多芯光子晶体光纤优化掺杂分布实现同相位超模输出

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．1(2014)014204多芯光子晶体光纤优化掺杂分布实现同相位超模输出木黄莉莉)方晓惠2)崔元玲)胡明列)十王清月)1)(天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术科学教育部重点实验室，天津300072)2)(北京工业大学应用数理学院，北京100124)(2013年7月31日收到；2013年9月3日收到修改稿)本文基于多横模运转的传输速率方程，建立了多芯光子晶体光纤放大器的数值模型．利用分步傅里叶方法，分析了掺杂浓度分布、耦合强度、抽运功率对于放大器各模式输出功率的影响．通过对多芯光子晶体光纤掺杂浓度的阶梯设计和纤芯间耦合强

2、度的优化，实现了无需插入其他外加元件，利用光纤本身特性就可以实现选定同相位超模的方法，并且数值计算表明高抽运功率也能够提高放大器输出同相位超模的比例，进一步优化了多芯光子晶体光纤放大器输出脉冲的光束质量．关键词：多芯光子晶体光纤，同相位超模，模式选定，多横模竞争PACS：42．55．Tv，42．55．Wd，42．55．-fDOh10．7498／aps．63．014204的研究，并通过优化光纤折射率、掺杂分布[11]、弯曲光纤等方法来抑制高阶模．增大模场面积的另1引言一个有效途径是利用多芯光子晶体光纤，它的模场高峰值功率高平均功率的超短脉冲激光具有面积可以随纤芯数量增加，而且可以改善光

3、纤的热广泛的工业、科学应用，在非线性频率变换波导效应、热应力的问题，为进一步提高光子晶体光纤刻蚀【。]、太赫兹波的产生[3I4]及高精密微加工】激光器输出指标提供了有效的增益介质．现在利等方面均有所体现．光子晶体光纤因将增益、色用十八芯光子晶体光纤已经实现了振荡器的锁模散、非线性集于一身成为产生超短脉冲的优良载输出【12]，用七芯光子晶体光纤作为放大增益介质体【7，B1．Baungartl等【9】利用纤芯直径约70um的也已经实现了150MW，110fs的超短脉冲输出[13】．大模场面积光子晶体光纤在振荡器中实现了平均但是多芯光子晶体光纤同样存在选模问题．功率66W的输出，光纤放大器

4、平均功率输出指标根据耦合模理论，多芯光子晶体光纤具有与纤更是因为使用大模场面积的光子晶体光纤达到830芯数量相同的模式数，每一个超模的纤芯间相位恒W[10]．但是如此高的光功率被限制在几十微米的定，其中只有同相位超模纤芯间相位差为零，远场纤芯中，使得光脉冲在纤芯中易受到非线性效应的呈高斯分布，具有衍射极限的光束质量．因此，基扰动，限制了激光器输出功率进一步的提升．一个于多芯光子晶体光纤的研究首先要解决的问题是直接有效的解决方案是利用多模光纤来增大光纤如何有效选取同相位超模．现已有一些选模的方的模场面积，降低非线性效应，但同时也带来了光法，如熔接普通光纤[14]，利用反射镜构建塔尔博特

5、束质量差的问题．多个研究小组对此进行了深入腔【1引，插入多模布拉格光纤光栅[16]等．但是这些十国家重点基础研究发展规划(批准号：2011CB808101，2010CB327604)、国家自然科学基金(批准号：61108020，6107802860838004)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号：20110032110056)资助的课题．十通讯作者．E—mail：huminglie@tju．edu．cn◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietytp：／／wulixb．hy．ac．c佗t}物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．1(2014)

6、014204方法都需要在腔中插入其他元件，操作复杂，调节有能量分布．结合以上两点，可以通过优化掺杂浓困难．如果利用光纤本身特性进行选模则可以使度分布和纤之间的耦合强度，选出同相位超模．选模变得简单有效．因此，在本文中，基于速率方程理论建立了七芯光子晶体光纤放大器的数值模2．2速率方程型，通过优化多芯光子晶体光纤的掺杂分布和耦合七芯光子晶体光纤的本征超模相互竞争消耗强度，实现了利用光纤本身特性直接输出同相位共用的上能级粒子数，基于文献『111建立多横模运超模．转的多芯光子晶体光纤放大器的数值模型．在此模型中，抽运光与信号光同向传输，为简化模型，做以2理论模型下假设：11增益光纤为二能级

7、系统，忽略激光下能级的受激吸收过程：2)抽运光在光纤横截面均匀分2．1七芯光子晶体光纤的模式特性布，忽略激光上能级的自发辐射；3)单纵模运转．理论计算使用的七芯光子晶体光纤端面结Ⅳ2(，Y，Z)构如图1所示，材料折射率是1．45，空气孔间距N1(，Y，)A=5m，空气孔直径d=1m，纤芯问距为()apx，Y)+壁墨2’、／／3，d／A=0．2决定了每个纤芯均能保持单模传Z⋯sS输．由于七芯光子晶体光纤具有七个本征模式f以磁(z)盯。(z，Y)hv+三+∑D