（光学专业论文）光子晶体光纤的色散与结构研究.pdf

摘要 摘要 光子晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤，其特点是包层排列有规则或 随机分布的波长量级的空气孔。包层中的微结构使得光子晶体光纤能够呈现出 许多传统光纤不具备的特性，其中之一就是能够对可见光和近红外波段的色散 特性进行控制。具有这种色散特性的光子晶体光纤在飞秒激光领域具有极大的 应用前景。本论文设计了一种新的八边形结构的光子晶体光纤，从理论上对该 光子晶体光纤的色散特性进行了研究。论文的主要内容包括： 1 、第一章详细阐述了光子晶体光纤的概念、分类、导光机理和制备技术， 光子晶体光纤的特性，以及光子晶体光纤的应用。 2 、第二章主要介绍了光子晶体光纤的研究方法，并利用有限元法对八边形 新结构的光子晶体光纤的特性进行研究，根据有限元法求解电磁场方程的基本 理论，建立了模拟光子晶体光纤的分析模型，对模型的分析方法进行改进，有 效的提高了计算速度。 3 、第三章主要分析了八边形结构光子晶体光纤的色散特性，设计出在飞秒 激光器工作波长和通信窗口1 5 5 0 n t o 波段具有宽带近零色散特性的光子晶体光 纤，并且研究了填充酒精和二氧化碳后光子晶体光纤的短波段色散特性。 4 、第四章对本论文的工作进行了总结，并对以后的工作做了展望。 充 关键词：八边形结构光子晶体光纤有限元法色散近零色散平坦材料填 a b s t r a c t a b s t r a c t an e wt y p eo ff i b e r , k n o w na sp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , h a se m e r g e di nt h ep a s t s e v e r a l y e a r s t h e s e f i b e r sa r ec h a r a c t e r i z e db yw a v e l e n g t h s c a l ea i rh o l e s r u n n i n g a l o n gt h ee n t i r ef i b e rl e n 酉_ hi nt h ec l a d d i n gr e g i o n ，w h i c hh a v er e s u l t e di n s o m eu n u s u a l p r o p e r t i e su n a t t a i n a b l ew i t hc o n v e n t i o n a lo p t i c a lf i b e r s i np a r t i c u l a r , d i s p e r s i o ni np h o t o n i cc r y s t a l f i b e r sc a nb ec o n t r o l l e de x a c t l yi nt h ev i s i b l e a n d n e a r - i n f r a r e dw a v e l e n g t hr a n g e ，a n d ，t h e r e f o r e ，h a v eg r e a tp o t e n t i a li nt h ef i e l d o ff e m t o s e c o n dl a s e rt e c h n o l o g y t h es t r u c t u r eo fo c t a g o n a lp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s a n dt h ed i s p e r s i o n p r o p e r t i e so ft h i sp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r sa r ei n v e s t i g a t e d t h e o r e t i c a l l yi nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 1 c h a p t e ro n ed e t a i l e d l yp r e s e n t sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ec o n c e p t ，c l a s s i f i c a t i o n s ， f u n d a m e n t a l s ，f a b r i c a t i o nt e c h n i q u eo fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r sa n d t h ep r o s p e c to fi t sa p p l i c a t i o n 2 t h en u m e r i c a lm e t h o