近日，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光單元技術實驗室研究團隊在等效漸變包層折射率光子晶體光纖設計研究方面取得新進展。科研團隊面對新型光纖激光器和非線性光纖光學研究中對特殊色散光纖的需求，創新提出等效漸變包層折射率光子晶體光纖的新概念，圍繞特殊色散光纖的逆向設計問題開展研究。研究提出了等效漸變包層折射率光子晶體光纖色散經驗公式，并結合差分遺傳算法實現了光子晶體光纖在更大色散空間中的光纖結構逆向設計，光纖設計軟件運行實現秒級輸出，較傳統有限元數值迭代方法縮短了近3個數量級。相關研究成果發表在Journal of Lightwave Technology上。
近年來，光子晶體光纖（PCF）因其靈活的色散裁剪特性，在光纖通信、光纖激光器、非線性光學等方面得到應用。等效漸變包層折射率光子晶體光纖作為改進的光子晶體光纖，可為光纖設計帶來更多的自由度，進一步提升色散的可調控性，而更多的自由度也為光纖設計帶來了困難。
研究人員從經典光波導理論出發，結合有限元數值計算，量化光纖結構參數和色散的關系，采用共軛梯度算法擬合得到經驗公式。將差分遺傳算法與色散經驗公式相結合，可以實現基于計算機輔助的任意目標色散的快速光纖自動設計。研究利用該方法設計出在S+C+L波段近零色散，以及可用于1μm波段自相似演化的放大器或激光器的漸變全正色散光纖結構。
研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究計劃的資助。
圖1.（a）梯度等效折射率光子晶體光纖端面（四分之一）；（b）孔間距Λ=3.5μm，經驗公式（紅）與有限元數值分析（黑）計算結果對比
圖2.（a）逆向設計的零色散光纖在S+C+L波段的色散結果；（b）設計的漸變全正色散錐形光纖在不同位置的色散結果
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