双通道可调谐滤波器Bragg微结构光纤光栅的理_论设计-电子信息工程毕业论文

毕业设毕业设计计 双通道可调谐滤波器 Bragg 微结构光纤光栅的理 论设计 姓名：谢金彤 学号：08030065 班级：08 信息科学 2 专业：电子信息科学与技术 所在系：电子信息工程系 指导教师：苗银萍副教授 天津理工大学中环信息学院天津理工大学中环信息学院 本科毕业设计选题审批表本科毕业设计选题审批表 届：2012系别：电子信息工程系专业：电子信息科学与技术 学生姓名谢金彤学号08030065 指导教师苗银萍职称副教授 所选题目 双通道可调谐滤波器 Bragg 微结构 光纤光栅的理论设计 题目来源科学技术 选题理由（选题意义、拟解决的问题、对专业知识的综合训练情况等，不少于 100 字） ： 本课题旨在理论上设计了基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通道 微结构光纤 Bragg 光栅滤波器。通过将功能材料填充入纤芯写有 Bragg 光栅的高双折射 微结构光纤中，通过改变功能材料的折射率，从而改变光纤的双折射特性，进而实现波 长位置和波长间隔的可调谐滤波器。本课题涉及光电子学、新型光纤光子器件等领域。 微结构光纤(Microstructured Fiber, MF)，又称光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber， PCF)，是近十年来光纤技术领域的研究热点。由于微结构光纤具有传统光纤无法提供的 导光和控光特性，在诸多应用领域的研究也随之展开，在光通信、光传感、光纤激光器、 非线性光学、高功率光传输等领域表现出潜在的应用前景。微结构光纤的空气孔为填充 各种材料提供了良好的载体，从而大大拓展了微结构光纤的应用。通过合理设计微结构 光纤的结构和选择合适的填充材料可以实现许多新的特性， 可以用来实现各种光纤器件。 本题目主要完成设计双通道微结构光纤 Bragg 光栅滤波器的方法，实现波长位置和 波长间隔的可调谐滤波器的技术。通过本课题的研究，可以使学生对所学知识如何应用 到实践中得到综合训练，为其进入社会，发挥专业特长打下坚实基础。 指导教师意见（不少于 50 字） ： 课题设计有较高的技术性和可靠性要求，虽有一定的难度，但相关产品设计参考资 料较丰富，通过学生的努力，能够完成初步的设计。 题目符合专业方向，同意该生选题。 指导教师签名： 2011 年 11月 28日 系主任意见： 签字（或盖章） ： 年月日 注：本表一式二份，一份附在毕业设计内，一份系内保存。 天津理工大学中环信息学院天津理工大学中环信息学院 本科毕业设计任务书本科毕业设计任务书 题目：双通道可调谐滤波器 Bragg 微结构光纤光 栅的理论设计 姓名谢金彤届2012 系别 电子信息工程系专业 电子信息科学与技术 指导教师苗银萍职称副教授 下达任务日期2011 年 11 月 18 日 一、毕业设计内容及要求 1、课题说明 微结构光纤(Microstructured Fiber, MF)，又称光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber， PCF) ，是近十年来光纤技术领域的研究热点。由于微结构光纤具有传统光纤无法提供的 导光和控光特性，在诸多应用领域的研究也随之展开，在光通信、光传感、光纤激光器、 非线性光学、高功率光传输等领域表现出潜在的应用前景。微结构光纤的空气孔为填充 各种材料提供了良好的载体，从而大大拓展了微结构光纤的应用。通过合理设计微结构 光纤的结构和选择合适的填充材料可以实现许多新的特性， 可以用来实现各种光纤器件。 本课题旨在设计一种基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通道微结 构光纤 Bragg 光栅滤波器。通过将功能材料填充入纤芯写有 Bragg 光栅的高双折射微结 构光纤中，通过改变功能材料的折射率，从而改变光纤的双折射特性，进而实现波长位 置和波长间隔的可调谐滤波器。 2、基本要求 （1）了解微结构光纤特性 （2）掌握微结构光纤光栅的写制技术 （3）实验上掌握微结构光纤光栅的填充技术 （4）实验和理论上分析该器件的调谐特性。 3、其它要求 （1）查找相关资料，了解课题要求。 （2）掌握光纤熔接机的手动熔接方法。 （3）空气孔光子晶体光纤的结构及基本知识。 （4）掌握光子器件的调谐技术。 （5）了解微结构光纤的带隙结构和导光特性 参考文献 1 廖延彪. 光纤光学.清华大学出版社, 北京 2000. 2 Li E, Wang X, Zhang C. Fiber-optic temperature sensor based on interference of selective higher-order modes. Applied Physics Letters, 2006, 89(091119): 1-3 3 王志. 