d su s i n gt oi n v e s t i g a t ep c f , e s p e c i a l l yt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o da l es t u d i e di nc h a p t e rt w o u s i n gt h ef i n i t e e l e m e n t m e t h o d ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo c t a g o n a lp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r sa r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y o nt h eb a s i so ff u r t h e rs t u d y i n gt ot h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，w es e tu pt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y t i c a l m o d e l ， a n da m e l i o r a t et h e a n a l y t i c a l m e t h o d ，i m p r o v et h ea r i t h m e t i cs p e e d 3 c h a p t e rt h r e em a i n l ya n a l y z et h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo c t a g o n a l p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s u s i n gf i n i t ed e m e n tm e t h o d ，w ed e i g n e d t h ep h o t o n i cc r y s t a l f i b e r sw i t l lb r o a d b a n du l t r a - f l a t t e n e dn e a r l yz e r od i s p e r s i o np r o p e r t ya r o u n dt h e o p e r a t i n gw a v e l e n g t h o ft h e w i d e l y u s e df e m t o s e c o n dl a s e r sa n dt h e t e l e c o m m u n i c a t i o nw i n d o w15 5 0 n m ，a n a l y z et h ed i s p e r s i o ni nt h ep h o t o n i cc r y s t a l f i b e r sw h i c hi sf i l l e dw i t ht h em a t e r i a la l c o h 0 1a n dc a r b o nd i o x i d e 4 i nt h el a s tc h a p t e r , as u m m a r i z a t i o no f0 1 1 1 w o r ka n dap r o s p e c to ff u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：o c t a g o n a lp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，d i s p e r s i o n , u l t r a f l a t t e n e dn e a r l yz e r od i s p e r s i o n ，f i l l i n gm a t e r i a l i i 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：豢椿计卅 伽7 年舌月e l 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：嚷酷渊 忉p 7 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文电子版授权使j e f i 协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文 系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解g 直五态堂图盘丝羞王堡叠：焦旦堂焦诠塞的笪堡查这! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文 在保密期限过后同样适用。 