（光学专业论文）微结构光纤基本性质和微结构光纤光栅研究.pdf

中文躺要 中文满要4 本文研究了微结构光纤的基本性质，从理论和实验两个角度讨论了徽结梅光纾在 光纾光栅方面的特性和廒用。蓠先介绍了微结构光纤的发展过程及研究现状，概括了 徽结鞠巍野不两手传统先纾躲特瞧；阐述了瘸子溪论分耱豹数毽诗爨= 方法，选取跷较 有代表性的平丽波展开法和谢限单元方法作了详细说明；计算分析了微结构光纤的能 带、色散、青效模式面积和泄漏损耗等参数，在此基础上研究了两种不同机制双手厅射 徽缭梅光纾的特往，并讨论了敢芯带藤光纾在藕合器方箍酶应零；写麓徽结祷毙纾 b r a g g 光栅并理论模拟多谐搬峰出现的原理；将微结构光纤光栅用于温度传熊和威力 转感的磅究，羚设诗了基予徽结构光纾光瓣鹣多波长激光嚣。主要磷窕遗容如下： 1 、利用平酾波展开方法j i 有限单元方法研究了徽缩构光纤的传导特性，对三角 形、蜂窝形栅格空气孔包层结构的光子能带避行了研究，在此基础上阐述了光予晶体 蠢纾鹣蕊导税铡，对辑瓣率霉| 等衣毙子带瓣零 导弦臻稳煮野藩滚繁雹数、灌漏损耗_ 麓 有效模场面积进行了研究。 2 、在基予对徽结构光纤熬本蛀覆秘礤究基硪之上，对结构不对袜等致齑双事厅射 惫予潞钵竞绎和波力区辱致黼鞭挢射光予灞俸毙纤的双擗魅特牲进行了研究。比较了 两种离双拆镕 徽结擒光纾的棚双辑射和群双拆射的特挫并进行解释。 3 、理论模擞了双芯空气传导竞子繁黻光纾嚣藕台特毪，发瑰双蕊兜子带臻光野 具有与双芯幸嚣射率传导微结构光纤类似的耦合性质。对鼹有两个榍邻纤芯的空气传导 光予带隙光纾的传导模式和糕台特性进行了理论分瓠，在所分板的续构中发现了无耦 台点，在该液酶处瓣个臻邻g 哥芯之惩不发生耱量转移。 4 、利用相位掩模法，我们在糕l 予型徽蹈构光纤e , n 作了b r a g g 光纤光栅，溉察 了光搬鲍透射瀵酾反射谱，对其中的多蕊搬蝾现象进 j ：了分析；著且应用有限单元分 橱方法，理论计锋了谐振蜂如现的位置，所得结巢与实验基本一致。 南开大学硕士毕业论文徽结构光纤基本性质和微结构光纤光栅研究 5 、对自行制作的柚予型微结构光纤b r a g g 光栅的多个谐振峰进行了温度和应变 传感特性的理论和实验研究，得出了柚予型微结构光纤b r a g g 光栅的温度和应变传感 关系。研究结果表嘲，柚子型微结构光纾b r a g g 光栅的反射峰波长变化与温度呈二次 关系，且三个蜂的温度灵敏度并不一致；光稀的反射波长与应变鬟线佼关系，且不同 模式福合形成的三个谐振峰随应力的变化率不同。利用这一特性，可以考虑实现多个 物理量的同时测量，这在多参量传感领域有着重要的应阁潜力。 此外，稠翔太空气孔微结构光纤光栅的多反射峰特性，我们设计并实现了线形腔 多波长掺锤光纤激光器，在室滠下得到了三个波长豹激光输出，所测波长分别为波长 分别为1 5 5 7 8 4 n m ，1 5 5 5 。0 8 r i m 和1 5 5 2 9 2 n m 。 关键词：微结构光绎光子燕体光纤光子带黢光纤藕合器群双拆射糖双摄射光 纾光栅掺锤光纤激光器 本论文得到国家科技部9 7 3 计划项嗣( 编号2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 6 ) ，国家科技部8 6 3 计划项目( 编号2 0 0 2 a a 3 1 3 1 1 0 ) 和图象自然科学基金顼艘( 编号6 0 4 0 7 0 0 5 ) 的资助 a b s t r a c r a b s t r a c t 膏 t h ef u n d a m e n t a lp r o p e r t i e so fm i c r o s t r u c t u r ef i b e r ( m f ) a r ei n v e s t i g a t e di n t h i s d i s s e r t a t i o n ；m o r e o v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no ft h i sn e wt y p eo ff i b e ri nt h e f i e l do ff i b e rg r a t i n ga r et h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yd i s c u s s e d b e g i n n i n gw i t ht h e m f ss t a t u sq u o , t h en o v e lp r o p e r t i e so fm i c r o s t r u c t u r ef i b e ra r es u m m a r i z e di nt h e f o l l o w i n gp a r t s t h e nt h et h e o r e t i c a lc o m p u t i n gm e t h o d s a r ep r e s e n t e d ，i nw h i c hw e e m p h a s i z ep a r t i c u l a r l yo nt h ep l a n ew a v em e t h o d ( p w m ) a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) w i t ht h et w om e t h o d sm e n t i o n e da b o v e ，i m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha sb a n d g a p ， d i s p e r s i o n ，l e a k yl o s sa n ds oo na r ec a l c u l a t e d ，a sw e l la st h eb i r e f r i n g e n c eo ft w ok i n d so f m f , w h i c ha r ei nt w od i f f e r e n tm e c h a n i s m s an e wt y p eo fo p t i c a lc o u p l e rb a s e do n d u a l c o r eb a n d g a pm i c r o s t r u c t u r ef i b e ri sp r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，f i b e rb r a g gg r a t i n ga r e s u c c e s s f u l l yi n s c r i b e di ng r a p e f r u i tm f , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n d i v i d u a lr e s o n a n t p e a k sa r ea n a l y z e d ，b a s e do nw h i c ham u l t i - w a v e l e n g t hf i b e rl a s e ri sd e m o n s t r a t e d t h e d e t a i l sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h eg u i d e dp r o p e r t i e so fm f sa r ei n v e s t i g a t e d f i r s t l y , w es t u d yt h ep h o t o n i cb a n d s t r u c t u r eo ft h em f s ，w h i c hh a v ea i rh o l e si nc l a d d i n ga r r a n g e di nt h ef i g u r eo ft r i a n g u l a r a n dh o n e y c o m b t h e nt h eg u i d e dm e c h a n i s m so fm f sa r ed e m o n s t r a t e d a n dw a v e g u i d e d i s p e r s i o n ，l e a k yl o s sa n de f f e c t i v em o d a la r e af o rb o t hi n d e x i n d u c em fa n dp b g f a r e c a l c u l a t e d 2 o nt h eb a s i so fs t u d y i n gf u n d a m e n t a lp r o p e r t i e so fm f s t h eb i r e f r i n g e n c e p r o p e r t i e so ff o r m i n d u c e da n ds t r e s s - i n d u c e dh i b i m f sa r ei n v e s t i g a t e d t h eg r o u p b i r e f r i n g e n c ea n dt h ep h a s eb i r e f r i n g e n c eo ft h et w of i b e r sa r ed e m o n s t r a t e da n dt h e n u m e r i c a lr e s u l t sa r ei na g r e e m e n tw i t ht h er e p o r t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 t h ed u a l c o r e a i r - g u i d e dp h o t o n i cb a n d g a pf i b e rc o u p l e r s a r ed e s i g n e da n d d e c o u p l i n gp h e n o m e n o nh a sb e e nf o u n d 。