光子晶体光纤及其功能器件的研究: 南开大学博士学位论文. 南开大学， 2005. 4 C.-H. Lee, C.-H. Chen, C.-L. Kao, et al. Photo and electrical tunable effects in photonic liquid crystal fiber. Opt. Express, 2010, 18 (3): 2814-2821 5 罗涛， 光子晶体光纤光栅在生物和化学传感器领域研究进展， 激光与光电子进展， 2009, 11 6 Chehura E, James S, Tatam R. Temperature and strain discrimination using a single tilted fibre Bragg grating. E. Chehura et al. Optics Communications, 2007, 275: 344-347 7 Sun J, Chan C.C, Tan K.M, Dong X.Y, Shum P. Application of an artificial network for simultaneous measurement of bending curvature and temperature with long period fiber gratings. Sensors and Actuators A, 2007, 137: 262-267 8 饶云江, 王义平, 朱涛. 光纤光栅原理及应用. 科学出版社, 北京 2005. 9 Wang Zhu, Chiang Kin Seng, and Liu Qing. Microwave photonic filter based on circulating a cladding mode in a fiber ring resonator. Optics Letters, 2010, 35(5): 769-771 10 X. Zhang, R. Wang, F. M. Cox, et al. Selective coating of holes in microstructured optical fiber and its application to in-fiber absorptive polarizers. Optics Express, 2007, 15 (24): 16270-16278 11 T. T. Alkeskjold and A. Bjarklev. Electrically controlled broadband liquid crystal photonic bandgap fiber polarimeter. Opt. Lett., 2007, 32 (12): 1707-1709 12 W. Yiping, J. Wei, J. Long, et al. Optical switch based on a fluid-filled photonic crystal fiber Bragg grating. Optics Letters, 2009, 34 (23): 3683-3685 二、毕业设计进度计划及检查情况记录表 序 号 起止日期计划完成内容完成情况 指导教师 签名 检查日期 1 2011 年 11 月 18 日至 2011 年 11 月 30 日 确定毕设选题，明确研究 方向 2 2011 年 12 月 1 日至 2011 年 12 月 15 日 查阅资料，了解相关研究 领域 3 2011 年 12 月 16 日至 2011 年 12 月 31 日 查阅文献，学习基础理论 4 2012 年 1 月 4 日至 2012 年 1 月 12 日 建立理论分析模型 5 2012 年 2 月 20 日至 2012 年 3 月 5 日 确定毕设实验设计方案 6 2012 年 3 月 6 日至 2012 年 3 月 20 日 按照实验方案初步展开实 验 7 2012 年 3 月 21 日至 2012 年 4 月 1 日 实验结果分析 8 2012 年 4 月 2 日至 2012 年 4 月 15 日 结合理论分析实验结果 9 2012 年 4 月 16 日至 2012 年 4 月 30 日 重复并改进实验方案 10 2012 年 5 月 1 日至 2012 年 5 月 14 日 总结并分析所有实验结果 11 2012 年 5 月 15 日至 2012 年 5 月 25 日 完成并修改毕设初稿 12 2012 年 5 月 26 日至 2012 年 6 月 1 日 完成毕设的写作，准备答 辩 注：1、表中“完成情况”、“ 指导教师签名”栏目要求用黑（蓝）笔填写，其余各项内容 要求打印。 