院系所名称： 作者签名： 学号： 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 自从1 9 8 7 年光子带隙( p h o t o n i cb a n d g a p ，p b g ) 的概念提出以来，其理论和 应用的研究发展迅速：1 9 9 0 年p b g 计算机论证，1 9 9 1 年微波p b g 得到实验论 证，1 9 9 3 年第一块半导体三维光子晶体诞生。上个世纪9 0 年代，光通信也得 到飞速发展，s d h 已经开始逐步取代p d h 成为光纤传输的主流，掺饵光纤放 大器( e d f a ) 的出现使得波分复用( w d m ) 技术迅速发展。随着通信速率的迅速提 高，新问题随之出现，原来对通信系统没有影响的问题也变得重要起来。这些 都使得科研人员热切期待着新一代光电功能材料的突破，所以光子晶体的出现 很快就吸引了研究人员的目光。1 9 9 2 年r u s s e l l 等人就提出了光子晶体光纤 ( p h o t o n i ec r y s t a lf i b e r ) 的概念，至1 9 9 6 年，第一根全内反射型光子晶体光纤诞 生【l 】，1 9 9 8 年第一根光子带隙型光子晶体光纤诞生，1 9 9 9 年1 2 月，美国科 学杂志把光子晶体方面的研究列为十大科学进展之一，2 0 0 0 年，第一家光子 晶体光纤公司成立。 p c f 具有许多传统光纤不具备的优良特性，如：它具有在很宽的波长范围 内的单模传输特性 2 - 3 ，对激光脉冲的展宽和压缩等非线性光学特性 4 - 5 ，特别 是对于p c f 的结构可调的色散特性的理论和实验研究引起了人们的极大兴趣。 众所周知，光通信的发展离不开光电子器件的发展，光通信中的许多传输器件 要求具有良好的色散特性，光纤的高阶色散导致的啁啾直接影响到光脉冲的传 输，同时也影响到光孤子的形成以及光脉冲的压缩。此外，全球业务量的飞速 增长促使光纤通信容量和速率大幅度提高。宽带高速波分复用( w d m ) 系统带来 的要求是：传输光纤在通信波段上的色散系数应接近零，而且色散曲线应十分 平坦。p c f 的色散曲线可以受包层结构的控制而加以调整，从而能够设计出在 通信波段上的近零色散平坦曲线 6 - 10 1 。如果p c f 具有较好的近零色散平坦稳定 性，即近零色散平坦受结构参量偏离设计值的影响不大，而且制备这种p c f 在 现有的工艺水平上是实际可行的，那么它将具有重大的应用价值。 第一节光子晶体简介 光子晶体的概念是e y a b l o n o v i t h 和s j o h n 于1 9 8 7 年分别独立提出的。所 第一章绪论 谓光子晶体就是将两种或者两种以上的具有不同介电常数的介质材料在一维、 二维或三维空m 内排列成具有光波长量级的周期结构的种人造晶体。由于介 电参量的周期性调制。电磁波在其中传播可用类似于描述电子在半导体材料中 传播的能带结构来描述。正如晶体能带理论所指出的，品格周期性产生了能带 和带隙，电子受到周期品格势的作用产生类布拉格衍射，使得在特定方向和能 量上被禁止传播。如果晶格势足够强，带隙就有可能对任何方向都存在，即为 完整带隙，例如半导体就有介于价带和导带之间的完整带隙。能带及带隙结构 控制着电子或空穴的运动。对于光子晶体具体表现为：一定频率范围的光波在 特定方向上被强烈散射，形成光于带隙，频率落于此带隙中的光子将被禁l t 在 光子品体巾传播，因而不能透过。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭 到破坏时，光子带隙就形成了具有一定频宽的缺陷态或局域志，而具有特定频 率的光波可以在这个缺陷区域l | 传播，因此光子晶体就可以控制光在其中的传 播行为1 1 1 】。 光子品体分类方法很多，比如可将光子晶体分为一维、二维和三维结构。 以前常用的多层介质膜是一维光子晶体，由厚度为光波长量级的两种不同折射 率材料组成周期结构形成光子带隙；多层介质膜外面的卒气则是对这种带隙 的缺陷，一定频率的光不能在带隙中传播而形成高反射率。二维光子晶体最典 型、最重要的例子就是光子晶体光纤。蝴蝶翅膀是自然界中存在的= 维光子晶 体。在电子显微镜下可以看到蝴蝶翅膀足一种周期结构的光子带隙材料，周期 结构为微米量级：这些在平向上的带隙结构限制了不同频率的光，使它们在各 个方向散射，这才使我们看到鲜艳多彩的蝴蝶翅膀。自然界中也存在三维光子 晶体，如蛋自石等。 图l l 自然界中的光子晶体 光予晶体有一个显著的特点，即它可以任意地控制光子的运动，是光电集 成、光子集成、光通信、微波通信、空间光电技术以及田防科技等现代高新技 第章绪论 术的一种新概念材料，也是为相关学科发腱和高新技术突破带来新机遇的关键 性基础材料，由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新的或以前所不能制作 的高性能光学器件，在光通信上也有重要的用途，如用光子品体器件来替代传 统的电于器件，其信息通讯的速度快得将无法想象。