專利名稱：一種同軸層狀喇曼光子晶體光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子晶體光纖，歸屬光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種可以實(shí)現(xiàn)光能量分布為局域放大特性的同軸層狀喇曼雜光子晶體光纖。
背景技術(shù)：
摻鉺光纖放大器(EDFA)實(shí)現(xiàn)光纖中多路光信號(hào)的同時(shí)放大，大大降低了光中繼的成本；因此成功地應(yīng)用于密集波分復(fù)用(DWDM)通信系統(tǒng)，通過(guò)DWDM技術(shù)在一根光纖中傳輸多個(gè)光波長(zhǎng)信號(hào)，由于光纖的非線性光學(xué)效應(yīng)，沿光纖傳輸?shù)母鞑ㄩL(zhǎng)的光功率達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生相互作用，光功率越強(qiáng)，傳輸距離越長(zhǎng)，相互作用越明顯，由于在DWDM通信中，傳輸?shù)男诺蓝?，功率大，光纖中非線性效應(yīng)將成為引起信道間串?dāng)_和源信號(hào)能量損失，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降的主要因素.
近年來(lái)，電磁波在人工周期性介質(zhì)材料光子晶體中的行為越來(lái)越受到人們的重視，在光子晶體中摻雜后，會(huì)在光子能隙中引入新的電磁波局域化模式，通過(guò)摻雜可以控制能隙的位置、寬度以及能隙中摻雜模式的形成，而獲得窄的透過(guò)帶，極低的透過(guò)損耗(插入損耗)的優(yōu)點(diǎn)，而在通過(guò)帶的外部是光子禁帶，光完全不能通過(guò)，兩個(gè)相鄰頻帶之間存在帶隙，由于Bragg反射，頻率位于帶隙中的光子受到抑制，使得光子晶體信道間信號(hào)串?dāng)_必然受到抑制.。
光子晶體光纖(PCF)是一種光子晶體，光子晶體光纖與傳統(tǒng)光纖相比有許多“奇異”特性.無(wú)盡單模特性，在可見光和近紅外波段具有反常色散，高模式雙折射以及高非線性特性等，在光通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
隨著人工光子晶體結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展，有人提出了完全用電介質(zhì)材料組成的光子晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)左手材料(當(dāng)ε和μ都為負(fù)值時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系，稱這種物質(zhì)為左手性介質(zhì)(LHM)或稱負(fù)折射材料)，通過(guò)對(duì)材料折射率的空間分布進(jìn)行周期性調(diào)制，改變其色散關(guān)系，形成能帶結(jié)構(gòu)可以經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，使得在某些波段，群速和相速方向相反，具有左手材料的特點(diǎn)，而且隨著現(xiàn)代微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)展，采用納米金屬線可能研制成光波波段的負(fù)折射人工媒質(zhì)以制造新穎的光子器件.
負(fù)折射率材料能極大地增強(qiáng)光子隧道效應(yīng)，在正負(fù)折射率材料交界面支持光子隧道貫穿模式的表面波，通過(guò)倏逝波的耦合，這些表面波在正負(fù)折射率材料交界面?zhèn)鞑ィ捎诠庾铀淼佬?yīng)，在正折射率介質(zhì)中指數(shù)衰減的倏逝波進(jìn)入負(fù)折射率介質(zhì)后隨即指數(shù)增長(zhǎng)，能流密度在正負(fù)折射率介質(zhì)分界面附近的迅速增大，導(dǎo)致負(fù)折射率介質(zhì)存在時(shí)倏逝波的放大作用，使這些模式的表面波在正負(fù)折射率材料組合的光子晶體光纖具有光增益.
