（光学工程专业论文）光子晶体光纤制备及其非线性特性研究.pdf

摘要 摘要 本文较为详细地综述了近年来光子晶体光纤的研究成果；介绍堆拉法 制备光子晶体光纤的工艺流程；采用了矢量有效折射率法，对光子晶体光 纤的色散平坦和非线性系数进行了数值模拟与分析；对不同色散特性的光 子晶体光纤的四波混频相位匹配条件进行了数值模拟和分析；利用不同结 构的光纤进行了飞秒激光脉冲传输的实验研究。主要研究内容如下： 对制备光子晶体光纤的工艺流程进行了大量的实验研究，发现我们堆 积方法中存在一些不合理工序，然后提出了改进措施。定性地分析了拉制 过程中的参数对光纤结构的重要影响，对光子晶体光纤的拉制有一定的指 导意义。最后，给出了本课题组制备的几种多孔微结构光纤和集成式微结 构光纤的截面图。 利用矢量法对光子晶体光纤结构色散特性进行了数值分析，通过改变 光子晶体光纤包层空气孔间距和空气填充率，可以有效地调节其色散特性 和非线性系数，从而能够方便快捷地设计出在8 0 0u r n 处接近于零色散及 具有双零色散波长的高非线性系数光子晶体光纤。 数值研究了具有一个零色散点和两个零色散点的光子晶体光纤的四 波混频相位匹配条件。结果表明，这两种光纤的四波混频特性截然不同。 此外，分别讨论了高阶色散项和输入脉冲功率对这两种光子晶体光纤的相 位匹配特性的影响。 实验研究了利用飞秒激光脉冲通过单一结构无序微结构光纤和多束 集成式无序微结构光纤中产生超连续谱展宽的现象。实验发现即使包层是 由无序空气孔组成的多孔微结构光纤也可以出现超强非线性效应和超连续 谱展宽，这种超强非线性效应是由微结构光纤对光的强局域效应引起。 关键词微结构光纤；光子晶体光纤；色散；色散平坦；非线性效应；超连 续谱；四波混频 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fp h o t o n i c c r y s m lf i b e r s ( p c f s ) d u r i n g s e v e r a ly e a r sa r ed e t a i l e d l ys u m m a r i z e di nt h i s p a p e r 1 1 1 ef a b r i c a t i o nf l o w c h a r to fs t a c k - d r a w i n gi s p r e s e n t e d 1 1 1 ef l a t t e n e dc l l r o m a t i cd i s p e r s i o na n d n o n l i n e a rc o e f f i c i e n tp r o p e r t i e so fp c f sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e dw i t ht h e v e c t o re f f e c t i v ei n d e xm e t h o d 1 1 1 ep h a s e m a t c h i n gc o n d i t i o no ff o u r - w a v e m i x i n g i nd i f f e r e n tp c f si ss i m u l a t e da n d a n a l y z e d w e h a v ed o n et h e e x p e r i m e n t so ff e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e sp r o p a g a t i n gi nd i f f e r e n tp c f sa n d g i v e n t h ee x p l a n a t i o nt ot h ep h e n o m e n o n f o l l o w i n ga r et h em a i nw o r k so ft h i s d i s s e r t a t i o n ： w eh a v es t u d i e dt h ef a b r i c a t i o nf l o wc h a r to f s t a c k d r a w i n gt h r o u g hl o t s o f e x p e r i m e n t a t i o n s o m ei r r a t i o n a lm e t h o d si nt a c kp r o c e d u r ea r ef o u n da n d o p t i m i z e d t h er e l a t i o nb e t w e e nd r a w i n gp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r eo f p c fj s q u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d t h ef a b r i c a t i o no fm i c r o s t m c t u r ef i b e r sa n di n t e g r a t e d m i c r o s t r u