在光子晶体的基础上，人 们进一步提出了光子晶体光纤的概念。 第二节光子晶体光纤简介 光子晶体光纤”2 1 ( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , p c f ) 是一种由单一介质构成r 通常 为熔融硅或聚合物) 、且其微结构包层包含有在二维方向上紧密排列( 通常为周 期性六角形) 而在第三维方向( 光纤的轴向) 基本保持不变的波长量级的空气孔的 新型光纤。 光子晶体光纤可以视为一种芯层被破坏了周期结构的二维光了晶体，其芯 层可以为实心材料或空气，对应不同的导光机制。由于包层中特殊的空气孔结 构，光予晶体光纤又称为微结构光纤( m i c r o s t r a c t u r e do p t i c a lf i b e r ) 或多孔光纤 ( h o l e y f i b o r ) 。自从1 9 9 6 年英国b a t h 大学的r u s s e l l 等人研制出第一根光了晶体 光纤以柬，特殊的性质使这些光纤的应用领域不断的扩大，吸引了越来越多的 研究小组的兴趣。最近几年来，光子晶体光纤的制造技术、理论研究方法及其 应用都取得了突破性的进展。其显微结构如图12 所示： 凹12 左图为全内反射型光于晶体光纤， 右i 茎f 为带隙型光子晶体光纤 第一章绪论 21 光于晶体光纤的导光机理 到目前为止出现的光子晶体光纤按其传导机理的不同可以分为折射率引导 型( i n d e x g u i d i n g ) 光子晶体光纤( 图13 下图) 和带隙波导型光子晶体光纤f 图13 中图) 。前者形成周期性结构缺陷的是熔融硅( 或掺杂的熔融硅) ，中间的缺陷相 当于纤芯，而外围的周期性区域相当于包层，两者之间形成一定的有效折射率 差，从而使光可以在芯层中传播，传输机理仍然是全内反射，但由于包层含有 气孔，与传统光纤的“实心”熔融硅包层不同，因而叫做改进的全内反射 ( m o d i f i c d t o t a ll m e r n a lr e f l e c t i o n ) ，其中空气孔的作用是减小包层区域的有效折 射率，因而能够把光限制在折射率较高的实心纤芯中。折射率引导型光纤对包 层结构的精密性和完整性要求不严格，同时也不要求空气孔的直径很大，不依 赖于光子禁带，其缺陷折射率高于周围多孔介质的折射率。这种光纤制备较容 易，也是近年柬的研究热点。而带隙型光了晶体光纤形成周期性结构缺陷的是 空气，与宅芯波导不存在全内反射( p f li3 上图1 不同的是，它的传输机理是周期 性排列的包层结构产生光子带隙，落在光子带隙中的频率不能在包层中传播。 纤芯属于周期性结构中的低折射率缺陷在这个缺陷中存在一个局域化模，冈 而在其中可以传播准确的属于这个局域化模频率的光子。由于缺陷处的折射率 低于周围介质折射率，要求多孔包层具有光子禁带结构才能确保良好的传光性 因此这种光纤对周期性结构要求比较高，制备难度比较大。 警徽爹蓼 、i 、 。 0 茹；矿 图1 3 不同光纤中光的传输机理 第一章绪论 众所周知，在一种折射率为i t 的介质中传播的光波有量值为k n 的波矢量， 在这罩女= 2 z ，其中z 是光的波长。波矢量沿着光纤轴向的分量被称为传播 常数卢。因为光纤是均匀的，当光在任何分界面处被反射或折射时，口没有改 变。具有给定口的光不能进入折射率满足卢 h 的部分。则在传统光纤中，全 内反射需要满足b 卢 加。的条件，在这旱h 。和h 。分别代表纤芯和包层的 折射率。换句话说，被传导的光具有只在纤芯内允许存在的卢值，在包层内则 产生倏逝波。这种情况在图14 中得到说明，代表在掺杂的纤芯和未掺杂的硅 包层允许的口i t 值。 在由纯硅制成的光子晶体光纤的包层中，由于“气 l ”存在，允许的口女 的最大值小于硅中的折射率。这个最大值被称为包层的有效折射率n 槲所以，存 在那种大于n ，的p t 值，这些值在“多孔”包层中是禁止的，在纯硅纤芯中 是允许的，因此纤芯为玻璃的光子晶体光纤用一种改进了的全内反射方式导光， 包层( 因为那些“气孔”) 有着较低的折射率。这种光纤即为折射率引导型光子 晶体光纤。 另一种光于晶体光纤的纤芯具有较低的折射率，例如用一个扩大了的气孔 作为纤芯。因为包层的折射率大于纤芯的折射率，所咀伞内反射是不可能发生 的。然而，另一种反射机制是可能的：如果气孔直径足够大，可以产生光子禁 带。产生卢女值小于n 甜但传播仍被禁止的区域，如果产生p k r ，( 空气的折 射率是1 ) 的禁带，光就可以被限制在空的纤芯里。图1 _ 4 ( d ) 展示了一种具有 两个禁带的光子晶体光纤的包层，其中较低的个禁带使光可以被限制在空心 的纤芯罩。这种光纤即为带隙波导型光子晶体光纤，它是一种具有低损耗的单 模波导。 拯k n c p 呦 打 o 他t c jf d 泄 第一章绪论 图1 4 暗区代表允许存在的后值。( a ) 传统光纤中经过掺杂的纤芯纯硅( 例如，传统光 纤的包层或折射率引导型光子晶体光纤的纤芯) ( c ) 大多数光子晶体光纤的带有气孔的包层 ( d ) 具有大空气填充比例的光子晶体光纤的包层( e ) 空气 1 2 2 几种光子晶体光纤的介绍 1 大模面积单模光纤 光子晶体光纤不仅可以在近紫外到近红外提供全波段单模传输，而且允许 把芯径做得很大。