c o u p l i n gp r o p e r t i e so ft h ep b g f sw i t ht w o a d j a c e n ta i rh o l e sa s f i b e rc o r e sa r ea n a l y z e d t h ed e c o u p l i n gp o i n t ，w h e r et h e r ei sn o t u 南蹄太学硕士毕瓣论文徽拣构光柙旗泰挂案和微黠柄恕纤光栅姘惫 p o w e r t r a n s f e r sb e t w e e nt w o 掰溅撼氍醢霉毽鼯i nt h i ss 赶强霉l 鞠罄a n d i st h e o r e t i c a l l ye x p h i n e d ， 氘u s i n gt e , m so fau v l a s e ra n da p h a s em a s k f i b e rb r a g gg r a t i n g sa r ef a b r i c a t e di n g r a p e f r u i t 繇姆+ t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u ma n dt h er e f l e c t i o ns p e c t r u mo f t h eg r a t i n ga r e s t u d i e da n dt h ep h e n o m e n o n 域m u l t ir e s o n a n tp e a k si se x p l a i n e d ，b yu s i n gaf u l l - v e c t o r f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u n d a m e n t a lc o r em o d ea n dt h eh i g h e r o r d e r c l a d d i n gm o d e sc o n f i n e db ya i r - h o l e s a t e t h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e d a n dt h e w a v e l e n g t h so f r e s o n a n tp e a k sw e l ta c c o r dw i t h 蠛ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 。 5 。t h et e m p e r a t u r es e n s i n gp r o p e r t i e sa n dt h es t r e s ss e n s i n gp r o p e r t i e so fa g r a p e f r u i t m i c r o s t m c t u r ef i b e rb r a g gg r a t i n gw i t hm u l t i - r e f l e c t i o np e a k sh a sb e e nt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y , s t u d i e d + t h e r e - s u r si n d i c a t et t m tt i r eg r a t i j a gh a v ep r a c t i c a lz p p l i e a f i m si n t h ef i e l do f m u l t i 一：p a r a m e t e rs e n s i n gm e a s u r e m e n t i na d d i t i o n , am u t l i - w a v e l e i t g t he r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rb a s e do nam i c r o s t r u c t u r e f i b e rb r a g gg r a t h l gi sp r n p c r s e da n dd e m o n s t r a t e d 。t h el a s e rb a s e d8 魏t h i sn o v e lg r a t i n g c a ub ed e s i g n e d 谂a c h i e v et h r e e - w a v e l e n g t ho u t p u ta tr o o m t e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：m i c r o s t m e t a r e f i b e r , p h o t o n k ：e l v s t a tf i b e r , p h o t o n i eb a n d g a p ， b i r e f r i n g e n c e , f i b e rg r a t i n g , e r b i m n - d o p e df i b e rl a s e r 8 s u p p o r t e d 姆t h en a t i o n a l 黼 er e s t c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m 9 7 3 ”u n d e rg r a n tr i o , 2 0 ( i 3 c b 3 1 4 9 0 6 ，i h en a f l o n a t 鞘秘t n t e c hr e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r m n “8 6 3 。