放大。与传统直接利用稀土离子的能级跃迁实现光放大不同，光参量放大过程中不存在实际的能级，其增益源于非线性介质中光场之间的相互作用，这一本质区别使得光参量放大具有波段灵活性大、调谐范围宽、无自发辐射放大等诸多优点。布里渊非线性效应是一种典型的三阶光学非线性效应，基于布里渊非线性效应的放大过程需要满足严格的相位匹配条件，因此可以应用于高纯度低噪声的轨道角动量光束放大。
[0003]现有的OAM放大器中包括利用受激布里渊放大介质池实现的类型、掺铒光纤放大器、掺铥光子晶体光纤放大器、掺镨光纤放大器。这些工作显著提升了光纤通信系统的容量和传输距离，但是单一的受激布里渊放大机制或光子晶体光纤未能充分结合利用以实现OAM模式放大，基于受激布里渊放大实现OAM模式放大的光子晶体光纤放大器在实现大容量和长距离的光纤通信系统方面是一个极具潜力的方式，将极大程度的改善光纤通信系统的传输特性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器，以解决现有技术中OAM放大器存在的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]步骤一：设计了一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器，所述光子晶体光纤放大器的横截面包括包层和纤芯。其特征在于：该光子晶体光纤放大器由呈环形分布的圆形空气孔层和一个圆环构成，圆环外有五层圆形空气孔呈环状分布，圆环内有两层圆形空气孔按正六边形排列，所有的圆形空气孔层与圆环都具有相同的圆心。
[0007]进一步地，所述光纤的基底材料为Schott SF2，圆环中填充硫系玻璃As2Se3。
[0008]步骤二：携带轨道角动量的泵浦光(拓扑荷数为l1)和信号光(拓扑荷数为l2)通过
激发的声波场进行非线性相互作用则形成受激布里渊效应，激发的声波场携带的轨道角动量的拓扑荷数为l3(l3＝l1‑
l2)。此时，在光纤受到电致伸缩效应时，对稳态条件下的光纤材料密度遵循的声波波动方程进行时空变化、慢变振幅近似，可得到携带轨道角动量的泵浦光和信号光在光纤中发生受激布里渊散射时光纤材料密度满足的洛伦兹分布的布里渊散射谱为：
[0009]其中，Ω为声波频率，q为声波波矢，υ＝Ω/q是声波速度，Γ
′
表示声波的消逝系数，r为纤芯半径。最大布里渊增益系数g0为：其中，n
eff
为有效折射率，γ
e
是光纤的电致伸缩常数，c为真空中的光速，λ为入射光的波长，ρ为光纤材料密度。泵浦光与信号光在光纤中产生受激布里渊效应并使携带轨道角动量的信号光被受激布里渊放大，在受激布里渊散射效应的作用下，轨道角动量模式所携带的拓扑荷数会对其布里渊增益谱产生一定的影响。
[0010]步骤三：对步骤一中的光子晶体光纤放大器传输的轨道角动量模式的电磁场进行分析，可得光纤所传输的不同拓扑荷数的OAM模式的有效折射率以及电磁场分布；对其声波场进行分析，可得相应不同拓扑荷数的OAM模式的声波速度。将求得的有效折射率和声波速度代入步骤二中的式(1)，可得各OAM模式的最大布里渊增益系数以及布里渊散射谱。
[0011]本专利技术设计了一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器，与现有技术相比，本专利技术的优点及有益效果在于：
[0012]在1530nm
‑
1565nm波长范围内可支持多达66个OAM模式，更适合大容量光纤通信系统。
[0013]实现了高模式纯度，在1530nm
‑
1565nm波长范围内其传输的轨道角动量模式的纯度均高于99.4％，保证了光通信系统中模式的稳定存在、信号更好的编码和复用以及准确传输。
[0014]实现了高信号增益，在波长为1550nm、泵浦脉宽为10ns、光纤有效长度为0.4m、泵浦光能量在10
‑6J
‑
10
‑3J范围内光纤中OAM模式的信号增益高达1697.5dB。
附图说明
[0015]图1为具体实施例中可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器横截面示意图。图中：1
‑
基底材料，2
‑
圆环材料，3
‑
圆环外最外层空气孔，4
‑
圆环外次外层空气孔，5
‑
圆环外第三层空气孔；6
‑
圆环外第四层空气孔，7
‑
圆环外第五层空气孔，8
