（光学工程专业论文）微结构光纤中的布里渊和拉曼散射效应研究.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图j f ；馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 f i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 奎丞 2 0 1 0 年5 月2 8 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目微结构光纤中的布里渊和拉曼散射效应研究 姓名李元学号 2 1 2 0 0 7 0 1 9 l 答辩日期 2 0 l o 0 5 2 7 论文类别博士口学历硕士团硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院睬噘信科院光学所 专业 光学工程 联系电话 0 2 2 - 6 0l7 3 3 7 0e m a i l d e r o s h i a l y g m a i l c o m 通信地址( 邮编) ：天津市河东区华昌大街4 7 号金盾里3 4 3 0 1 ，3 0 0 1 5 1 备注：无是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文使用授权书 丫 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入 南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 球i 作者暨授权人签字：么垄鱼 洲。年形月泖日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目微结构光纤中的布里渊和拉曼散射效应研究 姓名李元学号 2 1 2 0 0 7 0 1 9 1 答辩日期2 0 l o - 0 5 2 7 论文类别博士口学历硕士团硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信科院光学所专业光学工程 联系电话 0 2 2 6 0l7 3 3 7 0e m a i l d e r o s h i a l y g m a i l c o m 通信地址( 邮编) ：天津市河东区华昌大街4 7 号金盾里3 4 - 3 0 1 ，3 0 0 1 5 1 备注：无是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附 南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 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 取得的研究成果。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： 奎丞2 0 1 0 年5 月2 8 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限2 0 年月 日至2 0 年月 日 审批表编批准日 2 0 年月日 c ， 期丐 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 微结构光纤( m i c r o s t r u c t u r e df i b e r ) ，又称光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , p c f ) ，作为一种二维光子晶体，在对光的操控能力方面有着传统光纤无可比拟 的优势，因此自诞生以来，就一直吸引着人们的注意力。其可设计的光纤结构 使得微结构光纤在非线性效应方面有着独特的特点，尤其是受激布里渊散射和 受激拉曼散射。不同的微结构包层对这两种非线性效应的影响很大，与传统光 纤相比，会出现一些全新的现象；通过设计光纤结构可以使非线性效应得到抑 制或者增强，大大扩展了微结构光纤中这两种非线性效应的应用领域。 本论文的选题来源于国家9 7 3 项目“基于微结构光纤的新型功能器件、异质 兼容结构与光电子集成”( 2 0 1 0 c b 3 2 7 6 0 5 ) ，天津市自然科学基金重点项目“新型多 功能集成光子晶体光纤r a m a n 放大器”( 0 6 y f j z j c 0 0 3 0 0 ) 和国家自然科学基金项 目“基于光子带隙光纤的可调谐光电子器件”( 5 0 8 0 2 0 4 4 ) ，以微结构光纤中的受激 布里渊散射和受激拉曼散射效应作为研究重点，进行了相关的理论和实验研究。 完成的主要研究工作和创新点如下： 1 研究了几种常见的微结构光纤中受激布里渊散射的理论计算方法，并应用一 种简单有效的分析方法计算了两种折射率引导型微结构光纤中声波模式的 分布情况，进而计算出了相应的布里渊增益谱。 2 搭建了一套基于泵浦探测技术的测量光纤中布里渊散射谱的全光纤实验装 置。利用此装置测量了上述两种微结构光纤的布里渊散射特性，并和理论计 算结果进行了比较。 3 利用上述理论和实验分析方法分析了一段全固光子带隙型微结构光纤。对于 纤芯中的布里渊散射特性，我们分别通过实验测量和理论计算进行了验证， 两者吻合较好。并对该光纤包层高折射率柱阵列的布里渊增益特性进行了分 析和讨论。 4 在对一段7 0 m 色散平坦高非线性光子晶体光纤中受激布里渊散射效应进行 深入实验研究的基础上，开展了其在光速减慢和多波长光纤激光器中的应用 研究。在小信号布里渊增益为3 3d b 时，实现了3 0n s 的信号延迟，其延迟效 率是普通单模光纤的1 3 7 倍。同样利用此光纤，我们成功搭建了一个环形腔 摘要 布里渊掺铒多波长光纤激光器，并实现了在1 1 r i m 波长范围内可调谐的5 波长 激光输出。 5 实验研究了微结构光纤作为增益介质的拉曼光纤放大器。在对不同泵浦方式 的放大器进行实验研究和深入分析的基础上，发现前向泵浦和后向泵浦的光 子晶体光纤拉曼放大器具有增益谱错位互补特性。基于此特性，提出并成功 实现了不用增益平坦滤波器的高性能、增益平坦的双程光子晶体光纤拉曼放 大器。利用国产光子晶体光纤，研制出净增益大于2 0d b ，增益带宽大于3 0n m 的高性能光子晶体光纤喇曼放大器实验样机，与相同泵浦条件下的单程光纤 放大器相比，增益和增益平坦性能都有很大程度的提高。 