英国南安普敦大学和b a t h 大学开发的大模面积单模光子晶体 光纤【13 1 ，其芯径可以达到传输波长的几十倍。他们认为p c f 中传输模的数量 不像传统光纤那样与芯半径和波长之比a 名有关，而是由气孔自径d 与孔间距 人之比决定的。因而只要包层结构设计合理，是否维持单模传输与光纤的绝对 尺寸无关( 实际上单模传输的波长范围最终受短波长和长波长的弯曲损耗边带 限制) 。他们制作的这种光纤包层直径为1 8 0 a m ，气孔直径为1 2 a m ，间距为 9 7 a m ，芯径为2 2 5 a m 。光纤则可在大4 5 8 n m 的波长范围内保持单模低损耗 传输。这种光纤的模面积是传统光纤的1 0 倍，可有效地用于高功率传输而不受 非线性效应的影响。n i e l s e n 等人通过增大空气孔直径到d a = 0 5 的方法，获 得了有效面积为6 0 0 r m 2 ，并具有低弯曲损耗、在1 5 5 0 n m 为单模传输的光子 晶体光纤。如果把这种光纤作为光纤激光器和放大器的基质光纤，则可大幅度 提高允许的输出功率。 2 高双折射光纤 p c f 的包层和纤芯易于获得高的折射率差，因而非常适宜制作具有高双折 射特性的光纤。p c f 研究的初期，人们把注意力主要集中在具有均匀周期结构 包层的光纤上。在研究过程中，周期结构的不完整性对光纤双折射性能的影响 启发了多家研究机构几乎同时通过引入不对称性，以获得具有高双折射的p c f 。 目前高双折射p c f 按其实现方法主要可分为两大类：一类是采用在纤芯附近引 入局部非对称性 1 4 - 1 7 ；另一类是采用光纤包层本身具有内在各向异性特点 1 8 - 2 2 。图1 5 ( a ) 和( b ) 分别画出了两种典型的高双折射光子晶体光纤。 6 镕一$ 绪论 匪震 ( a ) 图15 两种典型的高烈折射光子晶体光纤的结构 ( b ) 图l5 ( a ) 是日本n t l 和三菱公司开发的光纤结构，图15 ( b ) 是英国 b a t h 人学提出的光纾结构，研究结果表明，一与t 的比值决定了双折射的大小 ( 图l - 2 ( a ) ) 。当吐= 止时是普通的光子晶体光纤，此时，如果周期结构不理想可 能有很小的双折射，一般小于1 0 。随着d ，d ，的减小，双折射增加，使得两个 垂直偏振模有较大的折射率差。n t t 公司取吐吐= 0 4 ，双折射b = 14 1 0 ， 比熊猫型保偏光纤的双折射高一个数量级。目前生产这种光纤的长度为15 k m ， 在1 0 0 0 n m 1 7 0 0 n m 波段维持单模传输。在1 5 5 0 r i m ，x 和y 方向的模场直径 分别为3 5 9 m 和6 i g m 。在1 5 5 0 r i m 1 3 0 0 n n t 和8 5 0 r i m ，这种高双折射光子晶 体光纤的传输损耗分别为1 1 3 d b l a n ，20 d b k m 和42 d b k m 。其中结构不完整造 成的损耗为10 d b k m ，预计这种损耗可随今后k 艺的改进基本消除。b a t h 大学 的高双折射光了晶体光纤设计结构为a = 1 _ 9 6 t i n ，d = 04 , u r n ，d ，= 11 6 p m ， 光纤外包层直径为6 3 “珥，测景结果表明，1 5 4 0 r i m 的拍长大约为0 4 n n n ，双折 射为b = 3 7 x 1 0 。哥伦比亚大学提出椭圆孔高双折射光子晶体光纤，这种光纤 其空气孔是椭圆型的，而空气孔可位于正三角形或正方形的网格结点上，由于 这种结构本身具有_ 二阶对称性，以此为基础制作的光子晶体光纤就能够具有极 高的双折射( 可达1 0 4 1 ，并具有可调的色散特性，以及可获得零群速度差等优点。 然而由于制作上的困难，目前已制作的椭圆孔光子晶体光纤的双折射在1 0 4 量 级，远远术达到其极限。椭圆孔光子晶体光纤优点虽然很多，但以目前的制作 上艺来看，要获得与其它几种高双折射光于晶体光纤相当的双折射尚需进一步 改进制作方法。而要双折射达1 0 。2 量级，则有更长的一段路要走。 与传统熊猫型或蝶结型等保偏光纤相比，高双折射p c f ( 保偏p c f ) 突出的 优点是： 第一章绪论 ( 1 ) 制作上艺简单，成品率高，成本低，不需大型预制棒制作设备； ( 2 ) 设计自由度大，结构参数对相应保偏性能的表征性强，容易控制； ( 3 ) 传统保偏光纤双折射的典型值约为5 x 1 0 - 4 ，光子晶体光纤的拍长一 般可达l m m 以下。 ( 4 ) 除自然界存在的天然双折射材料( 如方解石) 以外，人为产生双折射的 途径有两种，即应力双折射和形状双折射( 或叫结构双折射) 。传统的熊猫型和 蝶结型保偏光纤依靠包层中的应力施加单元( 如硼棒) 对纤芯产生应力而形成双 折射，属于应力双折射，其缺点是随温度的变化应力施加单元产生的应力也发 生变化，从而影响光纤保偏性能的温度稳定性。