經(jīng)檢索有關(guān)光纖放大器的中國(guó)專利有100多項(xiàng)，如專利號(hào)為02145135.4“低噪聲、高增益、高平坦的長(zhǎng)波段摻鉺光纖放大器”；02136511.3“全波段拉曼光纖放大器”；02136672.1“多稀土摻雜超寬帶光纖放大器”等等，其與本發(fā)明的特征明顯不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，能十分有效地實(shí)現(xiàn)光能量局域放大， 大于1的增益透射帶隙結(jié)構(gòu)，利用這些特性可以設(shè)計(jì)分布式高增益、極低噪聲、寬帶和有利于光集成的新型光子晶體光纖放大器。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種同軸層狀喇曼光子晶體光纖放大器，其為一種同軸層狀結(jié)構(gòu)喇曼光子晶體光纖，其特征在于環(huán)形介質(zhì)層A和介質(zhì)層B以及介質(zhì)層C由軸心沿徑向周期性排列即ABCABC…，纖芯區(qū)為圓孔結(jié)構(gòu)由環(huán)形A層介質(zhì)構(gòu)成，在介質(zhì)層B摻入喇曼激活增益介質(zhì)的光子晶體光纖，其中介質(zhì)層A均勻填充砷化鎵高折射率材料，介質(zhì)層B是在二氧化硅材料中摻入鉺稀土元素和介質(zhì)層C里面填充MgF2為折射率材料，并它們的環(huán)形介質(zhì)層厚度各不相同。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的同軸層狀喇曼光子晶體光纖放大器，當(dāng)在介質(zhì)層B二氧化硅材料摻入稀土元素鉺激活增益聚合物介質(zhì)材料時(shí)，如果把功率大的光輸入到光子晶體光光纖，一部分輸出光的波長(zhǎng)會(huì)變得比輸入時(shí)更長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為喇曼散射現(xiàn)象。這時(shí)輸入光就成為泵浦光，波長(zhǎng)變得更長(zhǎng)的光稱為斯托克斯光(或自發(fā)喇曼散射光)，本發(fā)明用斯托克斯光傳輸信號(hào)，如果同時(shí)輸入與斯托克斯光波長(zhǎng)相同的信號(hào)光，這種波長(zhǎng)變換效應(yīng)由于受激喇曼散射而更加明顯，得到 大于1的增益透射帶隙結(jié)構(gòu)，形成分布式拉曼放大，這意味著當(dāng)光通過(guò)激活增益介質(zhì)時(shí)必定從泵浦光中吸收能量，光不但不被吸收反而得到放大.它使光被高度局域，該同軸層狀喇曼光子晶體光纖結(jié)構(gòu)具有頻譜局域增益，即在某些頻率處的增益遠(yuǎn)大于1，這是場(chǎng)的頻域能量的局域特性，本發(fā)明認(rèn)為這是頻域能量的重新分配的結(jié)果.當(dāng)信號(hào)光和斯托克斯光同處于單模光子晶體光纖中的同一個(gè)傳輸模式；泵浦光和信號(hào)光波長(zhǎng)都處于光纖的喇曼增益譜的有效范圍之內(nèi)。只要泵浦源的波長(zhǎng)適當(dāng)，理論上可得到任意波長(zhǎng)的信號(hào)放大。光子晶體光纖喇曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，使用多個(gè)泵源還可得到比摻鉺光纖放大器(EDFA)寬得多的增益帶寬，因此，光子晶體光纖喇曼放大器可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行在線放大，構(gòu)成分布式放大，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦。
只要喇曼增益足夠大，即使在弱信號(hào)情況下，也能產(chǎn)生斯托克斯光。在DWDM系統(tǒng)中，傳輸容量和復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)的增加，使光纖中傳輸?shù)墓夤β试絹?lái)越大，引起的非線性效應(yīng)也越來(lái)越強(qiáng)，容易產(chǎn)生信道串?dāng)_。采用分布式光子晶體光纖喇曼放大傳輸可大大降低信號(hào)的入射功率，同時(shí)保持適當(dāng)光信號(hào)信噪比。而且放大是沿光纖分布而不是集中作用，光纖中各處的信導(dǎo)光功率都比較小，因光子晶體光纖中各個(gè)信道間存在帶隙，使得光子晶體信道間信號(hào)串?dāng)_必然受到抑制，從而大大降低非線性效應(yīng)尤其是四波混頻(FWM)效應(yīng)的干擾，這使得同軸層狀喇曼光子晶體光纖可以在更低的泵浦功率和更短的光纖長(zhǎng)度下得到和普通光纖相同的增益。此規(guī)律用于密集波分復(fù)用(DWDM)光放大通信系統(tǒng)，可以節(jié)省大量的光放大器。