u r i d e rg r a n t 2 ( d 2 a a 3 1 3 t 1 0 , a n d 璁n a l i o r l a tn a t u r es c i e n c e 孙锵妇濑b 强嘧e h * 妇r 誉捌蘸艇再糊醇辩豁 n 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予收集、保存、使用学位论文的援定，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 文的印刷本和邀子版，并采弱影毽】、缩印、扫描、数字化成其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索吼及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校肖权 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： 诩d 焉童孕 加多年j 月；o 魏 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所坚交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所 取得的成果。除文中已缀注明引用的内窬外，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： 切斯娉 第一章绪论 第一章绪论 现代光纾技术怒二十世纪最主璎的技术成果之，作为传赣分质的光纾在其 中扮演着重爰的作用。传统光纤目前存在豹主要问题是光能损耗和色散，随着信 息量的日益增大，要求光纤输入更多的信息，这就嚣要提篱输入功警，但是太大的 功率又会g l 起光纤核心介葳的非线性效应。如何便纤芯的面积增大同时保证单模 传输，如何既可以掇高输入功率又不会带来模式色散? 微结构光纤就是基于以上 阔麓丽发展起来的种新鳌导光结构。这类特殊光纤的出现和应稍，使褥现代光 纤技术发展到了一个新的阶段。 1 。1 微结构光纤简介 微结构光纤( m i c r o s t r u c t u r ef i b e r , m n ，也称光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , p c f ) 或空濑光纤( h o l e yf i b e r , h n ，怂近年米波广大瓣究者所关注匏一类裁溅竞纾。 该类光纤通常由单一的石英材料构成，在沿光纤长度的方向上均匀排列着波长量 级的空气孑l 从而构成微结槐包层。从光纤端面看，存在二缑周期惶结构。由予空 气孔的排列和大小祷很大的控制余地，可以根据需鞭设计光纤的光传输特性，所以 激怒了人们浓厚的兴趣。 1 1 1 微结构光纤的发胺 二卡毽篼五+ 年代齐始静潋半露蒋为代表静电予带豫糖料导致了人类历史第 三次科学技术革命。几乎所有的半导体器件都是围绕如何利用和控制电子的运动， 电子在其中趣至l 决定俸嗣嚣光子爨有电子掰没有静优势：速凄更快，显没有轻互 作用；因此，控制光波的流动成为人类多年的梦想和追求。从科学技术的角度可 敬瑟言，这一嚣稼秘实蕊将对人类产生不委予鼗毫孑技零荤余掰带来熬深翔影翡。 在科学家研究用单一材料改变光的传播性质的过程中，光子晶体的概念最早 蠢e y a b l o n o v i 耙h 黧s 。j o h n 分裂鬟疆p 一。雩# 为二缭毙予鑫锩懿一耱瘦蠲，徽结稳 光纤表现出菜些普通光纤所不具备的特性，引起了人们极大的关滋。这类光纤具 有灵溪豹设计蛙，逶过改交包层帮纾芯翡终拘霹隘褥到特豫豹色散特牲秘嚣线毪 特性，在光通信领域也具有广泛的应用前景。另外，m f 中传输的光模式耦合入空 气魏熬强瘦与其缝镌戬及空气孑l 中黪套屡有关，瑗示羞它霹漩应蠲予倏逝场器传。 南牙太学矮士毕业论文 檄姥耨光绎基泰性黄和截黠辆竞锋光掘霹竞 在微结构光纤的研制方面，英国b a t h 大学er u s s e l l 的研究组起到了重要的作 用。1 9 9 6 年， 也们采用毛纲管拉制的方法酋先研制了全反射型光子晶体光纤1 3 l ， 如图1 - l ( a ) 所示，光纤的包层中具有三角形排列的空气孔，在纡芯处通过缺失一个 空气孔从而产生缺陷。在这种光纤中，由于包层中空气的填充面积小，不能形成 光予禁带，传导是通过全内反射实现的。在1 9 9 8 和1 9 9 9 年，该组又相继研制了 蜂窝形包层结构和三角形包层结构的光子禁带光纤】，如阁1 - 1 ( b ) 、( c ) 所示，特 别是后者，光可以在空气纤芯中传播，这在光纤制造领域具有非常重要的意义。 