光子晶体光纤产生慢光的机理与实例

王大伟+翟旭华+张博

摘 要：本文介绍了光子晶体光纤作为慢光介质应用于慢光系统可以提高系统的延迟效率，通过实验得出高非线性光子晶体光纤的延迟效率是普通单模光纤的13.7倍。该光纤应用于SBS慢光系统可以有效短光纤长度和降低对抽运功率的要求。

关键词：光子晶体；紫外预电离；光子晶体光纤；受激布里渊散射

【中图分类号】TH744.3

1 引言

慢光研究是当前光学领域的热点。光纤中基于SBS的可控慢光技术易于同现有光通信网络集成，波长可调，可以工作在通信波段，并且其成本低，具有很大的应用前景。要理解慢光，首先要分清光的相速度和群速度，其中相速度是大家所熟知“光速”，也就是 。而在光纤通信中使用的光，是以光脉冲的形式来传播信息的。而光脉冲的速度是光的群速度而不是光的相速度。

2 基于布里渊散射慢光延迟的基本原理

当一束较强的泵浦光（频率为 ）入射到光纤中，由于电致伸缩效应，会在光纤中产生斯托克斯声学声子。该声学声子对光纤的折射率 产生周期性调制而形成光栅，该光栅会反射入射的泵浦光波，同时产生散射光波。假设泵浦波在 处注入，斯托克斯波在 处输入，如示意图2.1所示。

由于要保持能量守恒，反射光比入射光具有一个布里渊频移的波长差。对于斯托克斯光，相当于光纤对其具有增益放大的作用。布里渊散射的特点之一为增益带宽窄，由 Kramers—Kronig关系，折射率的变化是随着增益的变化而产生的。由于在窄带频率范围内，布里渊增益会从零变化到极大值，导致在很小的频域内大的折射率的改变。这种折射率相对于光频率的大幅变化引起这个频域内光的群折射率 的大幅变化由群折射率与群速度的关系可知，这将会大大降低光脉冲的群速度，这就是光纤中基于布里渊散射慢光延迟的基本原理。 （2.1）

（2.1）式中 是慢光系统中一个重要的参数，它表示每单位长度和单位功率下的延迟时间，用来表征作为慢光介质的各种光纤的延迟效率。 为布里渊增益系数， 为信号的延迟时间， 是布里渊增益谱带宽， 为光纤的有效传输长度， 为光纤的有效模场面积， 为常数，与偏振相关。具有大布里渊增益系数的光纤具有大的延迟效率，作为慢光介质，可以缩短光纤的长度，降低系统对抽运功率的要求。研究结果表明高折射率的铋氧化物、硫族化合物、亚碲酸盐等高非线性光纤具有大的布里渊增益系数，用于慢光系统可以提高系统的延迟效率，有效缩短光纤的长度和减少系统对抽运功率的需求。但是这些非硅材质的光纤同现有的光通信网络存在兼容问题，并且应用范围有限。对于纯硅材质的光纤，相对于具有高折射率的非硅光纤来说， 要小一或两个数量级，为了得到大的延迟效率，可以采用具有小模场面积（ ）的光子晶体光纤作为慢光介质。

3 实验结果

在实验中，选取一段70 长的高非线性纯硅光子晶体光纤作为慢光介质，纤芯直径为2.1 ，包层直径为128 。1550 波长处，模场直径为2.8 ，非线性系数约为11 。该HNL-PCF通过一段中间光纤同标准单模光纤连接，总的熔接损耗小于0.5 。在1510～1620v波长范围内，光纤的传输损耗小于9 。实验测得该70 长的HNL-PCF的布里渊阈值为101 。使用小信号放大的方法测得该HNL-PCF的布里渊增益谱，1550 处，布里渊频移为9.749 ，布里渊增益谱带宽为41 。

实验中用10 的正弦信号作为调制信号，调制出半峰全宽为50 的脉冲信号作为布里渊放大的信号光，此时 。

图3.1表示信号布里渊增益与抽运功率的关系。当抽运功率达到某一点时，由于自发布里渊散射的加强，放大器开始飽和，信号增益开始变得不明显，且不同功率大小的信号进入饱和时的抽运功率不同，输入信号功率越大，放大器越早饱和，小功率的信号能获得较大的非饱和的布里渊增益。基于受激布里渊散射的慢光实验中，选用功率大小为-31 的信号光进行测量。信号光在抽运功率为101 的情况下获得了33 的非饱和增益。

4 结论

实验结果表明，本文所使用的高非线性光子晶体光纤的延迟效率是普通单模光纤的13.7倍。该光纤应用于SBS慢光系统可以有效短光纤长度和降低对抽运功率的要求，具有潜在的应用价值。

参考文献：

[1] 梁建.新型光子晶体光纤及光子晶体慢光波导的研究与设计[D].青岛： 青岛大学硕士论文. 2012，1-14

[2] 薛乐梅.光纤中布里渊散射慢光的形成机理[D].兰州：兰州理工大学硕士论文. 2012，1-34

[3] 侯尚林等.光子晶体光纤中基于SBS实现慢光的数值模拟[J].兰州理工大学学报.2012，38（3）：89-93

[4] 张保侠.光子晶体光纤布拉格光栅慢光的研究[D].兰州：兰州理工大学硕士论文. 2012，1-32endprint