c t u r ef i b e r si no u rg r o u pi sr e p o r t e d av e c t o re f f e c t i v ei n d e xm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ed e p e n d e n c e so ft h e s t r u c t u r a ld i s p e r s i o na n dn o n l i n e a rc o e f f i c i e n to nt h ea i rh o l e - - t o - h o l es p a c i n g a n da i r - f i l l i n gf r a c t i o no f c l a d d i n g i ti ss h o w nf r o mn u m e r i c a lr e s u l t st h a tw e c a r ld e s i g np c f sw i t hn o r m a l ，a n o m a l o u s ，z e r of l a t t e n e dd i s p e r s i o na n dh i g h n o n l i n e a rc o e 伍c i e n ta r o u n d8 0 01 1 1 2 1 w e i n v e s t i g a t et h ep h a s e - m a t c h i n g c o n d i t i o no f f o u r - w a v e m i x i n gi np c f s w i t ho n ez e r od i s p e r s i o na n dt w oz e r od i s p e r s i o n r e s p e c t i v e l y 1 1 1 ei n f l u e n c e s o f t h eh i g ho r d e rd i s p e r s i o na n dt h ep o w e r o f i n p u tp u l s ea r e d i s c u s s e d w eh a v ed o n et h ee x p e r i m e n t so ff e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e sp r o p a g a t i n gi n t h es i n g l es t r u c t u r ed i s o r d e rm i c r o s t r u c t u r ef i b e r sa n dt h em u l t i - b u n d l ei n t e g r a t i v e d i s o r d e rm i c r o s t r u c t u r ef i b e r s ，a n do b s e r v e d s u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o n p h e n o m e n o n i ti sf o u n df r o me x p e r i m e n t s t h a tn o to n l yp c f sw i t hp e r i o d i c a l t t a b s t r a c t a i rh o l e sb u ta l s om i c r o s t r u c t u r e 士i b e r sw i t hr a n d o ma i rh o l e sc a l lb eu s e dt o g e n e r a t es u p e r c o n t i n u u m w e t h i n kt h a tt h es t r o n gn o n l i n e a re f f e c t sa r e b r o u g h t f r o ms t r o n gp h o t o nl o c a l i z a t i o ni nt h e s em i c r o s t r u c t u r ef i b e r s k e y w o r d sm i c r o s t r u c t u r ef i b e r ；p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ；c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ； f l a t t e n e dc h r o m a t i cd i s p e r s i o n ；n o n l i n e a re f f e c t ；s u p e r c o n t i n u u m ； f o u rw a v e m a x i n g i i i 第1 章绪论 1 1 选题意义 第1 章绪论 通信网传输容量的增加，促进了光纤通信技术的发展，光的复用技术 波分复用( w d m ) 、时分复用( t d m ) 、空分复用( s d m ) 越来越受到人们 的重视。