2、毕业设计任务书一式二份，一份附在毕业设计内，一份系内保存。 天津理工大学中环信息学院天津理工大学中环信息学院 本科毕业设计开题报告本科毕业设计开题报告 届：2012系别：电子信息工程系专业：电子信息科学与技术 毕业设计题目 双通道可调谐滤波器 Bragg 微结构光纤光栅的理论设计 学生姓名 谢金彤 学号 08030065 指导教师 苗银萍 职称 副教授 课题的意义课题的意义 本课题旨在理论上设计了基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通 道微结构光纤 Bragg 光栅滤波器。通过将功能材料填充入纤芯写有 Bragg 光栅的高双 折射微结构光纤中，通过改变功能材料的折射率，从而改变光纤的双折射特性，进而 实现波长位置和波长间隔的可调谐滤波器。本课题涉及光电子学、新型光纤光子器件 等领域。 微结构光纤(Microstructured Fiber, MF)，又称光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber， PCF) ，是近十年来光纤技术领域的研究热点。由于微结构光纤具有传统光纤无法提供 的导光和控光特性，在诸多应用领域的研究也随之展开，在光通信、光传感、光纤激 光器、非线性光学、高功率光传输等领域表现出潜在的应用前景。微结构光纤的空气 孔为填充各种材料提供了良好的载体，从而大大拓展了微结构光纤的应用。通过合理 设计微结构光纤的结构和选择合适的填充材料可以实现许多新的特性，可以用来实现 各种光纤器件。 国内外发展状况国内外发展状况 填充材料的折射率直接影响带隙的位置和宽度，研究者们通过填充温敏聚合物来 实现温度可调的带隙微结构光纤，或者采用液晶来实现电调谐。液晶具有许多特殊的 光学性质，所以在微结构光纤的填充实验中被广泛采用和研究。 由于填充材料远离纤芯，光纤的导光虽然受到材料的影响，但是仍然维持折射率 传导。2002 年，朗讯 OFS 实验室的 B. Ryan 等人首先报道了通过向折射率引导型微结 构光纤的包层空气孔填充高折射率而使其成为带隙传导的微结构光纤。这一研究结果 具有重大的意义，它使得越来越多的人开始关注这种基于材料填充的光子带隙微结构 光纤(Liquid filled bandgap MF，LFBG-MF)，使得填充研究成为微结构光纤研究领域的 一个热点。 本课题的研究内容本课题的研究内容 基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通道微结构光纤Bragg 光栅滤 波器的设计，有以下几项研究内容： （1）了解微结构光纤特性 （2）掌握微结构光纤光栅的写制技术 （3）实验上掌握微结构光纤光栅的填充技术 （4）实验和理论上分析该器件的调谐特性。 研究方法研究方法 采用理论与实验相结合的，结合导波光学的基本原理，分析在光在光纤中的传输 特及应用；掌握光纤熔接机的手动熔接方法；掌握光纤光子器件的填充与调谐技术； 将实验结果与理论相比较并调试。 研究步骤研究步骤 （1）查找相关资料，了解课题要求。（2）掌握理论基础并能够理论模拟。 （3）根据实际要求设计器件参数。（4）能够优化设计光子器件。 参考文献参考文献 1 廖延彪. 光纤光学.清华大学出版社, 北京 2000. 2 Li E, Wang X, Zhang C. Fiber-optic temperature sensor based on interference of selective higher-order modes. Applied Physics Letters, 2006, 89(091119): 1-3 3 王志. 光子晶体光纤及其功能器件的研究: 南开大学博士学位论文. 南开大学， 2005. 4 C.-H. Lee, C.-H. Chen, C.-L. Kao, et al. Photo and electrical tunable effects in photonic liquid crystal fiber. Opt. Express, 2010, 18 (3): 2814-2821 5 罗涛，光子晶体光纤光栅在生物和化学传感器领域研究进展，激光与光电子进展， 2009, 11 6 Chehura E, James S, Tatam R. Temperature and strain discrimination using a single tilted fibre Bragg grating. E. Chehura et al. Optics Communications, 2007, 275: 344-347 7 Sun J, Chan C.C, Tan K.M, Dong X.Y, Shum P. Application of an artificial network for simultaneous measurement of bending curvature and temperature with long period fiber gratings. Sensors and Actuators A, 2007, 137: 262-267 8 饶云江, 王义平, 朱涛. 