另一种人工双折射是形状双折 射，对光纤来说，其纤芯折射率在不同方向( 两个相互垂自方向) 有不同数值， 因而造成两个垂自偏振态有不同折射率和传播常数，如椭圆芯光纤。p c f 的双 折射属于形状双折射，它是由光纤折射率分布在两个偏振方向上的不对称引起 的，这种双折射的优点是对温度变化不敏感，这一点在保偏光纤的实际应用中 ( 特别是在光纤传感领域的应用) 是非常重要的。这些潜在的优势，从传输特性、 结构、性价比、工作波段扩展等诸多方面为保偏光纤产品更新换代奠定了基础， 正因为如此，许多国家的研究机构加快了研发步伐，目前，无论在制作工艺、 性能改进、测试技术、产品长度等方面都获得了重要突破。与光子晶体光纤在 长途通信和器件应用相比，保偏光子晶体光纤的实际应用更加成熟。 1 2 - 3 光子晶体光纤的制备技术 设计和研究新型光纤的基础是它的制备，即制造工艺和使用的材料。传统 单模光纤要求纤芯和包层材料的折射率相似( 一般而言差别在1 左右) ，而光子 晶体光纤则要求折射率差值很大，达到5 0 以上。 光子晶体光纤的制备方法一般为j c k n i g h t 等人最早提出的堆拉法 ( s t a c k a n d d r a w ) 。它将普通光纤的拉制过程加以改进提高，并更加精密、更加 严格的控制光纤拉丝塔内的温度和拉制速度。步骤如下：首先将预先熔融制成 的预制棒研磨、钻孔后在光纤塔内拉伸成毛细管；然后将这些微细管按照预先 设计形状( 六角形，网状等) 扫p y j j 在一起，中心替换成一根直径完全相同的实芯 微棒形成实芯结构或者将中间的一根或若干根实芯微棒同时抽去形成空芯结 构；最后经过一步或两步复拉伸形成最后所要的光子晶体光纤。图1 6 所示的 第一章绪论 就是光子晶体光纤的拉制过程。 叫 i ，m m 工 1 8 0 0 c 图1 6 光子晶体光纤拉制过程示意图 ：m ：胁 ：2 m 光纤的个重要的参量是光信号在光纤内传输时功率的损耗。若只是入射 光纤的功率，传输功率为： 片= 最e ” ( 1 1 ) 这里口是衰减常数，通常称为光纤损耗：l 是光纤长度。习惯上光纤的损耗通 过下式用d b k m 来表示： 1 np = 孚1 0 烈詈) = 4 3 4 3 a( 12 ) 光纤损耗与光波长有关，其极限值取决于材料本身，影响光纤损耗的主要 因素是材料吸收和瑞利散射。在过去的3 0 多年里，由于制各技术的逐渐完善， 普通单模光纤中的损耗直在降低( 尽管还有可能降低，但已基本降到极限) 。 熔融硅材料的光纤中具有最低损耗的波长约在15 5 0 r i m 附近，目前在此波长上 的损耗约小于o2 d b k m 。实芯光子晶体光纤中达到小于1d b k m 损耗的例子已 有报道，由于在传输机制上与普通光纤相同，实芯光子晶体光纤在损耗上不太 可能有大幅度的降低。而对于光子带隙型光了晶体光纤而言，最近有报道的最 低损耗1 7 d b k m ，且基于中空的结构使得这类型光子晶体光纤具有更低的本征 损耗极限，冈此报道中的数值还没有达到基本损耗的极限。极低的非线性效应 阈值以及极低的传输损耗使得光子带隙型光子晶体光纤在传输高能激光脉冲和 远距离信息传递方面具有很大的潜在优势。 尽管空芯的光子带隙型光子晶体光纤己在实验中证实且结果令人鼓舞，它 第一章绪论 可以传输极高功率的激光束而由于在空气中传输故具有极低损耗，但值得注意 的是目前大多数的光子晶体光纤都是折射率引导型的，光子禁带的作用很小。 因为若要形成完全的二维光子禁带，需要一个比较大的空气填充比例( 空气孔直 径和孔间距之比不小4 0 ) 和精确的周期性结构，在目前的工艺水平下，这种光 纤的制备难度比较大。相比之下，折射率引导型光子晶体光纤制备难度相对较 小，它也是近年来发展最迅速的光子晶体光纤。目前英国b 1 a z e p h o t o n i c s 公司 和丹麦c r y s t a lf i b r e 公司等已有多种光子晶体光纤商品上市，价格从每米上百 到上千美元。尽管目前价格昂贵，但我们相信随着研究的深入、工艺技术水平 的提高，价格低廉且又有着无与伦比的特性的光子晶体光纤必定会得到广泛的 应用。 第三节光子晶体光纤的特性 光子晶体光纤的优异性能主要表现在几个方面：极宽的单模传输频带，可 控的模场面积，灵活的色散特性，易于实现的高双折射特性和高非线性特性。 这里可控的模场面积是指光子晶体光纤可在保持单模传输特性条件下，通过改 变光纤的结构参数来改变光纤的模场大小，可以根据特定需要来设计光纤模场 面积；高非线性特性主要指在小模场面积的光子晶体光纤中容易实现很强的非 线性特性。因此，下面将主要从单模传输特性，色散特性和双折射特性来介绍 光子晶体光纤的特性。 1 3 1 无截止的单模传输特性 这是指光子晶体光纤有极宽的单模传输频带，截止波长可以很短，可在近 紫外到近红外全波段维持单模传输，1 9 9 6 年到1 9 9 7 年间，英国b a t h 大学的 t a b i r k s 等人，首先发现并解释了这一新奇现象，并把他们制作的这种光子晶 体光纤称之为“e n d l e s s l ys i n g l e m o d ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ”。 