但在以这些技术为基础的现有通信网中，网络的各个节点要完成 光电光的转换，其中的电子器件在适应高速、大容量的需求上，存在着 诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产生了通信网 中的“电子瓶颈”现象。为了解决这一问题，人们提出了全光n ( a o n ) 的概 念。 在发展全光网的过程中，迫切需要解决一个关键技术是光子集成技术， 它包括高速响应宽波段适用的光子源器件，窄带响应可调谐集成光予探测 器，路由选择的波长变换以及光开关。新出现的光子晶体光纤( p h o t o n i c c r y s t a lf i b e r s ，p c f ) ，在这一领域显示出了重要作用和发展前景，它具有无 截止波长单模传输和零色散波长可移至可见光波段的特性，可以把现在光 通讯用波段，从1 3 1 6l u n 扩展到整个可见区；尤其是发现了它的非线性 效应很丰富，如自相位调# i t j ( s p m ) 、交叉相位调t j ( x p m ) 、受激喇曼散射 ( s r s ) 、四波混频( f w m ) 、光孤子( s o l i t o n ) 传输等等。由于光子晶体光纤具 有极强的非线性效应，在传输时只要很短的光纤就能展成很宽的光谱，即 超连续光谱( s u p e r e o n t i n u u m ，s c ) ；此外，在p c f 中写入光栅，可以制作出 高耦合系数，低包层模式损耗的光子晶体光纤光栅，使光纤光栅具有灵活 的调谐手段和宽的调谐范围：通过向微结构空芯光纤中填充介质，可以实 现可变的光谱衰减器及光开关和高精度传感器等。它的这些特殊性质，使 得国际上各发达国家正在抓紧开发它，用来扩展光通讯波段，进行快速的 波长变换和光放大以解决光通讯和光网络问题，同时还涉及到p c f 自身一 些重大科学问题的研究。本课题就是在这样背景下展开的，同时受到以下 两个项目的支持： 1 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 国家重点基础研究发展计划( 或9 7 3 计划) “新一代通信光电子集成 器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”，项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 5 。 ( 2 ) 国家高技术发展研究计划( 或8 6 3 计划) “单结构与多结构集成式光 子晶体光纤及器件”，项目编号：2 0 0 3 a a 3 1 1 0 1 0 。 本文首先阐述p c f 的制备工艺流程，改进毛细管堆积方法，研究拉制 过程中影响因素。其次，设计出在8 0 0 衄处具有平坦色散和高非线性特 性的p c f 。接着，通过数值模拟分析p c f 中四波混频的相位匹配特性。最 后，利用本研究小组拉制的p c f ，研究其非线性特性。本文的目的是进一 步完善p c f 的制备工艺，获得各种结构的p c f ，同时从理论和实验上探索 一种能够合理解释p c f 中超强非线性效应和s c 的理论和方法。 1 2 光子晶体光纤概述 光子晶体光纤的概念最早由s t j r u s s e l l 等人于1 9 9 2 年提出。它是在 石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孑l ，从光纤端面看，存在周期性的二维 结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光能够在缺陷内 传播。与普通单模光纤不同，p c f 是由周期性排列空气孔的单一石英材料 构成，所以又被称为多孔光纤( h o l e yf i b e r ) 或微结构光纤( m i c m s t r u c t u r e f i b e r ，m s f ) 。它有别于传统的单一结构的通信光纤，引起了各国研究机构 的浓厚兴趣，n a t u r e 和s c i e n c e 等杂志开始频繁报道，掀起了轰轰烈烈的 研究热潮，揭开了光纤发展历史新的一页p c f 的导光机制可以不严格地分 为两种：一种是采用改进的全内反射( 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 ) 型 p c f 【1 2 1 ，其导光机制类似于纤芯为高折射率材料的传统通信光纤，称为折 射率引导型光子晶体光纤( r o - p c f ) 。另一种是光子带隙( p h o t o n i e b a n d g a p ， p b g ) 型p c f l ，简称p b g f ，其周期性排列的包层结构产生光子带隙， 处在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，因而在其中可以传播属于这个局 域化模频率的激光。由于p c f 的空气孔排列和大小有很大的可调性，可以 根据需要设计p c f 的光传输特性，所以激起了人们浓厚的兴趣。 本人在读研期间，收集整理了上百篇国内外文献，密切关注最新的研 2 第1 章绪论 究成果，对光子晶体光纤的色散、损耗、 一定的了解。纵观其几年来的发展历程， 究成果以及未来的发展方向。 