高度非线性光纤 Highly nonlinear fibers

2022-11-18 09:49:58 浏览:357

定义

光纤表现出相对强的非线性效应。

高度非线性光纤通常是无源光纤,其设计使其表现出相对强的光学非线性 - 通常比标准光纤(例如标准电信单模光纤)强一个数量级,甚至更多。 在某些应用领域需要这种特性,例如非线性脉冲压缩、超连续体生成、参数化光纤器件、拉曼激光器、光纤传感器和电信信号处理。 因此,高度非线性纤维可以从各种商业供应商处作为特种纤维提供,但也在研究实验室中制造。

请注意,光纤中可能发生不同的非线性光学效应:

  • 克尔效应,例如,可以引起自相位调制和交叉相位调制,还可以引起光参量放大
  • 拉曼散射,例如用于拉曼放大器、拉曼激光器和具有拉曼自频移的孤子脉冲的频移
  • 布里渊散射

可以使用不同的品质因数来量化非线性效应的强度,包括有效模面积的影响(见下文):

  • 自相位调制和交叉相位调制可以用参数γ以rad/(W km)(每瓦光功率和光纤公里的弧度相移)为单位进行量化。 (单位 1/(W km) 也很常见,忽略了实际的无量纲弧度。 例如,参数γ也可用于计算参数增益。
  • 对于泵浦和信号之间给定的光频率差(例如最大非线性增益差),拉曼增益或布里渊增益可以用dB/(W m)(每瓦特和米的分贝)来描述。

请注意,非线性指数本身不能衡量非线性效应的强度,因为模态面积也起着重要作用。

原则上,光纤在一个方面可能是高度非线性的,但与其他类型的非线性无关。 然而,这些影响只能通过材料的选择在有限的程度上独立控制(见下文)。 例如,似乎没有表现出强克尔效应的材料,而只有弱拉曼散射。 因此,高度非线性的光纤通常必须在各个方面都是非线性的,并且可能需要采取措施避免某些类型的非线性的不良影响。 在某些情况下,通过使用具有适当色散特性的纤维,可以抑制某些非线性的影响。 例如,可以通过这种方式抑制四波混频和交叉相位调制,因为它受到相位匹配约束。

使用较长长度的光纤当然也会导致更强的非线性效应,但高度非线性的光纤有望在固定长度内表现出强烈的非线性效应,而不仅仅是长。 对于某些应用,可以使用相应较短的这种纤维长度。 这对于实现更紧凑的器件是有利的,如果需要非线性相互作用的某种相位匹配,则尤其重要。

实现高光纤非线性的方法

实现强纤维非线性有两种截然不同的方法,第一种可能看起来最直接,而第二种更常见。 当然,也可以结合使用这两种方法。

玻璃材料的选择

可以用具有高非线性度的玻璃材料制造光纤,例如表示为高非线性指数。 通常,这些是含有较重元素的玻璃,具有较低的玻璃化转变温度(“软玻璃”)和相对较小的带隙能量。 这就进入了中红外光纤领域。 例如,在该光谱区域中使用各种硫族化物纤维,其表现出比普通二氧化硅纤维强得多的非线性。 请注意,熔融石英属于光学非线性度最低的材料。

在许多应用领域,使用高度非线性玻璃不是一个好的选择。

对于较短的光学波长,例如在近红外甚至可见光谱区域,这种高度非线性的玻璃通常不适合或至少不太适合,要么是因为强烈的带隙以上吸收,要么是由于缺陷,对于这种玻璃来说更难避免。 此外,制造成本要高得多,其他常见的缺点(如低鲁棒性)提供了不这样做的额外理由。

但是,也可以使用改性类型的硅酸盐玻璃。 特别是,铅硅酸盐玻璃表现出显著增加的非线性度,但总体上仍然具有良好的性能数据,并且仍然可以用于例如1.5μm电信波段。 此外,可以使用掺杂氧化铝(Al2O2) 而不是日耳曼尼亚 (GeO2),其表现出减少的布里渊散射量。

小模式区域

实现强光纤非线性(特别是对于市售光纤)最常用的方法是为小的有效模面积设计光纤。 在传统的全玻璃光纤领域,这些通常是具有相对高数值孔径的单模光纤,即高折射率对比度。 (不是简单的阶跃折射率光纤设计,而是通常使用具有折射率凹陷(掺氟)包层或围绕芯线的凹陷环(沟槽)的设计。 这可能会产生多种后果:

  • 每米光纤的非线性效应强度通常与模面积成反比,即对于小模面积,非线性效应的强度会相应变大。 像日耳曼尼亚这样的掺杂剂浓度相对较高,也提高了非线性指数,可能提高了 2 倍。
  • 这种纤维通常表现出低弯曲损失,即使它们弯曲得很紧。 因此,它们可以保存在直径相对较小的线轴上。 当需要将长长度的光纤集成到紧凑型设备中时,这可能很有用。