1 0 第一章绪论 图17 单横光子品体光纤 如幽17 所示光纤断面六边形的边到边距离为3 8 2 m ，孔u j 距为 a = 23 m ，纯口n 实心区域直径拜4 6 l m ，测量表明这种光纤在3 3 7 l5 5 0 n m 波段内支持单模传输。 光纤中的模式，宴质上是电磁场的一种场型它是电磁场在波导内反射、 干涉的结果，各个模是离散的。单模或者多模光纤的概念就是从这里得米的， 多模光纤中可以怡输多种模式，而单模光纤只能传输一种模式。在一个给定结 构参数的光纤中，允许存在的导模数目与其归一化频率v 的大小有关： y ：丝n a 。塑、；i ( 13 ) 丑丑。 其中a 为纤芯半径，2 为波长，n ，n 2 分别为纤芯和包层的折射率。v 值越大，允 许存在的导模数就越多，反之亦然。对芯半径a 的阶跃折射率光纤，当vc 2 4 0 5 时才能维持单模传播。 由于材料和工艺的原因，普通单模光纤的截止波长。般大于l f 用。如国际 标准1 t u _ tg 6 5 2a 、b 、c 、d 均规定截止波长晟大值为1 2 6 0 r i m ，g 6 5 5 a 规 定截止波长晟大值为1 4 8 0 r i m ，2 0 0 3 年修改为1 4 5 0 r i m 。只有工作波长大于截止 波长时才能保证光纤巾只会有l 昂模式传播。因此。普通单模光纤的单模工作 波瞄施围一般大于1 “。根据式( 13 ) ，为了使v 值足够小，可咀减小a 值或 减小纤芯与包层的折射率差。a 己经在m 量级，减小余地有限，而且减小a 值会增加光纤的非线性系数和耦合难度，而大的非线性系数作为传输用的光纤 是需要避免的，同此要想增大光纤的单模波长范固就应设法减小折射率差。 t ab i r k s 等人提出的光了晶体光纤的等效折射率模型，可以报好的说明光 第一章绪论 子晶体光纤具有比普通单模光纤大得多的单模传输频带。对于光子晶体光纤， 空气比例决定了包层的等效折射率，只要减小空气比例就可以使纤芯和包层的 折射率差变小。类似于传统光纤的归一化频率，采用有效归一化频率作为光子 晶体光纤的单模传输条件： ，2 ：r r 厂了f 2 _ 、，z 赢一n c l a d ( 1 4 ) 几 其中r 是光子晶体光纤纤芯半径，z 一是纤芯折射率，是包层有效折射率。 包层的有效折射率不是包层材料折射率的简单平均或加权平均，而是由光场的 分布决定的，可以通过包层晶胞的等效数学模型解出。波长减小使得光场越来 越集中在折射率较高的石英区域中，因而提高了，z 删，其效果是降低了芯层和 包层的折射率之差，使得归一化频率趋于定值，从而满足了单模传输条件。 1 3 2 色散特性 色散是光纤最重要的参数之一，会直接导致光脉冲的展宽，限制光纤通信 系统速率的进一步提高，因而色散管理一直都是光通讯领域研究的主要课题之 一 2 3 - 2 4 1 。另一方面，如何利用光纤色散在光纤中的诸如孤子传输，超短脉冲的 产生，超连续光谱的产生和谐波的获得等也都是研究的新课题。 w a 删e n g t h - 拜嘲 图1 8 光子晶体光纤色散曲线 1 2 墨羹薹。曼 第一章绪论 l l ； - 一 j ，一1 - ： 厂。 y ： ， ? l、 1 r 。j 1 1 1 2 j 1 鼻 1 6 l 童 孵鲥嘲嘲 图1 9 光子晶体光纤中实现的色散平坦 传统光纤中芯层与包层折射率之差是通过掺杂稀土元素来实现的，但同时 出现的问题是由于材料不匹配可能引起较大损耗，因而芯层与包层折射率之差 不可能很大。传统单模光纤的色散主要由材料色散和波导色散两部分构成，波 导色散为正常色散，因而使得传统光纤的零色散波长大于材料的零色散波长， 从熔石英材料的零色散点1 2 7 , u m 移至1 3u m 附近。与传统光纤在可见光波段 呈现正常色散不同，光子晶体光纤由于包层的空气孔结构使得芯层和包层的折 射率之差增大，从而极大地增强了波导色散的作用，使得波导色散可以为反常 色散，因而光子晶体光纤的零色散点可以小于传统光纤的零色散波长1 3 , u m ， 甚至能够移至可见光范围 2 5 - 2 7 1 ( 如图1 8 所示，。此外，通过结构的改变，很容 易将光子晶体光纤的零色散点调至所需要的波长。这些在传统光纤中是不可能 实现的。光子晶体光纤不仅零色散点灵活可调，通过适当设计空气孔的参数， 还可以在极宽的波段内具有平坦色散，平坦色散值也可以根据需要设计为正常 色散、反常色散或近零色散【2 8 1 。图1 9 就是实际拉制的具有平坦色散的光子晶 体光纤的色散曲线。光子晶体光纤通常是由一种材料( 熔石英等) 制成，不存在 材料失配问题。不难想象，具有无比灵活的色散特性的光子晶体光纤将在超短 脉冲光学和超大容量光通信网的实现及优化方面获得重大突破。 光子晶体光纤的另一个突出特性就是零色散点可调，只需简单改变光子晶 体光纤的微结构尺寸，就可以在几百纳米的范围内取得零色散。k n i g h t 等研究 了多孔光纤的反常色散特性，其结果显示，适当设计多孔光纤的参数就可以实 2 鑫 辽 r 雌 毒 昭 一薹jlll雷暴_荔一纛。