图l 一1 几种不同类型微结构光纤横截面 最迸几年良来，微结构光纾在制造技术上释益成熬，l u c e n t 、c o m i n g 、c r y s t a l f i b e ra s 和b l a z e p h o t o n i c s 等凡家公司在徽结梅光纾骈究帮离韭佬方褥都俸了缀 多工 乍，并褶继推豳了海数纯静产晶。图i - l ( d ) 是l u c e n t 公司硬裁豹霹调节光予 禁带光纤l “，该光纾包屡懿空气孔中充入了离拆瓣攀豹液体，可以形成兜子禁带把 毙隈副在二氧化硅栋成躲纾芯中。鞫1 1 强) 是奎b l a z e p h o t o n i c s 公司研捌鲍第一静 产晶化豹空气传导懿光予禁喾巍纾瓤以翅于传母在以1 0 6 0 r i m 残1 5 5 0 r i m 为中 心带宠达1 2 0 r i m 戆毙。图1 - 1 国是c r y s t a l f i b e r a s 公司基麓已经意业化豹葛j # 线 性微结擒党野婵j 。这些掰结构光纾毂发展，使我们对于传统光纡概念鲍理缎正在发 生骜改变，基于该技术原理的大规模应鼹也逐灏开展起来。 第一章蜡枪 。 ，2 徽结构斑纤豹导光源建 圈l 一2 徽结蛰毙纾分类承意图 南开文学矮士半燕论文擞结秘竞绎基本牲委和截螃糖光绎光栅研究 1 9 9 6 年，在o f c ( o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n s ) 会议上，英国b a t l l 大学的j c k n i g h t ，t a b i r k s 等学者作了关于光予晶体光纡f p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ) 的报告， 标志着种新型光纤的诞生，揭开了光纤发展历史新的页瓯在此后近十年的时 间里，更多的学者投身于该方向的研究，不断提出新的看法和观点，更加丰富了 这类新型光纤的理论和实验资料。在这个过程中，对于这种包层典有复杂空气孔 结构的光纤，人们提出了诸如“多孔光纤( h o l yf i b e r ) ”1 9 1 ，“微结构光纤 ( m i c r o s t r u c t u r ef i b e r ) ”【1 0 1 等不同的称呼；同时，光纤的结构随着制作水平的掇高 也变得更加丰富，光纤包层中空气孔的排列方式、间距、直径以及纤芯形成方式 的麓异使得光纤的传导性质千麓万别。然而，不论结构如何变化，微结构光纤的 传导机制都可以归为折射率传导和光予带隙传导两类，两者分别熬于全内反射效 应和光予带隙效应来导光。 ( 一) 折射率引导型微结构光纤 e s t j r u s s e l l 的研究小组在研究电磁波在垂直二维光子晶体平面的方向上传 搔时发现，当传播常数b 足够大，采用空气孔在熔石英中星六角形规则排列的晶 格结构就可以产生完全的光子带隙【1 1 1 。据此，他们报道了第一根光予晶体光纡， 结构如图1 - 1 ( a ) 所示。但是，实验发现这种光纤并没有预期的光子带隙效应， 光的传输原理仍然被解释为全内反射吼这类光纤一般由石英纤芯和具有周期性空 气孔结构的包层构成，由于空气孔的介入，包层与纤芯相比具有比较小的有效折 射率，这一点与普通光纤类似。这种新的机理被称为改进的全内反射( m o d i f i e dt o t a l i n t e r n a lr e f l e c t i o n ) ，相应的光纤也被称为折射率引导型微结构光纤或全内反射微结 构光纤。利用上述原理进行导光的这类光纤，包滕微结构可以不舆备严格的周期 性，从结构和特性上又可将其分为无截止单模型、高非线性效应型、大数值孑l 径 型徽结构光纤等等。 ( = ) 光子带隙型微结构光纤 真正地利用光予带隙效应实现光倦输的微结构光纤是由j b r o e n g 等人报道 的，他们采用如图1 - 1 ( b ) 的蜂巢结构极大地增加光子带隙的宽度，制作出第一 根依靠光子带隙效应导光的光纤【4 1 2 14 1 。这炎光纤包层空气孔的排列具有严格的周 期性，可以传导的光也极具波长依赖性，只有落在带隙范围内的定频率的光波 才能够被传输。由于纤芯一般是低折射率的空气，因此不能用传统的全内反射原 理来解释，按包层的徽结构形状可以将其分为蛛网真空形、低折射率纤芯型和 b r a g g 光纤等。 ，4 一 莓一毒凌 鞋 1 3 擞鳞襁炎纤豹黼 譬 同前微结构光纤的制造通常采用的方法为毛细管堆砌拉$ 1 ( s t a c k 。a n dd r a w ) 的 方法 3 j ，癸耘予传绕藜党纾粼作工艺，一黢篷括瑟兮步骧；善先裁瀵该铡转，然黯 在拉体塔中怒宏蕊尺度的颟制棒筑镩成光纤，图i 3 麓攀介绍了袋结稳光纤的拉镧 避稷。 蠡予奁礁礴过程中，这些罨缨蛰鞠石英捧黪羲 列方式可| 冀麓滔选择，_ 彀可 以掺杂其它离子，所以能够很方便地制造出各种缩构的徽结构光纤【1 5 j 。光纤的蹬 终形状不仅与颥枣l 棒酶结稔有关，遂可以邋遥控麓控毒l 参数显萋政变。运些参数 主磐包括：炉予的温度、预制棒遴入炉子的速度和拉制光纤的逮殿。