1 2 1 r g p c f 的研究进展 非线性以及应用等研究方向有了 概述了这两种光子晶体光纤的研 r g p c f 的空气孔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芯纤芯中。r g ，p c f 对微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。这种光纤制备较容易，因而 是近年来的研究热点且发展迅速 7 - 4 7 l 。 1 2 1 1 无休止单模特性r g p c f 一个突出的特点就是“无休止单模特 性”( e n d l e s s l ys i n g l em o d e ) ，即r g - p c f 的截止波长可以在近紫外到近红外 全波段维持单模特性。t a b i r k s 等人用有效折射率模型对此作了很好的 解释【7 】，定义p c f 包层的有效折射率为石英和空气两者按结构加权的平均。 当波长变短时，模式电场的分布更加集中于折射率较高的纤芯，使得包层 有效折射率提高，从而扩展了单模传输的带宽。进一步的研究表明这依赖 于气孑l ：t l 径的相对尺寸，只要空气孔直径与孔间距的比值小于o 4 5 ( 纤芯的 绝对大小无关) 就能保证所有波长的单模传输。但实际中由于存在弯曲损耗 等方面的影响，使得单模传输有一定的带宽。美国贝尔实验室结果表明【8 1 ， 光子晶体光纤可以在5 0 0 1 6 0 0n n l 范围内保持单模传输。 对普通单模光纤而言，目前正在使用和开发的c 波段、l 波段和s 波 段总带宽只有1 5 0n l n 左右，而r g p c f 使单模工作波段向短波方向扩展 了6 0 0 7 0 0n n l ，这为波分复用增加信道数提供了充足的资源。r g p c f 的 无休止单模特性还与绝对尺寸无关，因而可以用比传统光纤大得多的芯径 来传输单模光，这能大大降低功率密度和非线性效应。一种可能性是开发 光纤激光器和放大器，它们能经受更高的功率级，但同时又不会达到使器 件最终失效功率密度。 1 2 1 2 奇异的色散特性r g - p c f 具有奇异的色散特性 9 - 2 “，这是因为 r g - p c f 可以由同一种材料制作，纤芯和包层可以做到完全的力学和热学 匹配，即纤芯和包层的折射率差不会因为材料的不兼容而受到限制，从而 3 燕山大学工学硕士学位论文 可以在非常宽的波长范围内获得较大的色散。r g p c f 在可以小于1 啪的 波长范围内实现反常色散，同时保持单模传输特性，而传统的单模光纤要 求波长大于1 2 8 u n 。r g p c f 的反常色散特性为短波长光孤子的传输提供 了可能，同时也为制作可见光波段的光孤子光纤激光器提供了机遇。b a t h 大学的研究人员在p c f 中用锁模钛宝石激光器激发光孤子，已经在8 5 0r l r l l 波长处观察到特征长度大于li n 的光孤子t 旺j 。 此外，清华大学电子工程系的倪屹等人用h e r m i t e g a u s s i a n 函数计算 出p c f 的色散特性，调整结构参数获得了一2 0 5 0p s ( n m k m l i l “，据此能够 得出这种光纤可以补偿是其长度1 0 0 倍的标准光纤的色散，这远远超过了 传统色散补偿光纤的色散补偿能力，这个性能将会在超宽带波分复用的平 坦补偿中有着重要应用。 1 2 1 - 3 极强的非线性特性r g p c f 在获得高非线性系数方面，具有极大 的潜力：一方面可以通过减小有效纤芯直径，来增大其非线性系数。英国 s o u t h a m p t o n 大学研制的r g m o f 2 2 1 ，其纤芯直径约为1 2u m ，1 5 5 0n l t i 处的非线性系数为7 0w 。i k m - 1 ，比标准通讯光纤大7 0 倍；另方面采用 高非线性系数的材料做纤芯，英国s o u t h a m p t o n 大学光电子学研究中心用 s f 5 7 挤压成具有高非线性系数的p c f 【2 3 1 ，它在1 5 5 0n n 处非线性系数约 为6 4 0w o k m 。r g p c f 能获得如此高的非线性系数，将使得非线性设备 具有史无前例的低工作功率( 1 0 一1 0 0m w ) 和超短长度( o 1 1 1 ) 。 r g p c f 的高非线性系数以及高度可调的结构和色散特性，在产生非 线性效应方面独具特点，即通过改变光纤包层几何结构可以有效地控制和 调节微结构光纤中的非线性过程，如通过p c f 产生脉冲压缩和展宽【2 4 ，2 ”、 光孤子的形成 2 6 - 2 8 i 和受激拉曼散射的增强等效应 2 9 3 ”，另外也发现了诸如 自相位调s l i t 3 2 , 3 3 l 、二次谐波和四波混频等参量过程【m ”】。特别是利用激光 脉冲通过微结构光纤产生超连续谱现象引起了人们极大关注1 3 8 - - 4 7 。 1 2 。2p b g f 的发展概况 p b g f 与r g p c f 有许多明显的差异：p b g f 纤芯折射率小于包层折射 率，与r g p c f 恰好相反，这是它们最根本的差别；t i r - p c f 通常在整个 4 第1 苹绪论 频率里都有导模，但是p b g f 只在一些特定的频率范围内导光，而且可能 只导行高阶模，而不存在基模。