多芯光子晶體光纖激光器選模實驗研究

王遠++劉強++梁萍

摘 要 采用有限元分析方法對一種18芯摻鐿光子晶體光纖的模場分布進行數值分析，得到了多個超模的模場分布，并且計算出了相應的衍射場分布。根據各個超模分布的特點，采用塔爾博特腔結構進行了激光器的選模實驗。實驗結果表明，反相超模被壓制，同相位超模得到了增強，但同時還存在其他超模，需要進一步對模式進行甄別選擇，以實現同相超模的選模。

關鍵詞 光子晶體光纖；超模；塔爾博特腔；同相選模

中圖分類號 TN248 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0017-03

1 研究背景

使用多芯光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）來制作光纖激光器可以在不影響光束質量的前提下增大模場面積，從而有利于提高光纖激光器的輸出功率[1-4]。多芯光子晶體光纖的每個纖芯周期性排列，各自保持單模運轉，所有纖芯模場相互疊加形成穩定的模場，被稱為超模。根據耦合模理論可以知道多芯光子晶體光纖超模的個數與纖芯數一致，其中的一個超模因為其各個纖芯的模場相位相同被稱為同相位超模，其他的則被稱為非同相位超模[5]。圖1為一種18芯摻鐿光子晶體光纖，材料介質為純石英，中間位置由空氣孔缺陷形成18個纖芯，纖芯材料為摻鐿的石英。空氣孔間距Λ為10.1um，占空比為0.4，因而各個纖芯滿足單模傳輸條件[6]。

圖1 18芯光子晶體光纖剖面圖

2 遠場超模計算

對于多芯光子晶體光纖而言，其內部的多個纖芯相當于相互臨近的波導，假定18個波導之間發生模式耦合后，光纖內總的電場分布可以用耦合模理論進行分析，根據耦合模理論[7]可以知道8芯光子晶體光纖的光場分布有18個本征值，分別對應18種超模分布。我們采用有限元分析方法對18芯光子晶體光纖進行模場分析[8]，得到了18種超模的模場分布，如圖2所示。

其中第一個圖為反相超模（即相鄰纖芯中模場相位相差π），最后一個圖為同相超模。18種超模在光纖中交疊形成輸出光束，其近場光場分布如圖3所示。18芯光子晶體光纖存在多個超模，但是同相位超模并沒有被選出，也沒有在超模競爭中占據大的優勢，觀察到的只是各個超模分布的簡單疊加。

圖3 18芯光子晶體光纖近場光場分布圖

根據菲涅爾衍射公式：

（1）

可以計算出各個超模的遠場分布，如圖4所示為18芯光子晶體光纖部分超模遠場分布。其中表示光纖端面處光場的分布，在這里就是18個超模的分布，為光波長，為自由空間波數，表示觀察面上光場的分布，在這里就是超模的衍射分布，為觀察面到光纖端面的距離。

3 實驗過程

由18芯光子晶體光纖各超模遠場分布可以清楚的看出，同相超模的遠場分布光束集中，能量主要集中在中心位置，呈類高斯形分布，質量較好，而其他超模的遠場分布光束能量分散，質量較差。如果能在18種超模當中高效率的選擇出同相超模并且抑制其他超模的能量，就可以在提高光束輸出能量的基礎上保證光束有較高的質量。由于18芯光子晶體光纖同相超模的近場分布呈周期性排列，并且其相位處處相等，因而可以使用塔爾博特腔效應[3]進行選模。塔爾博特距離可以由公式（2）計算出來，為正整數，為光場分布的周期。

（2）

由于多芯光子晶體光纖的纖芯是周期性排列的，所產生的超模分布具有不同的周期，因而根據公式（2），應具有不同的Talbot距離。在同相位超模模式的二分之一Talbot距離處放置一個平面反射鏡，光場經反射后再耦合進光纖行進了ZT距離，形成同相位超模自身的像，此時，同相位模式的耦合損耗最小，其他模場的耦合損耗很大，從而可以利用耦合損耗選擇出此模式。

塔爾博特腔鏡的位置如圖5所示，位于同相超模塔爾博特距離的一半位置。實驗結果如圖6所示。同時，在遠場得到的激光輸出，除了中間的亮斑之外還觀察到了周邊的6個小的較弱光斑，與計算得到的同相位超模的衍射光斑分布一致，都是6個旁瓣圍繞中間主瓣的分布形式。

4 結論

綜合實驗結果和Talbot腔的模擬結果分析可知：超模的相干性增強造成了光子晶體光纖近場光強的分布結果，可以推斷同相位超模被Talbot腔選擇出來，反相超模被壓制。然而我們發現輸出譜線仍有多個尖峰，說明還存在其他超模，還需要設法進一步對激光輸出模式進行甄別選擇，實現同相超模的選模。

參考文獻

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[8]李書婷.光子晶體光纖的數值模擬[D].西安：西北大學，2008：27-37.endprint