因此，同样 懿毙纤予耍铡磅可以产生光游瞧矮突全不嗣瓣巍纾，列 ! l 浚体力学n a v i e r - s t o k e s 方 疆，a 。d f i t t 等人建立了光纾酌最终形状爨拉 率参数秘预蔫捧形状豹关系摸型1 1 6 i 。 另外，r 。t b i s e 等天袋嗣溶驳一凝黢褥造( s 0 1 g e tc a s t i n g ) 技术蒋l 造了终芯为 石蜓的光子带隙光纤【6 1 ，同氇细管堆砌拉制方法相比，利用这种方法制造的光纤警 气魏瓣影捩、大枣、嚣霎曩阿戳独立改变并且格子审不会产生彝豫溺。虽遥摄邀嬲 薪兹预潮撩静稍俸方法嗣榉毽褥美注，遮麓方法主要怒锋对特殊材精豹徽绪幸毒竞 野聪发明的。例如，对于然渡璃攒糕采嗣秘壹羧渖按愿形成技零m ，对聚合黪 材料利用域叠、冲压和钻孔的方法构造预制棒 ”1 ，f a l k e n s t e i n 等人则在石英玻璃 哮 援入可被蠢镶魏玻璃毒季辩橡戏竞纾颈稍耪，接我诗要求耱裂努莠熔征袋囊之感， 臀涮用酸腐蚀摊不需要的部分形成空气孑乙l 删。 鹚l 3 徽绕梅巍纤控制过箨示意图 以上爨烈蛉微络憨光纾大鄂蹩列用蠢英玻璃秘秘章鼋成，在对这类党终进行磺 究的过程中，辩学工搏者们媳在试强将这耱微结橡扩靛列其毽孝萼料黔瘟翅中去。 露为五英夸雩瓣鳋的勇一静遮择，纯合翰玻璃也为竞纾翻造瓣供了一热有藤的特j | ! ! 妻。 这些特性怒石蕊渡璃所不巢蔷的比如可以扩展光波传导的频率濑围等。m o n r o 南井欠学矮士串业论文微熊鞠_ 老l 纤基本媾霞和徽结耨党释危栅研究 等在文章幽 中捌举鹣榉最包攒虢，纯耱玻璃、裔拖戆玻璃酾重金j 霆氧化物玻璃等。 虽然化合物玻璃具肖很大的应用潜力，但赵对于制造低损耗单模传导的光纤还存 在一定疆难，酱数并没有褥戮广泛鼹瘫翅。 此矫，微精摘光纤还可以采用聚台物奉孝精制成。圆嬲石英甫成瓣微结梅光纤 稆魄，聚合物徽缭秘光纾其露黻下特点：制造菱热鸯菇，这怒嚣为程援潮滠度下， 表尉张力和糙性更易平衡，防止空气孔坍塌；结构的设计更加灵活；出于需夏更 羝的擅毒溢壤帮聚合穆痰在瀚掰整戆，为瓣瓣懿遴一多改逡提供了硪麓；焘绎翦 基质和制造工艺都受加便宜；光纤即使在大囊径下墩保持柔韧性。目前已经利用 聚合甥剃或零攘、鑫双季厅菇、雾芯嚣辑射露褥导徽缝橡毙绥鞫走子辫滁簧移 l 冬激 结麴光绎i 2 l j 。 1 。 ，4 微缩构溅纤酌应辩 随着光纤制造技术的不断完善和发展，微结构光纾的擞糕在不断降低。对于 实蕊徽结梅毙纾，臻裁枣子l d b k m 熬翻孑b 蠢擐导l 蠲，褥黠予麦子带隙墼然辙终 梅光纤，损耗斑1 7 d b k m 鹣滟纤已有报导 2 3 l ，而近期撮导的最低损耗为0 3 7 为 d b k m l 2 2 。穰漏理谂诗算，巍纤籁耗可醴将溅踅低静承乎，鞠既带稼掇先纤在远距 离传输中还具有缀大的潜力。 谯解决了党绎损耗这个辩挠光纤应豫瓣主要同藤之纛，徽结褐淹纤迅逮被应 用到科学研究中，而且已经涉及到光学学科以外的物理学甚至化学学科等多个领 域。程菲线毪研究方聪，1 9 9 9 年，b r o d e r i c k 等入霹折射率传导镦缋稿先纤熟菲线 毪聚象镀了磷究，德翻采弱貔徽结秘毙纾模式嚣积终1 4 畔产左表，交予，l 、熬模式 露税经光纤静菲线槛效应显瓣罐强，k e r r 非线性系数撼蛰遴琶散稳穆光纤瀚3 9 倍丽b r i l l o u i n 散射闽值降低了3 6 6 倍1 2 4 1 ；撼予自相位调制效应，p e t o p o u l o s 等人 实现了2 登孬垒蕊全滗开关l 嬲，氛这静2 r 孬生器与一个褥步模块囊合可漤终隽3 我 光学褥生器，应粥予w d m 中蕻有院巍电器燕器更低的成本l 碉：翻丽微结构毙纤 静交叉稳位鼙鼙裁效应瞧可以鬟蘧成衰速全竞瑟关，类艇瓣技泰已经凝俸为瓣复爰 器应罔于1 6 0 g b s 的o t d m 系统中瞄】；j h l e e 等人还利用微结构光纤的交叉相位 潺裁皴盛镬袋了可调谐w d m 波长转换器，铡造懿波长转换器可敬实凌1 0 g b s 转 输谴率下1 5 r i m 带宽的波长转换1 2 哪；微结构光纤在光孤子颁域也有熬爱的应用， 它露以在毙蛰逶光缍大靛多瓣波长范强蠹呈联反鬻色教，这懑在低乎l 岬蛇短波 区域骥察巍纤光孤予提供了珂麓，其在双光子显镦、光存赭领域蒋霪要匏应用 3 0 - 37 | 实验表蒋，警掘超疆躲狰努入且卡艇漆长懿鬻菲线毪徽结穆必纾中，可以 6 第一章绪论 蘧察蛰包捂红努季鞋可觅光熬超宽繁连续谱，j k r a n k a 等久苕先演示了在徽绪擒光 纤中产生超连续潜的现象【粥】，这种超连续谱产生可以用于生物成像技术、w d m 遽僚系统戳及自觉光滚豹裁遥等鬏域 3 9 - 4 6 1 。在光纤激党器秘竞野藏大器方瑟，徽 结构光纤与包层泵浦技术结合，已经制造出各种用于高功率激光器的双包层微结 秘党纾f 4 7 。s o l ；2 0 0 3 年，该公司与j e n af r i e d r i c h s c h i l l e r - u n i v e r s i t y 合 车演示了辕爨 为8 0 w 1 5 0 l 和2 6 0 w 的双包屡激光器，并且最高输出功率预言可以提高到1 2 k w ， 这据志着擞结橡双包层光纾激光爨已经达到劳正在超越营逶双包瀑走纾激光嚣熬 水平；另外，光子晶体光纤激光器【4 8 - 5 2 1 、放大器 5 3 。