p b g f 还有一些奇异的特性：低损耗、低 非线性和低于1 3p a n 波长表现出高反常色散。形成光子带隙的结构多种多 样：复式蜂窝状p b g f 4 8 吼、薄壁六角形p b g f 5 5 3 j 和多层环状p b g f 5 4 , 5 5 1 。 图1 一l 为三种特殊结构p b g f s ，下面将分别介绍其结构特点和光学特性。 ( a ) 复式蜂窝状p b g f l 4 9 1 ( b ) 薄壁六角形p b g f 州 ( a ) m u l i t i p l e xl a t t i c eh o n e y c o m bp b g f 【4 9 】( b ) t h i n - w a l lh e x a g o np b g f ( c ) 多层环状p b g f 5 5 1 ( c ) m u l t i l a y e rd i e l e c t r i cc l a d d i n gp b g f 图1 - 1 三个p b g f 特倒的电子显微图 f i g 1 - 1s e mp h o t o g r a p h so f t h r e ec o n f i g u r a t i o np b g f s 1 2 2 1 复式蜂窝状p b g f1 9 9 8 年首次制造出空芯p b g f ，此光纤包层空 气孔排列象蜂窝，因而称为蜂窝状p b g f 。蜂窝状包层产生p b g 效应，将 波长处于p b g 中的光限制在空气纤芯中。对蜂窝状p b g f 的大量数值研究 5 燕山大学c 学硕士学位论文 表明j ，场能量的较大部分( 与折射率引导型光纤比) 分布在空气孔中，但 仍然有一部分电磁场能量分布在石英区域，从而获得一定的非线性系数。 复式蜂窝状p b g f 就是以此结构为基础设计的，如图1 - l f 曲所示【4 9 】， 小圆代表空气孔，大阴影圆是掺锗石英，其纤芯部分是石英。这种结构是 由丹麦j l a g s g a a r d 等人设计出来的，同时他们从理论上研究了这种复式 蜂窝状p b g f 的带隙特性和色散特性，计算结果表明，把孔间距减少到6 0 0 n l t l ，增加锗含量，可以设计出零色散波长小于5 0 0n l t l 的单模光纤，同时 具有很强的非线性。 1 2 2 2薄壁六角形p b g f 这种光纤具有两种结构：空芯薄壁六角形 p b g f 和实芯薄壁六角形p b g f 。空芯薄壁六角形p b g f 具有p b g 效应的 包层是由周期性排列的六启形空气孔构成，缺陷是通过移除包层中空气孔 产生，结构如图1 - 1 f b ) 所示。空芯薄壁六角形p b g f 具有一些特性：带隙 与空气填充率有关，当空气填充率增加时，带隙向短波长转移，同时带隙 变宽；能在带隙边界获得极高的正或负色散 还可以形成很窄传输窗v i ， 且允许单模传输，这对于r g p c f 很难达到；具有超低损耗的潜力，因为 作为导光介质的空气比石英具有更小的吸收和瑞利散射。但实际上，空芯 薄壁六角形p b g f 的损耗与普通单模通信光纤( 0 2d b k m ) 相比还有很大差 距，所以对这种光纤的损耗机制还需要深入研究。 对空芯薄壁六角形p b g f 损耗的研究表明，影响损耗的因素有吸收、 瑞利散射、限制损耗和模间耦合损耗。因为大多数光是在空芯中传输的， 所以散射和吸收非常小；限制损耗受空气填充率和空气孔环数的影响，最 新研究结果表明当空气孔环数达到1 0 层，且空气填充率要大于9 4 时， 能使得限制损耗小于0 1d b k m ，因而限制损耗并不是制约空芯薄壁六角形 p b g f 的主要因素；大量研究显示【5 0 】，空芯薄壁六角形p b g f 的大部分损 耗是由模间耦合引起的。纤芯模和一个或多个表面模耦合是光纤纵向微扰 造成的，形成这些微扰的因素有表面粗糙度、光纤尺寸或结构的轴向变动、 压力、扭转或其它能引起光纤传播方向折射率分布变化的因素。最近，b l a z e p h o t o n i c s 公司通过减小光纤纵向微扰，尤其是改进最里面两个空气孔环结 构，将损耗降低到了1 7 2d b k m | 5 “。但是，在这个光纤中，仍然存在纤j 占 6 第1 章绪论 模与表面模的耦合，从而限制了光纤损耗的减小。 为了进一步减小空芯薄壁六角形p b g f 的损耗，需要对模间耦合损耗 机制进行研究，以消除这种损耗。最近，斯坦福大学的h k k i m 等人通 过数值计算表明改变空气纤芯的大小和形状能够决定光纤表面模的存在与 否( 5 2 1 ，以及表面模的数量。他们发现当包层空气孔半径为0 4 m 为空气 孔间距) ，纤芯半径在0 黝1 1 a 范围内时，不存在表面模，而且可以实现 单模传输。 以上介绍了空芯薄壁六角形p b g f ，如果在包层空气孔中填充高折射 率材料，如液体或聚合物，同时采用石英作为低折射率纤芯，就构成了实 芯薄壁六角形p b g f 。这种光纤的特性同高折射率材料密切相关，当采用 的高折射率材料易受温度、外加电场或其它参数影响时，就可以改变外界 条件来调节实芯薄壁六角形p b g f 的带隙宽度、基本带隙波长、色散和其 它特性，从而满足不同应用的需要。丹麦理工大学的c 0 m 研究中心的研 究人员对包层空气孔中掺入液晶的实芯薄壁六角形p b g f 作了研究【5 辨，当 改变温度时，液晶的相位也就发生变化，从而引起带隙的改变。 