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石墨烯包覆光纤四波混频性能深度分析
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更新于2024-07-17
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本文研究了石墨烯包覆拉锥光纤中四波混频(FWM)的性能,由金强、陆佳美、李思斌、严强、高千宇和高世明等人合作完成,发表在中国科技论文在线上。该研究关注的是单层石墨烯对光场分布的显著影响在四波混频过程中的作用。石墨烯以其独特的电光性质,尤其是在非线性光学领域,吸引了科学家们的广泛关注,特别是在硅光子学中的应用。 作者们基于石墨烯层对光纤内光强度分布的影响,理论分析了这一新型结构下的四波混频现象。他们特别强调了如何在考虑到高非线性和重吸收特性的同时,重新定义了一个名为"性能指标系数"(FOM, Figure of Merit),用于评估这种新型光纤的非线性性能。这是一个综合评估光纤非线性效应与吸收损耗之间平衡的关键参数,它有助于优化光纤设计,提升信号处理效率和信噪比。 在研究过程中,研究人员着重于探索如何通过调整光纤直径和长度来优化四波混频的效果,这涉及到对光纤几何参数的敏感度分析。他们的工作对于理解石墨烯覆盖光纤在高数据传输速率、短波长通信和全光信号处理等领域的潜在应用具有重要意义。 此外,这项研究还得到了国家博士研究生专项基金的支持(No. 20130101110089),显示出其在基础研究和实际应用方面的价值。金强博士是主要的研究者,专注于非线性石墨烯-硅光子学,而高世明教授则作为通讯作者,他的兴趣集中在非线性硅光子学和全光信号处理上,他的电子邮件地址为gaosm@zju.edu.cn,对于想要了解更多信息或进一步讨论的读者来说,这是一个有效的联系渠道。 这篇论文提供了深入理解石墨烯包覆拉锥光纤中四波混频行为的新视角,对提高光纤的非线性性能并开发高效光信号处理技术具有重要的理论贡献。
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中国科技论文在线
using Kubo formula
int int
g
ra er
[14]
, where the interband and intraband contributions are
2
21
()
()
intra
ie
i
(6)
1
2
1
2( )
() ln( )
42( )
inter
i
ie
i
(7)
75
where μ is chemical potential and τ is the relaxation time.
Supposing that the thickness of graphene layer is Δ, one can obtain the equivalent relative
permittivity of graphene
[14]
:
0
/( ) 1
gg
i
(8)
and the refractive index of graphene can be determined by
g
g
n
. According to the refractive
80
index distribution of the graphene-covered tapered fiber, one can get the mode field distribution
and the effective refractive index denoted as
eff
nni
, whose real and imaginary parts
represent the phase property and absorption, respectively.
The nonlinear polarization in equation (5) is weak enough compared to the linear contribution
and therefore it can be treated as a small perturbation that changes the amplitude
(,)
j
A
zt
during
85
propagation. Substituting equations (3)-(5) into time-dependent Maxwell’s curl equations for the
electric and the magnetic fields to solve the nonlinear interaction
[15]
, we get the coupled wave
equations for the degenerate FWM in time domain:
** ** ** **
2
12
2
222
1
22
( 2 2 ) 2 exp( )
PP
PP
PS
P
I
PP
SPIP
PSIPPPPP PPSS PPII
AA A
i
A
zt t
iA A AAiAAAiz
(9)
** * *
P
****
2
12
2
222
2
1
22
( 2 2 ) exp( )
SS S
SS
SSP
S
I
S
I
SSSS SPPISSPP SSII
AA A
i
A
zt t
iA A AAiAAiz
(10)
90
** *** ***
2
12
2
2
22
2
1
22
( 2 2 ) exp( )
I
II II
I
II
PSIPS
IIII I PPSIIPP IISS
AA A
i
A
zt t
iA A AAiAA iz
(11)
where
j
(j=P, S, and I) represents the propagation loss coefficient for each interacting
light,
1 j
represents the reciprocal of the group velocity,
2
j
represents the group velocity
dispersion, Δβ represents the linear phase mismatch, and
**
()
j
klm
jklm
(j, k, l, m=P, S,
and I) represents the nonlinear parameter for each process as listed in above equations.
95
When a light field propagates in the graphene-covered tapered fiber, the generated heat will
cause additional loss, especially when graphene is unevenly distributed around the fiber. If the
graphene is covered around the tapered fiber uniformly as the case we considered, the thermal
effect is reasonable to be neglected. However, the imaginary part of the effective refractive index
means a linear loss and also the two-photon absorption (TPA) will induce a nonlinear loss
[16]
100
when the light field propagates in the graphene-covered tapered fiber. Due to the saturation
absorption property of graphene with a relatively low saturation absorption intensity
[3, 16]
, the
linear loss coefficient for each interacting light is written as
0
() ()/[1 / ]
lin j j sat
I
I
, where I
is the light intensity in the fiber, I
sat
is the saturation irradiance, and the absorption coefficient
0
()2 /
jj
c
is derived from the imaginary part of the effective refractive index. For
105
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