光纤光栅原理及应用. 科学出版社, 北京 2005. 9 Wang Zhu, Chiang Kin Seng, and Liu Qing. Microwave photonic filter based on circulating a cladding mode in a fiber ring resonator. Optics Letters, 2010, 35(5): 769-771 指导教师意见（不少于 50 字） 课题基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通道微结构光纤 Bragg 光栅滤波器，涉及光电子学、新型光纤光子等领域。 该生能够积极查阅资料做前期准备工作，同意该生开题 指导教师签名： 2012 年 1 月 6 日 注：本表一式二份，一份系内留存，一份发给学生，最后装订在毕业论文中。 双通道可调谐滤波器双通道可调谐滤波器 Bragg 微结构光纤光栅的理论设计微结构光纤光栅的理论设计 摘要 微结构光纤，又称光子晶体光纤。微结构光纤的空气孔为填充各种材料提供了良好 的载体， 通过合理设计微结构光纤的结构和选择合适的填充材料可以实现许多新的特性， 可以用来实现各种光纤器件。使得越来越多的人开始关注这种基于材料填充的光子带隙 微结构光纤。 基于功能材料填充的波长位置和波长间隔实现可调谐的双通道微结构光纤 Bragg 光 栅滤波器。将功能材料填充入纤芯写有 Bragg 光栅的高双折射微结构光纤，分析在光在 光纤中的传输特及应用；掌握光纤熔接机的手动熔接方法；掌握光纤光子器件的填充与 调谐技术；将实验结果与理论相比较并调试。 通过改变填充功能材料的折射率，从而改变光纤的双折射特性，进而实现波长位置 和波长间隔的可调谐滤波器。可应用在光通信、光传感、高功率光传输等领域。 关键词：微结构光纤；光子晶体光纤；光子带隙微结构光纤；光纤 Bragg 光栅 The Theory Design of Double Channel Tunable Filter Bragg Microstructure Optical Fiber Grating ABSTRACT Microstructure fiber, also known as a photonic crystal fiber. The air holes of the microstructure fiber to fill a variety of materials provides a good carrier, through the rational design of micro-fiber structure and selection of suitable fill material can achieve a lot of new features can be used to achieve a variety of fiber optic devices. More and more people started to pay attention to the micro-structure of the photonic bandgap fiber-based material filled. Filled based on functional materials, wavelength and wavelength spacing tunable dual-channel micro-structure fiber Bragg grating filter. Functional materials filled into the core to write a microstructure fiber Bragg grating high birefringence analysis in the light transmission characteristics and application in optical fiber; master Fiber Fusion Splicer manual welding method; master fill fiber photonic devices and tuning techniques; The experimental results are compared with the theoretical and