如果使用较短的光纤长度,则更高的传播损耗不是问题。

  • 传播损耗往往明显高于标准光纤,因为纤芯-包层界面的微小不规则对于大折射率对比度更为关键。 这导致有效长度较小。 然而,这种缺点可能会被所需相应较短的纤维长度所抵消。
  • 将这种光纤熔接到具有大模面积的标准光纤是有问题的:模面积不匹配会导致大量的功率损耗。 (来自一根光纤的一些光进入另一根光纤的包层,而不是由光纤芯引导。 可能需要使用额外的模式现场适配器来获得具有低插入损耗的接头。
  • 如果索引曲线仅针对高非线性度进行了优化,则色散可能不适合该应用。 然而,存在高度非线性色散移位和色散扁平纤维,其中色散特性也得到了优化。 例如,在某些感兴趣的波长区域中可能具有接近零的群速度色散(GVD),可能与小色散斜率相结合。 请注意,对于某些应用,沿纤维的分散性能变化小也非常重要,由于纤维制造过程中的波动,这可能难以实现。

使用某些类型的光子晶体光纤可以实现特别小的模态区域,其中光的引导是通过微小的气孔实现的。 通常,由熔融石英制成的核心区域被气孔图案包围。 有时,孔太大,以至于核心仅由细二氧化硅束悬挂;这导致光对核心的强烈限制。 虽然熔融石英的非线性指数相对较低,但实现的非常小的模面积会导致高度非线性行为。 同时,与传统类型的玻璃纤维相比,可以更灵活地定制色散特性。

原则上,如果锥形非常强,引导基本上由外部空气-玻璃界面完成,则锥形光纤也可以使用非常小的模态区域。 这种方法对于商用高度非线性光纤并不常见,但可用于实现相当紧凑的非线性器件。

请注意,相反的方法 - 通过增加模面积来减少非线性效应 - 应用于大模面积光纤。

保偏设计

保偏光纤的原理也可以应用于高度非线性的光纤。 这可能是有利的,例如,当应用一些非线性信号处理时,光的偏振状态对非线性相互作用的强度有显着影响(例如在交叉相位调制中)。 通常,人们会使用包含一些应力元素的纤维设计。

高度非线性光纤的应用

光纤非线性可以在许多应用领域得到利用。 以下各节提供了典型示例。

非线性脉冲压缩的频谱展宽

脉冲压缩的一种常用方法,即大幅缩短光脉冲的持续时间,是首先应用强光谱展宽(即增加光谱带宽),然后应用合适的色度色散类型和量。 光谱展宽是基于自相位调制实现的,可能还有相位匹配的四波混合和受激拉曼散射的额外贡献。

对于光脉冲的低峰值功率,可能需要长长度的光纤。 通过使用高度非线性的光纤,可以使用相应的更短的长度。

超连续体生成

在需要非常强的非线性效应的情况下,光纤的高非线性度是特别理想的。

更戏剧性的光谱展宽称为超连续体生成。 这可以通过飞秒或皮秒域的超短脉冲来实现,从而导致超宽带频率梳,但也可以通过纳秒脉冲,有时甚至是连续波光来实现。 在任何情况下,人们都采用非常强烈的非线性效应(SPM,FWM,拉曼散射等),并且通常,如果使用的光纤是高度非线性的,则通常是有利的。 然而,在整个相关光谱范围内的色散特性也非常重要。 由于发生的非线性和色散过程及其相互作用在不同的操作状态下可能大不相同,因此没有一般的简单规则,哪种色散分布是高效超连续体生成的理想选择。 在许多情况下,基于光子晶体光纤的超连续光纤解决方案将最适合,因为这种类型的光纤设计为在宽光谱范围内获得更小的模面积和合适的色散特性提供了最大的自由度。

请参阅有关应用的超连续体生成的文章。

参数化光纤器件

对于某些光参数振荡器和放大器,χ(3)利用了光纤的非线性。 请注意,非线性相互作用的相位匹配是必不可少的。 如果使用高度非线性的光纤,则所需的光纤长度要短得多,这大大促进了这一点。 这样,设备对温差的敏感性就会降低。

拉曼激光器和放大器

拉曼放大器可用于放大无源光纤中的电信信号(即不使用稀土离子)。 虽然即使在传输光纤中也可以实现拉曼放大,但有时最好实现集总拉曼放大器。 为了减少所需的大量光纤长度,经常使用高度非线性的光纤。

同样,这种光纤可用于拉曼激光器,例如,用于产生适合掺铒光纤放大器的高功率带内泵浦的辐射。

信号处理

借助光纤非线性处理光通信信号的方法多种多样:

  • 波分复用系统中的波长通道转换可以基于四波混合来实现。
  • 光信号再生可以通过利用光学非线性的不同技术来实现。
  • 光开关也基于光学非线性。

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