圖1是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是第一實(shí)施例介質(zhì)層B填充喇曼激活增益介質(zhì)后信號(hào)能量透射率(即歸一化光強(qiáng))隨歸一化頻率的分布示意圖。
圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施例的介質(zhì)層B為空氣介質(zhì)的信號(hào)能量透射率(即歸一化光強(qiáng))隨歸一化頻率分布示意圖。
圖4是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的介質(zhì)層A為負(fù)折射率介質(zhì)的信號(hào)能量透射率(即歸一化光強(qiáng))隨歸一化頻率分布示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，參見圖1～圖3，介質(zhì)層A(1)為砷化鎵介質(zhì)，，厚度為a＝740nm；介質(zhì)層B(2)二氧化硅材料摻入激活增益介質(zhì)稀土元素鉺組成；厚度b＝1260nm.厚度為介質(zhì)層c(3)為MgF2，厚度b＝1000nm。
圖2是第一實(shí)施例介質(zhì)層B填充喇曼激活增益介質(zhì)后信號(hào)能量透射率(即歸一化光強(qiáng))隨歸一化頻率的分布示意圖。其中 λ為工作波長(zhǎng).由示意圖得到 大于1的增益透射帶隙結(jié)構(gòu)，這意味著光子晶體光纖放大器具有頻譜局域增益，即在某些頻率處的增益遠(yuǎn)大于1，這是場(chǎng)的頻域能量的局域特性。
圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施例的介質(zhì)層B為空氣介質(zhì)的信號(hào)能量透射率(即歸一化光強(qiáng))隨歸一化頻率分布示意圖。顯然，圖2示意的介質(zhì)層B填充喇曼激活增益介質(zhì)后信號(hào)能量透射率遠(yuǎn)大于介質(zhì)層B填充空氣介質(zhì)后信號(hào)能量透射率。
實(shí)施例二本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，參見圖4，與例一不同的是，在圖3中介質(zhì)層A為負(fù)折射率介質(zhì)的信號(hào)能量透射率(即歸一化光強(qiáng))隨歸一化頻率分布示意圖，顯然，由示意圖得到 大于1的增益透射帶隙結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種同軸層狀喇曼光子晶體光纖放大器，其為一種同軸層狀結(jié)構(gòu)喇曼光子晶體光纖，其特征在于環(huán)形介質(zhì)層A(1)和介質(zhì)層B(2)以及介質(zhì)層C(3)由軸心沿徑向周期性排列即ABCABC…構(gòu)成同軸層狀喇曼光子晶體光纖放大器，纖芯區(qū)為圓孔結(jié)構(gòu)由環(huán)形介質(zhì)層A(1)構(gòu)成，在介質(zhì)層B(2)摻入喇曼激活增益介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同軸層狀喇曼光子晶體光纖放大器，其特征在于所述喇曼激活增益介質(zhì)是由介質(zhì)層的基質(zhì)材料摻入激活增益介質(zhì)稀土元素鉺組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種同軸層狀喇曼光子晶體光纖放大器，其特征在于介質(zhì)層A均勻填充砷化鎵高折射率材料，介質(zhì)層B是在二氧化硅材料中摻入鉺稀土元素，介質(zhì)層C里面填充MgF2為折射率材料，且它們的環(huán)形介質(zhì)層厚度各不相同。
全文摘要
一種同軸層狀喇曼光子晶體光纖放大器，其為一種同軸層狀結(jié)構(gòu)喇曼光子晶體光纖，其特征在于環(huán)形介質(zhì)層A(1)和介質(zhì)層B(2)以及介質(zhì)層C(3)由軸心沿徑向周期性排列(即ABCABC…)，纖芯區(qū)為圓孔結(jié)構(gòu)由A層介質(zhì)構(gòu)成，在介質(zhì)層B摻入喇曼激活增益介質(zhì)組成同軸層狀喇曼光子晶體光纖放大器，所述的喇曼激活增益介質(zhì)是由介質(zhì)層的基質(zhì)材料摻入激活增益介質(zhì)稀土元素鉺組成；介質(zhì)層A均勻填充砷化鎵高折射率材料，介質(zhì)層B是在二氧化硅材料中摻入鉺稀土元素和介質(zhì)層C里面填充MgF
文檔編號(hào)G02F1/35GK101021664SQ200710020498
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2007年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月13日
發(fā)明者沈廷根, 湯炳書, 李正華, 宋雪樺, 閆述, 方云團(tuán) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)