debugging. By changing the refractive index of the filling function material, thus changing the birefringence of the fiber, so as to realize the wavelength and wavelength spacing of the tunable filter. Can be applied in the field of optical communications, optical sensing, high-power optical transmission. KeyWords:MicrostructuredFiber;PhotonicCrystalFiber;Liquidfilledbandgap MF;Bragg grating 目录 第一章绪论. 1 1.1 微结构光纤简介. 1 1.1.1 微结构光纤的基本概念.1 1.1.2 微结构光纤的分类.2 1.1.3 微结构光纤的主要特性.3 1.1.4 微结构光纤的发展概况.4 1.2 微结构光纤光栅的研究现状. 8 1.2.1 普通光纤光栅.8 1.2.2 微结构光纤光栅.8 1.3 微结构光纤光栅的特性. 9 1.3.1 光栅特性.9 1.3.2 光纤光栅的分类.11 1.4 基于微结构光纤光栅相关器件的概述. 13 1.5 本毕业设计的主要内容. 14 第二章微结构光纤光栅的理论研究方法和写制技术.16 2.1 微结构光纤的理论研究方法. 16 2.2 光纤光栅的理论研究方法. 19 2.3 光栅写制方法. 25 第三章双通道可调谐 Bragg 微结构光纤光栅的理论设计.29 3.1 高双折射微结构光纤 Bragg 光栅的研究背景.29 3.2 微结构光纤光栅与空气孔填充技术结合的研究背景. 30 3.3 一种双通道可调谐 Bragg 微结构光纤光栅的理论设计.31 第四章总结与展望. 36 参考文献.37 致谢.38 天津理工大学中环信息学院 2012 届本科毕业设计说明书 1 第一章绪论 微 结 构 光 纤 (Microstructured Fiber,MF) ， 又 称 光 子 晶 体 光 纤 (Photonic Crystal Fiber,PCF)，是近十年来光纤技术领域的研究热点。由于微结构光纤具有传统光纤无法提 供的导光和控光特性，在诸多应用领域的研究也随之展开，在光通信、光传感、光纤激 光器、非线性光学、高功率光传输等领域表现出潜在的应用前景。 1.1 微结构光纤简介 1.1.1 微结构光纤的基本概念 众所周知， 自然晶体(如半导体)中的电子由于受到晶格的周期性势场的散射，部分波 段会因破坏性干涉而形成带隙，导致电子的色散关系呈带状分布，从而形成电子能带 (Electronic Band)。如果将具有不同折射率(介电系数)的介质材料按照自然体的周期结构 排布，类似的现象也存在于光子系统中。1987 年，Vblonovitch 和 Jonh 在研究如何抑制 自发辐射和光子局域特性时分别独立提出了光子晶体(Photonic Crystal)的概念：一种因折 射率空间周期变化而具有光子能带的新型光学微结构材料，其折射率变化周期为光波长 量级。 在 1991 年， Russell 等人提出此类光纤主要是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小 空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束实现光的传导，不同空气孔填充率及排列 分布的空气硅包层微结构光纤。实际中由于空气孔在横截面上的排列圈样空气孔的大小 以及填充率都可以变化，因此通过改变它的排列图样可灵活构造出很多结构的微结构光 纤来从而可设计出具有不同特性的微结构光纤来满足不同的需要。 图 1.1 微结构光纤 Fig.1.1 Microstructured Fiber 微结构光纤中介质折射率的周期性变化对光子的影响与自然晶体中周期性势场对电 子的影响相似：一电磁波经周期介质散射后，某些波段的电磁波会因破坏性干涉而呈指 数衰减，无法在系统中传播，从而在频谱中形成类似于半导体能带的光子带隙(Photonic Band Gap,PBG)，相应色散关系也具有带状结构，形成光子能带(Photonic Band)。只有频 率对应在光子能带中的光才能在光子晶体中传播否则会被禁止，这是微结构最根本的特 天津理工大学中环信息学院 2012 届本科毕业设计说明书 2 征。影响光子带隙的主要因素是光子品体的结构和材料的折射率比。在二十世纪末，光 子晶体概念的提出使人们像操纵电子那样操纵光子成为可能，为光子集成的产生提供了 理论依据，具有重大的理论意义和应用前景。 