55 1 、参量振荡器和参量放大器1 5 6 。8 1 也蠢耀关搬道。奁党纾光褫方_ 螽，憋微结棱光纾与传统光撵技术捐结合，写制了 微结构光纤光栅，并用于多参量佟感和可调谐器件的制作5 9 - 6 7 1 。其他领域的应 用，比如多芯耦合器件 6 8 郴l 、脉冲整形1 7 6 - 8 7 等等磺究，戡以之为鏊础迅速发展越 来。 惑之，徽结梭光纾在诲多方嚣帮其寿缀强鹣应建徐僮秘发鼹麓景。它熬是瑷， 为我们深化认识光与物质的相互作用，扩展光纤的应用领域提供了新的重器机遇。 1 2 微结构光纤的特性 擞缝秘宠纾崮予萁结橡静独蛰往，其有许多螯遥光绎掰不其备静特瞧，毪如 无截止单模传输特性，奇异的色散性质，离双折射特性，高非线性特性等等。 1 2 1 窥带单模传导特性 标准盼跃折射率光纤传导模式舱数量幽归一化参量v 决定，只有当v 使小于 2 4 0 5 时，光纤保持单模传输。在营通光纤中，单模条件袭示如下： 扭) ：孥钯一霸三y ”葛2 4 0 5 ( 1 1 1 ) 其孛，v s m a ) 表示单模光纾斡v 参量，瓣。窝n 分爨是光纡纤蕊纛篷艨的辑鹫 率，a 是纤芯直径， 是波长。由于，l 。和邝“只与材料色散有关，随波长变化较小， 所以v 值近似与波长成反泌。因此，总是存在一个波长极限，当波长小于这个波 长极限时，矿值大于2 4 0 5 ，光纤呈现多模。 对于蓄次报道瓣摄鼓率弓 导型徽结构毙纾，在液欧为3 3 7 n m 劐1 5 5 0 n m 斡范 围内都是啦模传输，这就是所谓的媳有无限单模传输特性【3 1 。这一特性可以利用有 效掇射率方法鳃释，类比于落遂单模光纾，矿款表达式可定义为黔8 9 l ： 南井太拳硕士毕业论文徽鲒构光纤基本娃斌和艘结构光纤光栅研究 g , c f ( a ) = 竿( n c 2 0 一，z 扩s 石 ( 1 2 ) 焚孛a 是空气孔豹溺薤。与訾递巍纾不弱熬是，在微缨擒光纾中，媳瀑有效援 射率不是包层材料辑射率简单她平均，而怒强烈依赣予波长。随着波长的减，j 、， 分布在空气洞中的场能量减少，从而增大了包层的有效折射率，纤芯和包层的有 图1 - 4 不同包层空气i l 嵩径d a 下微结构光纤中v 参数的变化刚 效折射攀差就相对减小，从丽馒矿参量接避个常数。图1 4 显示了不糊空气孔 壹经d a 下v 参数鹃交位，馥线铁上蠢下d a 篷蔽次递减。可敬看鑫，警d 给篷足 够小时，有效归一化频率矿始终低于产生多模的临界值，这表明所对成的微结构 光纤几乎在所有波长范围内保持单模特性【9 0 i 。 2 2 色散特憷 偬散特性在光纤中扮演重露作用，是光纤的最重要参数之一。在普通光纤中， 色散主要由石英的树料色散决定，通常只有猩1 3 0 0 n m 以上的区域才能如现反常色 教，扶瑟隈割了谗多线牲效纛黪产生。鞠跑之下，徽缭稳光绎中瓣穗教具有j 常大的灵活性，遮一性质在色散控制和非线髋光学等领域有重要的应掰价值。 微结构光纤的色散同样分为由材料折射率随波长变化导致的材料甑散和由光 纾终搦雩| 起豹波导骢数，可戳j 嚣钕建把总夔教看成是波昌恕敖帮撵辩馥数之嚣 9 1 1 9 2 i ： d ( a ) w d 。( a ) + r ( a ) d 。( a )( 1 3 ) 葵中毯夫) 表承光殇分毒在石英耪攀 孛熬魄夔，d 。陶表示耪辩色教，d g 表示 波导色散，可以在不考虑材料色散的条件下获得。同普通光纤不同的怒，波导色 茹一章砖论 散在徽结构毙纾鹃色散中占京燕要俸蘑，懑过改变镦精构光纾鹣几簿参数，可戳 灵活的设计爿；同的色散曲线。 鹫蘩，& 经辑截遗翼畜不鬻色鼗特睦涎援薅攀赞导凝结稳竞纾，魏零夔数点 位于可见光区域f 9 3 】、具有平趣( 三阶色散为零) 和遵平趣( 四阶色散为零) 色散 静徽结鞠光纤1 9 4 - 9 7 1 ，这些巍纤已经簸用在激予的产生翻传播，孤予激光器，参耋 放大器，超连续产生瓤超短脉冲压缡篆非线性光纾光学领域和色散替偿等方蕊。 ( 8 ) 黔m论 一嚣- 一 f 一 7 3 0传87 7 0御o 8 1 0 昭oa 孤 w a v e l e n o t h 秘m j ( b ) 图1 - 5 徽结构光纤的色散：( a ) 折射率传导微结构：j l 已纤襁短波氏睡域获 得反常色散 9 3 ；( b ) 光子带嗽光纤的色散【”l 。 s t o 舳 釉曼 絮 a j m og “ - 1 0 0 a - ，s 转 党予荣瓣光纾具有菲常将拣的毯散特憷，与毙予带隙效应密韬糨关。蹬1 - 5 ( b ) 显示了誉觅靛兔子带豫光纾瓣氇敖螽蠡线。不论曼三受形包瑟缩梅还怒蜂窝澎包屡 结构，色散巢育魑共同的特性：1 ) 零色散点出现在带隙的中部偏向短波一方， 2 ) 在带隙的短波边界，呈现大故正常色散；蕊在长波边器，则呈现犬嬲反常色散， 3 ) 在繁藩边缘憝存在菲零藤鹩三狳惩教泌蚓。竞子帮羧党绎魏叁教糗篱l 哥淤簿释 为鼹有突变的传输特性的波鼯中的k r a m e r s k r o n i g 关系和一维波导搿产生的附加 静艇常色散凝加躺绪梁，键怒还有待进一步研究，目前的臻论计算嗣实验结果在 带缀中心附i 鹱符譬较好，两在嚣隙边缘处存在壤差。光予繁隙光纤中戆这静色 散效应可以镬予获褥菲誊低的群速痰、色散枣 偿嚣先僖号翁色散瓣笈角。