1 2 2 3 多层环状p b g f 多层环状p b g f 的包层由折射率交替变换的环 行电介质层构成，这种包层能反射任何偏振态和任意方向的光，从而把光 限制在低折射率纤芯中( 比如空气、石英) ，因而又称为全方向导行 f o m n i g u i d e ) 光纤。为了将光更好地限制在纤芯中，要求两种包层材料的折 射率差很大，同时为了满足制造工艺的要求，这两种材料的软化温度和流 动性应该相近，从而限制了包层材料的选择范围。最近，多层环状p b g f 在材料和制造工艺上有了很大进展。麻省理工学院的k k u r i k i 等人首次将 多层环状p b g f 的基本带隙波长移到了近红外区o ，8 5 2 2 8g m 【5 ”。此光纤 包层的高折射率层是a s 2 s e 3 ，低折射率层是一种新酰亚胺材料，光在空气 纤芯中导行；日本东北大学研究人员制造出了实芯多层环状p b g f 【5 ”，如 图1 - 1 ( c ) 所示。他们采用气相沉积技术，把s i 和s i 0 2 按设计好的厚度一层 层地沉积到石英光纤上，从损耗光谱中能明显地观察到这种光纤的带隙。 多层环状p b g f 形成光子带隙不同于以上几个p b g f ，以上所叙述的 p b g f 均采用二维周期性结构形成p b g 效应，空气孔阵列的很小不规则就 7 燕山大学工学硕士学位论文 会影响带隙特性，因而精确调整其带隙特性具有很大难度。而多层环状 p b g f 采用的是一维周期性结构，通过调整包层每层厚度，就能轻易地控 制带隙特性。此外，多层环状p b g f 色散性能也很独特：当采用大折射率 差包层结构时，就能极大地拓展可调色散的空间，这时减小纤芯直径，还 可以增加正常色散；如果包层采用小折射率差结构，就可以使得波导色散 和材料色散相互平衡，以达到大范围的零色散。尤其是改变包层中某层的 厚度或折射率，可以充分发挥多层环状p b g f 色散的潜能。采用这种色散 调整方式，不仅可以实现大色散参数大纤芯光纤，而且还能实现多零色散 波长光纤。 1 2 3目前存在的问题 虽然p c f 与传统光纤相比具有许多优点，但距全面商用化还有很大一 段距离，这主要是存在以下几个问题： 1 2 3 1制备工艺不完善p c f 制备工艺的不完善表现在以下两方面：首 先许多理论上研究的结构，无法制备出来；其次在理论上，p c f 的损耗值 可以降到低于传统单模光纤的水平，但是由于在光纤制备过程中水污染的 影响以及制各过程中会出现一些微小的拢动，使得光纤的损耗无法降下来。 因而完善p c f 的制备工艺成为目前急需解决一个关键难题，这个难题的解 决一个需要建立准确的数学模型，用来精确控制光纤的结构尺寸，另一方 面要求减小制备过程中微扰因素和o h 离子吸收损耗，最近b l a z ep h o t o n i c s 公司已经制成了在1 5 5 0n l n 处损耗为0 5 8d b k m 的r g - p c f ，此外他们通 过减小光纤纵向微扰，改进最罩面两个空气孔环结构，将p b g f 的损耗降 低到了1 7 2d b k m 。 l ，2 3 2p c f 中非线性机制还需深入研究p c f 的非线性特性一直受到人 们的极大关注，对于p c f 中非线性作用机制人们分别从实验和理论上进行 了一定研究，但是对其非线性过程还没有统一的认识，尤其是超连续谱产 生机制的解释还存在两种看法：s c o e n 等人对利用6 0p s 泵浦脉冲产生的 白光超连续谱用光子晶体光纤中的受激拉曼散射和参数四波混频来解释， 其中泵浦脉冲的自相位调制效应可以忽略；a v h u s a k o u k h 和j h e r r m a n n r 第1 章绪论 等人通过理论和实验证明认为超连续谱的产生是由于光子晶体光纤中零色 散波长附近的高阶孤子裂变成红移的低频孤子和蓝移的非孤子辐射而产生 的，这是一种新的光谱展宽机理。对p c f 中非线性现象的深入研究将极大 地拓展p c f 在参量放大器、光纤激光器、光纤光栅、光丌关等光纤器件方 面的应用，并且有可能对非线性光纤光学的发展起更加重要的推动作用。 1 2 3 3与传统光纤及器件的耦合由于p c f 的一些比较奇异的参数r 如 大模场面积或小模场面积) ，使得它的耦合的方法( 以及损耗值) 与传统的光 纤有着极大的不同，并且p c f 的尾端需要进行密封，否则由于毛细管效应， 光纤可能吸入液体或者气体。因此，在p c f 大规模使用之前，需要解决 p c f 器件和普通单模光纤耦合的问题。 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究以下几个方面的问题； ( 1 ) 光子晶体光纤的制备( 第2 章) ； ( 2 ) 8 0 0n l n 处色散平坦高非线性光子晶体光纤的设计( 第3 章) ； ( 3 ) 光子晶体光纤中的四波混频( 第4 章) ； ( 4 ) 无序微结构光纤中飞秒激光脉冲产生超连续谱的实验研究( 第5 章1 。 9 燕山大学工学硕士学位论文 2 1引言 第2 章光子晶体光纤的制备 1 9 9 2 年s t j r u s s e l l 等人提出光子晶体光纤的概念后，首先面临的挑 战是如何设计制造方法。