‑
圆环内最外层空气孔，9
‑
圆环内最内层空气孔；d1‑
圆环外最外层空气孔的直径，d2‑
圆环外次外层空气孔的直径，d3‑
圆环外第三层空气孔的直径，d4‑
圆环外第四层空气孔的直径，d5‑
圆环外第五层空气孔的直径，d6‑
圆环内最外层空气孔的直径，d7‑
圆环内最内层空气孔的直径，a
‑
圆环厚度，r
‑
纤芯半径。
[0016]图2为具体实施例中可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器所支持的OAM模式中相邻矢量模有效折射率的差随波长的变化关系图。
[0017]图3为具体实施例中可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器所支持的不同拓扑荷数的OAM模式的纯度随波长的变化关系图。
[0018]图4为具体实施例中可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器所支持的不同拓扑荷数的OAM模式的限制性损耗随波长的变化关系图。
[0019]图5a
‑
图5d分别为具体实施例中可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器在波长分别为1530nm、1540nm、1550nm、1560nm时不同拓扑荷数的OAM模式的布里渊散射谱。
[0020]图6为具体实施例中可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器所支持的OAM模式的最大布里渊增益系数在不同波长下随拓扑荷数的变化关系图。
[0021]图7为具体实施例中波长为1550nm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器，将受激布里渊放大与光子晶体光纤相结合，可实现多种轨道角动量模式的同步放大与长距离传输，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：设计了一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器，其特征在于：该光子晶体光纤放大器由呈环形分布的圆形空气孔层和一个圆环构成，圆环外有五层圆形空气孔呈环状分布，圆环内有两层圆形空气孔按正六边形排列，所有的圆形空气孔层与圆环都具有相同的圆心；步骤二：携带轨道角动量的泵浦光(拓扑荷数为l1)和信号光(拓扑荷数为l2)通过激发的声波场进行非线性相互作用则形成受激布里渊效应，激发的声波场携带的轨道角动量的拓扑荷数为l3(l3＝l1‑
l2)。此时，在光纤受到电致伸缩效应时，对稳态条件下的光纤材料密度遵循的声波波动方程进行时空变化、慢变振幅近似，可得到携带轨道角动量的泵浦光和信号光在光纤中发生受激布里渊放大时光纤材料密度满足的洛伦兹分布的布里渊散射谱为：其中，Ω为声波频率，q为声波波矢，υ＝Ω/q是声波速度，Γ
′
表示声波的消逝系数，r为纤芯半径，最大布里渊增益系数(g0)为：其中，n
eff
为有效折射率，γ
e
是光纤的电致伸缩常数，c为真空中的光速，λ为入射光的波长，ρ为光纤材料密度；步骤三：对步骤一中的光子晶体光纤放大器传输的轨道角动量模式的电磁场进行分析，可得光纤所传输的不同拓扑荷数的OAM模式的有效折射率以及电磁场分布；对其声波场进行分析，可得相应不同拓扑荷数的OAM模式的声波速度。将求得的有效折射率和声波速度代入步骤二中的式(1)，可得各OAM模式的最大布里渊增益系数以及布里渊散射谱。2.按照权利要求1所述的一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器，其特征在于：所述步骤一中每一层的圆形空气孔具有相同的直径。3.按照权利要求1所述的一种可用于轨道角动量的受激布里渊放大的光子晶体光纤放大器，其特征在于：所述步骤一中圆环外最外层圆形空气孔的直径与圆环内最外层圆形空气孔的直径相同，圆环外最内层圆形空气孔的直径与圆环内最内层圆形空气孔的直...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丽娟，赵海英，徐志钮，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：