孰晨q 第一 绪论 现在从5 0 0 r i m 到1 3 0 0 n m 很宽的波长范围内控制零色散点。k n i g h t 等还给出了 零色散波长与纤芯直径的关系曲线，并指出适当殴计纤芯直径就可以在极宽的 波长范围内调节零色散点。k n i g h t 等进一步指出减小包层中空气孔的大小可以 减小零色散点处群速度色散的斜率。这就使得在波长大于8 0 0 n m 处设计平坦反 常色散曲线成为可能。 1 3 3 非线性特性 第一代非线性光学材料只解决了在高功率密度激光的作用下产生光学非线 性效应，但相互作用距离很短。传统光纤成为第二代非线性光学介质，它使相 互作用距离扩展到几十米，但是光纤的色散使光脉冲变宽，光功率密度下降。 光子晶体光纤既能够保持激光的高功率密度和相互作用长度，又能够保持脉冲 宽度不变，成为最理想的非线性光学介质。通过减小光子晶体光纤的纤芯面积 可以极大地增强光纤中的非线性效应。同时，石英和空气极大的折射率差增强 了波导色散的作用，因而使得光子晶体光纤零色散点可以移到13 t m 以下。如 果光子晶体光纤的零色散点移到常用的掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r e ) 飞秒激光器的 工作波长8 0 0 r t m 附近，那么飞秒激光器产生的超短脉冲在光子晶体光纤中传输 时能够保持极高的峰值功率，从而产生丰富的非线性效应。因此，光子晶体光 纤当自h 研究的另一个热点是非线性效应，以超连续光谱的产生 2 93 2 1 、光孤子效 应 3 3m i 以及频率变换等为代表的非线性特性方面的实验和理论成果己大大丰 富了原有非线性光纤光学的内容。在实验中观察到的飞秒激光在光子品体光纤 中产生的超连续光谱和发生频率变换效应时光纤的泄漏光如图11 0 所示。 幽i1 0 中心8 0 0 n m 的飞秒激光脓冲透过光子品体光纤时的侧而照片 第一章绪论 3 4 双折射特性 保偏光纤在长距离通信、传感以及特定激光器的设训方面有很重要的应用。 其原因是平行于双折射轴的线偏振光可以保持其偏振特性而不受弯曲引起的 应力等的影响。对于保偏光纤而言，双折射效应越强，拍长越短，越能够保证 传输光的偏振态。对传统光纤而言，由于弯曲或其他不可预料的微小形变，偏 振态无法很好的保证。普通的傈偏光纤，如熊猫保偏光纤，在线偏振光进入光 纤以酊，需要鉴别光纤的快慢轴，通过改变光纤结构达到这种目的。在微结构 光纤中，这一点很容易达到，只需破坏光子晶体光纤截面的圆对称性使其成为 ：维结构即可形成很强的双折射( l t 如，减少一些空气孔或改变空气孔的尺寸 如图l1 i ) ，可比现在常用的熊猫型保偏光纤能够高几个数量级。而且波长越长 双折射效应越强。且使弯曲和形变电能很好的保证传输光束的偏振态。 幽1 1 1 保偏刑光子品体光纤 另外在具有不完全光子带隙的非均匀结构的光子晶体光纤中也发现了极 有价值的新现象。 第一币绪论 图l1 2 非均匀光子晶体光纤 当飞秒激光耦台进如图11 2 所示的非均匀的光子晶体光纤中时，由于非线 性效应首先产生了极宽的超连续光谱；在此超连续光谱的传输过程中，又由于 这种光纤的强烈的双折射效应以及其结构上的非周期性所形成的不完全光子带 隙，在光纤的纵向上呈现出了明显的拍频现象，如图11 3 所示。这是首次在微 结构光纤中直接观察到拍频现象。 图11 3 超连续光传输时在非均匀光子晶体光纤中传输时的拍频现象( 箭头所指为同一色 光泄漏处) 第四节光子晶体光纤的应用 英国b a t h 大学( u n i v e r s i t yo fb a t h ) 和月麦工业大学( t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo f d e n m a r k ) 等早期开展的光于晶体光纤的研究工作在理论和实验上都获得了巨 第一章绪论 大成功，而且以这两所大学的研究小组为依托分别成立的b l a z e p h o t o n i c s 和 c r y s t a l f i b r e 公司已有产品上市。在最近几年间，随着国际上更多的公司和研究 小组加入到这一热点课题的研究中，光子晶体光纤的研究内容更加丰富，新的 研究成果不断涌现口5 _ 3 6 1 。j c k n i g h t 等人试验得到了一种严格单模光子晶体光 纤的零色散波长在7 0 0 n m ，这种光纤对于利用超短脉冲产生光孤子和超连续谱 方面具有重要意义。在近几年，国内也有很多单位加入到光子晶体光纤的研究 中。燕山大学红外光纤与传感研究所侯蓝田教授领导的课题组在国内率先进行 了光子晶体光纤的研制1 3 7 - 4 1 。研究p c f 间隙孔对折射率引导型光子晶体光纤 基本特性的影响，发现间隙孔的出现可以极大地减小光纤的限制损耗和有效模 式面积，同时增大非线性系数，并可以使p c f 的零色散波长向短波方向移动， 使光纤在反常色散区的色散曲线更平坦等特性。设计了内包层为椭圆空气孔的 色散平坦光子晶体光纤，色散值在s ，c 和l 带为0 6 - - 一1p s k r n n m 。