微结构光纤优点：微结构光纤的一个显著优点是其由单一材料构成（通常是石英）， 因此，在微结构光纤中不存在由掺杂石英纤芯和纯石英包层构成的传统光纤所面临的热 应力问题。所以，即使温度发生很大变化，微结构光纤的基本传输特性也不会受到影响， 这一特性非常符合光纤传感器的要求。微结构也给干涉型光纤传感器带来了益处，因为 它已在实验室中展现出超强的双折射效应以及与之对应的保偏能力。微结构光纤带来的 好处还表现在高功率激光器或放大器应用所需要的包层泵浦光纤或双包层光纤的生产领 域。现今正在使用的大多数包层泵浦光纤是由石英聚合物组成的，其优点是制作过程相 对简单，具有大的多模数值孔径(NA)，这有利于采用锥形光纤束合成多个高功率泵浦二 极管输出的光束。与石英聚合物混合结构相比，全石英结构可获得更好的操作性和更长 的寿命，而代价只是 NA 略微减小。相比而言，微结构光纤除了具备石英聚合物光纤所 有的性能优点外，还具备全石英结构的易用性和可靠性。 1.1.2 微结构光纤的分类 微结构光纤分类依据不同，微结构光纤有不同的分类。根据其结构特点，微结构光 纤可分为实芯微结构光纤和空芯微结构光纤。而按导光机制的不同微结构光纤主要分为 两大类：折射率导光型微结构光纤和光子能隙导光型微结构光纤。折射率导光型微结构 光纤是通过周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）间的差 别让光能够在纤芯中传播此种结构的微结构光纤导光机理依然是全内反射，但其与常规 G. 652 光纤有所不同由于包层包含空气，空芯微结构光纤的小孔尺寸比传导光的波长小， 所以此类光纤也称为改进的全内反射光纤。另外，这种光纤对包层中气孔的排列及尺寸 要求不是很严格包层中可以不存在光子能带实现起来也相对容易，目前多数关于微结构 光纤的应用研究都基于这种光纤。 光子能隙导光型微结构光纤可以理论上通过求解光波在微结构中的本征方程，导出 实芯和空芯微结构光纤的传导条件，即光子能隙导光理论。它与折射率导光型微结构光 纤的区别在于纤芯引入了折射率低于包层材料的空缺，由于光子能带效应此种光纤中光 是在空气孔中而非在石英中传播，特定频率的光场以各不相同的角度进入光纤遇到光子 能带是无法穿越而被反射回来因此只能沿着空气通道传输。 天津理工大学中环信息学院 2012 届本科毕业设计说明书 3 图 1.2.1 折射率传导光型微结构光纤 图 1.2.2 光子能隙导光型微结构光纤 图 1.2 折射率传导光型微结构光纤，光子能隙导光型微结构光纤 Fig.1.2 Index-guiding Microstructured Fiber , Photonic band gap-Microstructured Fiber 1.1.3 微结构光纤的主要特性 MF 灵活设计的微孔结构导致了其具有许多奇异的特性， 这样有效地扩展和增加了光 纤的应用领域。 1.无截止单模，微结构光纤在其空气孔径与孔间距之比小于 0.2 时，无论什么波长都 能单模传输，与传统光纤随着纤芯尺寸的增加会出现多模化的特性相比；似乎不存在截 止波长,这就，是无截止单模传输特性。PCF 可在从蓝光到 2um 的光波下单模传输，且与 光纤的绝对尺寸无关，所以通过改变空气孔间距来调节模场面积。小模场有利于非线性 产生，大模场可防止发生非线性。这有利于提高或降低光学非线性，可用在低非线性通 信用光纤，高光功率传输等方面。 2.灵活的色度色散，就微结构光纤的结构特征来说，它对波导色散有较高的控制性. 只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所 希望的分布状态，例如零色散波长可以向短波大大推进，具有优良性质的色散平坦(数百 nm 带宽范围接近零色散)等等。 3.良好的非线性效应，在光子能隙导光 MF 中，可以通过减小光纤的模场面积 (或者 减小 MF 纤芯空气孔直径)增强单位有效面积上的光强，从而增强非线性效应，使光子微 天津理工大学中环信息学院 2012 届本科毕业设计说明书 4 结构光纤同时具备强非线性和快速响应的特性。这一特性为制造大有效面积 MF 奠定了 技术基础。 4.高双折射效应，在 MF 中通过改变其包层结构可制出高双折射效应的 MF，只要破 坏光子晶体光纤剖面的圆对称性，使其成为二维结构就可以形成很强的双折射。实际中 可通过减少一些空气孔，或者改变一些空气孔的尺寸来获得高的双折射特性。 1.1.4 微结构光纤的发展概况 在微结构光纤的发展过程中，英国Bath大学的R.J.Russell领导的研究小组起到了重要 的推动作用。1996年，R.J.Russell小组的J.C.Kinght等人首次制造了具有光子晶体包层的 微结构光纤，这种光纤以未经掺杂的石英玻璃作为基底材料，包层具有按三角形栅格周 期排列的空气孔，并在纤芯处通过缺失一个空气孔引入缺陷。