经过四年的尝试失败后，人们发现将石英毛细管 捆绑起来，一起熔化，最终成功地拉制出了p c f 。这种捆绑拉制过程可以 很容易地把实芯、空芯、或是掺杂区域组合起来。这种工艺的成功主要在 于有稳定的机械结构使得表面张力趋于平衡，因而在拉制过程中能保持空 气孔的排列有序。另一种可行的工艺是挤压法，挤压熔化的玻璃使之通过 一个模具，此模具中孔的排列方式经过了适当的设计。挤压技术可以直接 把大块玻璃拉成光纤，并且几乎能拉成各种结构( 晶体的或是非晶体的) 。 它可以用于多种材料，包括硫化玻璃和复合玻璃。 目前，p c f 的制备工艺已逐渐成熟，正步入商用化进程。国外已成立 了三家研究p c f 的公司：制备p c f 的先锋是英国b a t h 大学的p h i l i p r u s s e l l 先生，他已经是b l a z ep h o t o n i c s 公司的首席技术官，帮助后者推动p c f 商 用化进程，如今b l a z ep h o t o n i c s 已经推出数十款p c f 光纤：目前一家名为 o m n i g u i d e 通讯公司正在致力于研究利用p c f 传输c 0 2 激光器发射的1 0 6 岍波长；第三个光子晶体研究公司是丹麦的l y n g b y 公司，该公司认为 s o l i d c o r ep c f 业务需求正在快速增长，特别是那些能将多模二极管发出的 光转换为高质量单模光束的双包层光纤，增速最为迅速。 在国内，从2 0 0 0 年开始燕山大学红外光纤与传感研究所在侯蓝田教授 的领导下开始进行光子晶体光纤的研究工作，2 0 0 2 年在国内率先进行了集 成式微结构光纤的制备，同年拉制出了第一根集成式微结构光纤。 本章首先概述了p c f 的拉制工艺，接着详细描述了光纤预制棒制造过 程中遇到困难及解决方法，然后定性地分析了拉制过程中温度、表面张力、 张力对p c f 结构的影响，最后介绍本研究小组拉制的几种类型的微结构光 纤：包层具有无序孔穴分布的实芯或空芯光纤、包层具有周期性或准周期 1 0 第2 章光子晶体光纤的剖备 性孔穴分布的实芯或空芯光纤以及集成式微结构光纤。 2 2 光子晶体光纤的制备工艺流程 传统光纤的制造包括两个主要步骤：制作光纤预制棒和采用光纤拉制 塔高温拉丝。对于传统石英光纤，这两种技术经过二三十年的发展，己趋 于成熟。采用堆拉法制备p c f 的步骤，与传统光纤的制备技术有相似之处 ( 即同样包括制备预制棒和拉制光纤) ，但也存在较大的不同，主要在于预 制棒的制作过程，这种方法的工艺流程如图2 。l 所示，图中将p c f 预制棒 的制备细分为毛细管的拉制和毛细管的堆积。 图2 - i 光子晶体光纤的制备流程图 f i g 2 - 1t h e f a b r i c a t i o nf l o wc h 小o f p c f ( 1 ) 结构设计与材料选择根据不同的使用要求，进行结构设计。结构 设计通常包括根据实际应用情况确定p c f 的类型，设计p c f 的几何尺寸， 其中包括：芯部的形状、几何尺寸，包层中空气孔的几何尺寸、数量和排 列方式等。然后选择适宜的材料。制备光子晶体光纤所用的材料一般采用 无掺杂的石英玻璃，也可根据不同的要求，选择其它的材料，如光学玻璃 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 或聚合物材料等。 ( 2 ) 毛细管的拉制根据不同的设计要求，选择具有良好几何尺寸和光 学表面的石英管，进行充分严格的清洗后，拉制出不同直径、不同壁厚的 毛细管。 ( 3 ) 毛细管的堆积将拉制出的毛细管切断，按照紧密方式堆积成光子 晶体光纤的放大结构，然后对排好的毛细管进行捆绑粘结，一般捆绑材料 为钽丝。再将其放到厚壁玻璃管中，形成预制棒。 ( 4 ) 光子晶体光纤拉制将预制棒放入光纤拉丝塔中进行拉制。通常光 子晶体光纤的拉制温度要明显低于拉制单丝的温度，以保持单丝形状及捆 绑的排列形状和结构。由于空气孔的引入，光子晶体光纤的预制棒的结构 比传统的石英光纤的预制棒复杂得多，因此需要摸索新的拉丝工艺。而在 将预制棒拉制成光纤过程中保持单丝形状及捆绑的排列形状和结构是其中 最为关键的一步，也是技术难度较大的一步，既需要有较为精密的拉丝设 备，又需要较多的实验技术和经验。 ( 5 ) 几何尺寸的测试将拉制出的p c f 截断- - d , 段，切平端面，利用电 子显微镜观测p c f 横截面结构，对此进行分析，计算收缩比是否满足设计 要求，及时调整拉制的温度、下棒速度以及拉丝速度。此步骤为在线测量， 因此对于制备工艺的调整至关重要。 ( 6 ) 涂覆收丝因为石英玻璃光纤本身是比较脆，而引入众多孔的光子 晶体光纤就更为脆弱易折，经不起弯曲和摩擦，所以当光纤成形后要立即 涂上丙烯酸树脂或硅树脂，通过加热炉或紫外光照射的方法使涂覆材料固 化，形成牢固的涂覆层，对光纤起到了保护。 2 3 预制棒的制备 传统光纤的预制棒的制备技术主要采用气相沉积法，包括改进化学气 相沉积法0 “c v d ) ，气相轴向沉积( v a d ) ，外气相沉积法( o v d ) ，等离子体 气相沉积( p c v d ) 。这些成熟的技术在制造光纤预制棒时引入的杂质非常 少，而且能精确控制掺杂浓度，因此保证了传统光纤的商用化。虽然这些 技术能精确控制沉积过程，但是它们有一个共性即只能制造圆对称结构的 1 2 第2 章光子晶体光纤的制备 预制棒，因而只适合径向控制。