藏舛， 由于光予带隙光纤的色散特性逛可阻用于喇啾脉冲雁缩，由于其空气纤芯具有很 蘸的j 线淫，可良躜予产生蒸肖越过漳餐的光躲狰。 2 3 鼗耗特 生 微结构光纤中的损耗邋常包括吸收搦耗、散射损耗、弯曲损耗、约束损耗 肼 肺 i 套 黼 船 舶 献 黼 ho哿譬媳蒌。 冒耋基d)o番一差兰口暑i摹善 南开火学唾士毕业论文擞炼耱光纤基本镍质和数结构克纤光栅研宪 ( c o n f i n e m e n tl o s s ) 和缺陷损耗( i m p e r f e c t i o nl o s s ) 。其中前三种损耗在普通光纤 中也存在，而后两种损耗是微结构光纤特有的。 墩鼓损耗泉巍光纾稳或毒才料对光的吸牧。除光子带敝光纾之舞，在其它类型 的微结构光纤中，能量都是集中在构成光纤的材料如石荧中，因此燕有和普通光 纤类似的本征和j 本征吸收，如红外、紫外嗷收以及由于杂质( 如o h 离子) 的 吸收等。 散射损耗是掰辩率传导黧徽结梅光纤中损耗的主要来源。这是霞瓷在徽结秘 光纤中，不仅存在由于材料不均匀而出现的r a y l e i g h 散射损耗，而且由于光纤中 存在大量的空气孔，孔壁表面的粗糙结构还造成额外的r a y l e i g h 散射l 删。因此在 磅铡羝损耗魏舞鑫重率簧导擞缝褥竞纾对，绦嫠空气_ 霾戆光涛是 零必爱懿。 弯曲损耗分为宏观弯瞌损耗和微观弯曲损耗，它鼹制造具有大模场面积的微 结构光纤的主要限制。宏观弯曲损耗来自远大于纤芯尺度的弯曲。在普通光纤中， 逯豢只在长波方囱存在宏残弯鼗损耗熬边界，然聂擞缝擒光纾中宏鼹弯强损耗不 仅有长波边界，丽且还有短波边界陋1 嘲。这是因为在长波方向，稷场向包层中扩 展，因此在弯曲过程中受到受大的扰动；而在短波方向，模式被更紧密限制在石 英纤芯中，包层蠢效折射率提黼，导致数熊孔径下降，使光纤抵抗弯曲的能力减 弱。t p 。h a n s e n 等久还对空气僚等静是予繁骧毙纾懿宏躁弯蘸损耗骰了实验萋秀突， 研究表明宏观弯曲损耗只对带隙的短波边界产生影响，随着弯曲半径的减小，光 纤传导窗口的短波边界向睦波方向移动，而对于传导范围内的其它波长，由于光 纤驽麴瑟弓l 超豹影嫡不大l ”。锻弯损耗是幽， 、足瘦弯藏鬻来兹模式持续抗动弓l 超 鲍。微结构光纾的徽弯损耗和光纤的结构露很大关系，a b j a r k l e v 等人根据藕合 模理论分析了微结构光纤的微弯损耗，对于典型的微结构光纤微弯损耗为 0 o l d b k m ，而普通标准光纤的微弯损耗为o 1 d b k m l l 州。对于大模式褥积光纤， 逶遘嬉镞增大光纾壹径可戳降低短波范围煞徽弯臻裁l 1 0 2 。 约束损耗是由于微结构光纤包层中空气孔层数有限瓶带来的。在折射率传导 微结构光纤和光予带隙光纤中，约束损耗具有不同的性质。对前者而言，约束损 耗燕凌予纾芯露镪拦空气强戳癸夔区域具有稳霹豹辑龛砉攀嚣亏l 超懿；此癸，在竞 纤制造过程中，出现在毛缅管之间的小的窳气空隙也可以显著降低约束损耗。丽 在光子带隙光纤中，理想的光予带隙效应只能出现在空气孑l 层数无限多的情况下。 当空气孔环数比较少时，光予警隙会出现淤漏，这就带来了约束损耗。 缺陷损耗主要针对光予带隙光纤丽言。当包层中空气孔的排列和大小由于铡 第一章蹄论 逡王艺黪菰麓不黢搽证强麓分商蠡亨，巍予辩辕会变窄或卷瀵失。藏翻，在簸稍遥程 中，如粜环境参数发生变化，导致淤光纤长发方晦上巍纾裁霹续樾发生变化，会 譬羧巍纾嚣苓磷谴嚣毙予繁港匮蠛不蕊，镀褥在竞爵橥毅长度主可强转器熬蠢， 在塌一段出骥泄漏。 1 斑予裁锫工艺鹈不兜蛰，徽臻稳竞绎遄存在瓣激多遗戏缀糕憋鞠索，4 灏藏它 她摸裁醚秘袋离子饕迢光纾，熙溅了这娄必野浆黩攫。瞧是经道众多学嚣媲不馔 努克，该鳝旃光纾熬灏麓歪嶷不精辩繇。鹭翦，k 。t a j t m a 等太露疑翻瀵懑长遮1 0 k i n 在波长1 5 5 9 m 时损耗只蠢0 3 7 d b k m 躲搬爨重率转鼯型微结槐光错，并将其翅予 d w d m 系统黪实验泌，露对予竞予渗豫鼙辩徽结弱巍翳，瓣甥藤遂瓣鼗羝舔糕为 1 7 d b k m z 3 l ，为这种光簿在擞广泛领域的感孀提供了条体。 。2 ，4 嚣凝辑辫梅缓 燕窦器黪激黎德宠野审遴露雾在较大蕊双簧瓣，主要惑添寿嚣爨鬟遮藏： 蹩程毙纾拉剁过稷巾产生鹣枣孝辩残余瘦力遗戚貔：嬲一个麟因楚国予翎逸避耩中 窆气我嚣壁饕窝足毒蕊轻擞麓蘩，皴嚣了鲭褥辩露嚣避速袋辩l 嬲一0 4 1 。壤书襞鬟 挠秘对光纾瞰辑髓的影响，鼹奉遮懿嘉甄取辑瓣蕊瓣徽终购毙绎嬲关键。麟究袭 爨，遮可菇懑过蠼文足痰邈子a 蕊袋竣夺空气魏足1 琏滤袋窦溪，娄怂缮太溪偿， 缕巍撼动辩溅辑耱瓣影稳下降约掬德l 删。讴逶逮秘改避鞣鬻嚣要隳凝皴缭籀毙 终憋焚它蹩婺特鼗，翅模式鹣数量、模缮尺寸秘窍 l l 擐糕磐，邋照蠢走野瓣没键 适程串，需簧对遨整麓素避露备穷磷权鬻。 熨一方磷，双摄射效艇越强，越能够曝诞光始饿摄悫，逮崔长姬蒜邋铸、传 黎颡攀搂鼙鞴添鼗蠢爨煞设计中畜蔫 # 露熏蘼稳巍鬻。蓑藏毙野取褥联掰射秘方 式商炳穗，躺截斌采用非瞬夥对称缝构成邋过施舰威力的方法健光缁本赛熬有双 簿葑，琵藏“熊穗”淹终帮“顿骛”巍绎。辩予镦镰稳秃野，廷嚣幕羧交纾蕊翡 形状域者色麟中空气孔的形状和科 列以致破坏光纤的对称谯，麟可以褥到缎离孵 黢辑麓辩粼，