尽管在这种光纤中，光被 局限在石英纤芯中传导，然而进一步的研究表明，这种光纤不存在光子带隙，包层中存 在的空气孔使包层的有效折射率低于纤芯，从而形成类似于普通阶跃光纤的基于折射率 引导型波导。 尽管在折射率引导型微结构光纤中，并没有发现光子带隙效应，但却具有许多独一 无二的性质，比如无截至波长单模传导、可设计的色散特性和模场尺寸以及高数值孔径 等等。特别是由于这种光纤的传导机制与光子带隙无关，因此其包层结构不需要遵循严 格的周期排列，这大大提高了光纤设计的灵活性。 在随后的研究中，学者们不断设计和拉制出具有各种几何结构和光学特性的基于折 射率引导的微结构光纤，例如：通过使光纤横截面的两个正交方向上空气孔的排列不对 称，可以设计出高双折射的保偏光纤，甚至只有一个偏振模式的绝对单模光纤；利用空 气和石英之间折射率差大的特点，减小光纤模场面积，从而获得高非线性光纤；只保留 光纤包层中最里面一层的空气孔，并使其直径尽可能大，制造出了柚子光纤，在柚子光 纤的空气孔中可以灌入聚合物材料，从而可以制成可调谐光纤器件。 在折射率引导微结构光纤获得广泛关注的同时， R.J.Russell 的研究小组也没有停止对 光子带隙光纤的研究。 1998 年， Knight 等人又首先制造出蜂窝包层结构的光子带隙光纤， 这种光纤包层具有蜂窝型空气孔排列结构形成光子带隙，纤芯处通过引入一个额外的空 气孔形成缺陷，使纤芯的有效折射率小于包层，光被光子带隙效应限制在纤芯空气孔周 围呈环形的石英区域中。对光子带隙的研究表明，蜂窝形结构比三角形结构排列的空气 孔包层更容易在低空气填充率下出现光子带隙，并且具有一定的鲁棒性，这是蜂窝型光 子带隙光纤被首先拉制出来的原因。但是早期研究的蜂窝形包层光子带隙光纤由于包层 空气填充率低，在这种光纤中传导的光，能量主要分布在石英中，且基模光场呈环形， 不易与其它器件耦合，所以没有得到广泛的应用。 光子带隙光纤的传导与纤芯的折射率无关，因此光可以被约束在空气纤芯中传导， 这也是光子带隙光纤最吸引人的特点之一。最早的空气传导光子带隙光纤于1999年由 Cregan等人制造，光纤包层具有三角形排列的空气孔结构，在拉制过程中去除中心7个毛 细管形成一个更大的空气孔缺陷作为纤芯，其包层空气填充率足够高从而保证光子带隙 天津理工大学中环信息学院 2012 届本科毕业设计说明书 5 支持空气传导模式。空气传导光子带隙光纤在高功率光传输、气体非线性研究以及微观 粒子传导等方面具有重要的价值。 2002 年，Bouwmans 等人报导的 PBG-MF 损耗降为 200dB/km；2003 年，Matos 等人 报导的 PBG-MF 损耗降为 50dB/km；同年，Smith 等人在自然杂志上报导的 PBG-MF 损耗进一步降为 10dB/km；2004 年，在 OFC2004 上，Blazephotonics 公司报导了损耗为 1.7dB/km 的 PBG-MF；同年，Crystal.Fibre 公司报导了在损耗为 1.0 dB/km 的 PBG-MF， 非常有应用价值的是，这种光纤的传输带宽超过 1000nm。预计不久的将来，PBG-MF 的 损耗可以做到比 TIR-MF 还要低。2003 年，悉尼大学报导了他们使用塑料制作的单模 MF、高双折射 MF、双芯 MF 以及 PBG-MF 光纤。2004 年 8 月，悉尼大学还报导了采用 特殊工艺研制的掺杂激活粒子的塑料光纤，并利用该光纤研制了光纤放大器和光纤激光 器。目前，MF 已经商用化，国际上知名的厂家包括：Crystal-fibre 公司、Blazephotonic 公司等。科研人员利用 MF，已经开发出许多具有优良性能的光学器件。Lee 等人研制了 “高 SBS 阚值的 FWM 波长转换器”，实现了 10am 带宽的 10Gb/s 不归零信号的无误差 高效率波长转换； 日本的 Abedin 等人采用高双折射 MF 制成了 10GHz、10ps 反馈锁模光 纤激光器，这种激光器在 1535nm1560nm 范围内能产生 10ps 的脉冲。丹麦的 Paulsen 等人用钛蓝宝石飞秒振荡器和一根短的MF制成了相干反stokes拉曼散射(CARS)显微镜， 这种显微镜的分辨率达到亚微米级别，甚至可以检测到分子振荡。美国加州大学 Wang 等人利用 MF 研制的 OCT， 在 1100nm 波长处具有纵向分辨率为 1.3um， 这是目前在此波 长处获得的最高分辨率。丹麦理工大学的 Siahlo 等人利用 50m 长 MF 构成的非线性光学 环路镜实现了对 160Gb/s 号的无误差分离，这将在光的时分复用领域具有重要应用。日 本的 Yusoff 等人采用锁模掺铒光纤环形激光器发出的邓孤子脉冲，入射到高非线性 MF 中，通过 SPM 效应把孤子脉冲 10dB 带宽从 3nm 展宽到 25nm，然后利用阵列波导光栅 把产生的超连续谱分为 36 个 3dB 带宽 0.63m 的信道，可以为 WDM 系统提供理想光源。 