而对于p c f 预制棒的制备，其横截面是由 二维周期性排列空气孔构成，因而无法采用以上所提到的预制棒制备技术。 p c f 预制棒的制各最初设想是在石英棒上钻几十个到上百个周期排列 的孔，但是这种方法成本高，而且速度非常慢。1 9 9 6 年b i r k s 等人首次提 出了堆拉法制备p c f 预制棒1 5 ”，他们利用超声波钻在一个长2 5c m 、直径 3c m 的石英棒中心钻孔，然后将其外表面磨成六边形，接着拉制成直径为 1m m 的中空六边形管，再将六边形管紧密堆积成周期性结构，捆绑粘结 后形成p c f 的预制棒。 最近，这种堆积方法又得到了改掣57 1 ，即直接将圆形石英空管和石英 棒堆积成预制棒。但是这种方法会引入多余的空隙，这些空隙存在于三个 相邻管之间，因而称其为间隙孑l 。要想达到精确控制光纤结构，必须控制 空气孔的尺寸和位置。在这一点上。是引入还是消除空隙孔对于能否形成 光子带隙显得非常重要。 本实验室在制各预制棒时，对六边形管和圆形管的堆积都进行了研究， 图2 2 表示了预制棒的制作过程，下面就详细介绍这方面的实验研究。 噼每d 寸， - 2 0n 瑚1n 蚰 “1 5 i r f f n- 5 f i l m 图2 - 2 预制棒制作过程 f i g 2 - 2t h e f a b r i c a t i o np r o c e s so f p r e f o r m 2 3 1 毛细管的拉制 首先，根据要设计的p c f 结构参数，决定要拉制的毛细管外径大小和 壁厚。选择具有良好光学表面和结构参数的石英玻璃管进行严格清洗后， 拉制成毛细管。毛细管的形状可以是六边形，也可以选择圆形。由于最终 获得的光子晶体光纤结构参数要达到微米数量级，因而拉制的毛细管有一 点微小的形变，都会对光子晶体光纤的结构产生巨大的影响。在拉制毛细 1 3 燕山大学t 学硕士学位论文 管的过程中严格控制以下两个方面：个是保持光纤横截面不发生形变， 另一个是确保光纤纵向均匀，不能拉成锥形。否则在堆积时，就无法使得 毛细管排列保持周期性和紧密性。 2 3 2 毛细管的堆积 堆拉法的灵活性就表现在毛细管的堆积过程，此过程制作的预制棒相 当于p c f 的放大版。利用堆积法可以制造出不同结构的预制棒，比如制造 单个高折射率纤芯、多个高折射率纤芯、椭圆纤芯、空气纤芯以及集成式 光纤预制棒，或是通过改变包层中空气孑l 的几何尺寸和排列方式制备出各 种性能不同光纤的预制棒，如大数值孔径、高双折射、高非线性光纤预制 棒。不过，所有的这些设计能否实现，还必须有赖于毛细管排列的紧密性， 紧密结构能使拉制过程中的表面张力分布均匀，从而保证拉制出完美的 p c f 结构。 本研究小组现在主要采用的堆积方法是把毛细管排到一跟长2 0e m 、 直径为2c m 的空管中。这种堆积方法，要保持毛细管排列紧凑难度很高。 如果采用的是完全规则的六边形管，那么在堆积时就很容易形成紧密排列。 但是，实际情况下，由于熔融玻璃具有表面收缩力因此拉制出的六边形毛 细管都是圆角的，因而在堆积时引入了额外的空气隙。这些空气隙出现在 三个管棒相交的极小区域的中心，因此它们被称为间隙孔。如果采用圆形 毛细管，那么在堆积过程中必定存在间隙孔。在拉制过程中发现，这些间 隙孔的表面收缩力对其周围的三个管，棒形状影响很大。图2 - 3 ( a ) 是采用圆 形毛细管堆积成的预制棒拉制出高折射率纤芯p c f 的截面图，其纤芯都发 生了不规则的变化。出现这种现象的原因可以通过图2 - 3 ( b ) 来说明，实芯 棒和毛细管的大小设计不合理，从而堆积过程中实芯棒与周围的毛细管排 列形成的间隙孔分布不均匀。图中间隙孔2 的表面积比间隙孔l 的表面积 要大得多，因而在拉制过程中间隙孔2 的与间隙孔l 的收缩力不同，最终 导致纤芯发生不规则形变。 这种堆积方法另一个缺陷是容易造成预制棒纵向不均匀。在排管过程 中发现预制棒中毛细管的排布会发生扭转，最终会使得拉制出的光纤纵向 1 4 第2 章光子晶体光纤的制备 出现扭曲。此外，向大玻璃管中塞毛细管的做法，很难保证预制棒中间部 分排列紧凑。当向大管中塞入毛细管时，越是靠近大管中间越难，这说明 预制棒纵向已经不均匀，有的区域空隙大而有的区域空隙小。初步分析是 由于用于拼装的毛细管的尺寸并不是严格一致的，即纵向均匀性并不是很 好。这种现象可以通过图2 - 4 来解释，图( a ) 和( b 1 分别是由预制棒中部和尾 部拉制成的p c f 端面。可以清楚地看出，图( a ) 出现了两个大孔，原来纤芯 部分变得非常不规则，收缩力的不均匀分布又产生了大空气孔，而图( b ) 纤 芯结构保持比较好。 ( a ) 不规则纤芯p c f 的电子显微镜圈( b ) 不规则纤芯结构的分析说明图 ( a ) as e mo f p c fw i t ha b n o r m a lc o l e( b ) t h ei l l u s t r a t i o no f a b n o r m a lc o r e 图2 - 3 间隙孔不均匀形成非圆形纤芯 f i g 2 - 3t h en o n c i r c u l a rc o f ea r i s e af r o ma b n o r m a la i rg a p s ( a )