2002 年，Nilsson 等人报导了连续光泵浦的波长在 1060nm 的 MF 拉曼激光器，该激光器 的阈值为 5w，斜率效率为 70%。2003 年，德国的 J.Limpert 等人用掺的大模双包层 MF 获得了高达 260W 的单横模激光输出，这标志着 MF 激光器已经达到并正在超越普通双 包层光纤激光器的水平。越来越多的人开始关注这种基于材料填充的光子带隙微结构光 纤(Liquid filled bandgap MF,LFBG-MF)， 使得填充研究成为微结构光纤研究领域的一个热 点。 在国内，燕山大学侯蓝田教授领导小组率先开始拉制微结构光纤方面的研究，他们 拉制了各种具有单结构、多结构和多束集成式的微结构光纤，在理论和实验方面研究了 这些光纤的性质，并将这些光纤应用于超连续产生，获得了非常好的实验效果。 天津理工大学中环信息学院 2012 届本科毕业设计说明书 6 图 1.3.1 微结构光纤发展表 图 1.3.2 结构光纤的发展 图 1.3 微结构光纤发展 Fig.1.3 Microstructured Fiber development 天津理工大学中环信息学院 2012 届本科毕业设计说明书 7 1.微结构光纤的制作方法 光子晶体光纤通常采用毛细管堆砌拉制方法制造。制造过程与普通光纤类似分为两 个步骤，首先制造预制棒，然后在拉伸塔中把宏观尺度的预制棒拉伸成光纤。预制棒通 常是由空心的石英毛细管和实心的石英棒按照要拉制的光纤结构堆砌而成。由于在堆砌 过程中，这些毛细管和石英棒的排列方式可以灵活选择，也可以掺杂其它离子，所以能 够很方便的制造出各种结构的微结构光纤。光纤的最终形状不仅与预制捧的结构有关， 还可通过控制拉制参数显著改变。这些参数包括：炉子的温度、预制棒进入炉子的速度 和拉制速度。同样的预制棒可以产生光学性质完全不同的光纤。 2.具体方法： （1）取一根直径为30mm的石英棒, 沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔，随后将 石英棒研磨成一个正六棱柱。 （2）把该石英棒放在2000的光纤拉丝塔中，将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱 丝。 （3）把正六棱柱丝切成适当长度的若干段，然后堆积成需要的晶体结构，再把它们放 到拉丝塔中熔合、拉伸，使内部空气孔的间距减小到50Lm左右，形成更细的石英丝。 （4）在以上工作的基础上，把上述石英丝高温拉伸，形成最后的光子晶体光纤。在以 上3个阶段的拉伸过程中，晶胞减少了104数量级以上，最后形成的光子晶体的孔间距在 2Lm左右。光子晶体光纤沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔，从光子晶体光纤的横切 面看,存在着周期性的二维结构。如果核心处引入一个多余的空气孔，或者在应该出现空 气孔的地方由均匀硅代替，从而在光子晶体中引入一个“缺陷”为核心。 图1.4.1 光子晶体微结构图1.4.2 微结构光纤截面 图 1.4.3 中间无空气孔的典型微结构结构图 1.4.4 中间有空气孔的微结构结构 图 1.4 微结构光纤的制作 Fig.1.4 Microstructure optical fiber production 天津理工大学中环信息学院 2012 届本科毕业设计说明书 8 1.2 微结构光纤光栅的研究现状 1.2.1 普通光纤光栅 1978 年，加拿大通讯研究中心(CRC,anadian Research Centre )的 K.O.Hill 及其合作者 首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill 的早期光纤是采用 488nm 可见光波长的 氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后 来 Meltz 等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤 芯中产生折射率调制或相位光栅。1989 年 G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光的干涉曝 光制作了光纤光栅，使光纤光栅得到迅速发展。1993 年 K.O.Hill 提出的相位掩模制造法 使光纤光栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大批量制造成为可能。 光纤光栅是一种重要的光电子器件，已经被广泛应用于光通信和传感等领域中。光 子晶体光纤和传统的光纤光栅技术结合为制造新型的光纤光栅提供了条件，同时也扩展 了光子晶体光纤激光器、通信器件以及传感等领域的应用。Eggleton等人