关键词：微结构光纤，受激布里渊散射，有限元分析，慢光，多波长，光纤激 光器，受激拉曼散射，拉曼光纤放大器 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r e df i b e r , a l s ok n o w na sp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) ，h a sa t t r a c t e da l o to fa t t e n t i o n ss i n c ei t sb i r t hb e c a u s ea sat w o d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l ，i th a s r e m a r k a b l ea d v a n t a g e si nc o n t r o l l i n ga n dh a n d l i n gl i g h tc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l o p t i c a lf i b e r s b e c a u s eo ft h e i rd e s i g n a b l em i c r o s r u c t u r e ，p c f se x h i b i ts o m eu n i q u e c h a r a c t e r i s t i c si n o p t i c a l n o n l i n e a re f f e c t s ，e s p e c i a l l yi ns t i m u l a t e db r i l l o u i n s c a t t e r i n g ( s b s ) a n ds t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) s l i g h t d i f f e r e n c e si n m i c r o s t r u c t u r e sm a yr e s u l ti ng r e a tc h a n g e si nn o n l i n e a re f f e c t s ，o re v e nm a yt a k ei n s o m ew h o l l yn e wp h e n o m e n o n r e a s o n a b l ed e s i g no fm i c r o s t r u c t u r ew i l li n h i b i to r e n h a n c en o n l i n e a re f f e c t si np c f s ，w h i c hg r e a t l ye x p a n d st h ea p p l i c a t i o nf i e l d so f t h e s et w on o n l i n e a re f f e c t s t h ew o r ki ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lk e yb a s i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a m so fc h i n au n d e rg r a n tn o 2 0 10 c b 3 2 7 6 0 5 ”m i c r o s t r u c t u r e do p t i c a lf i b e r b a s e df u n c t i o nd e v i c e s ，h e t e r o g e n e o u sc o m p a t i b l es t r u c t u r ea n do p t o e l e c t r o n i c i n t e g r a t i o n ，a n da l s os u p p o r t e db yt h et i a n j i nn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nu n d e r g r a n tn o 0 6 y f j z j c 0 0 3 0 0 ”i n v e s t i g a t i o no fn o v e lm u l t i f u n c t i o n i n t e g r a t e dp h o t o n i c c r y s t a lf i b e rr r m a na m p l i f i e r ”a n dt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n au n d e rg r a n tn o 5 0 8 0 2 0 4 4 t u n a b l eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sb a s e do np h o t o n i c b a n d g a pf i b e r ” t h i sd i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e so nt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so n s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n ga n ds t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n gi nm i c r o s t u c t u r e d f i b e r s ，a n dt h em a j o rc o n t e n t sa n di n n o v a t i v ew o r ki n c l u d et h ed e t a i l sd e s c r i b e da s f o l l o w s ： 1 s e v e r a lc o m m o nt h e o r e t i c a lm e t h o d sw h i c ha r eu s e dt oa n a l y z es t i m u l a t e d b r i l l o u i ns c a t t e r i n gi nm i c r o s t r u c t u r e df i b e r sa r es u m m a r i z e da n di n t r o d u c e d t h e n ，as i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o di su t i l i z e dt oa n a l y z et h ea c o u s t i cw a v e d i s t r i b u t i o np a t t e mi nt w od i f f e r e n ti n d e x g u i d i n gm i c m s t m c t u r e df i b e r s ，t h e n t h ec o r r e s p o n d i n gb r i l l o u i ng a i ns p e c t r u m s ( b g s ) a r ec a l c u l a t e db a s e do n a b s t r a c t a c o u s t i c o p t i c si n t e r a c t i o n 2 e x p e r i m e n t a ls t u d i e s o nb g si nm i c r o s t r u c t u r e df i b e r sa r ec a r r i e do u t a n a l l - f i b e re x p e r i m e n t a ls y s t e ma p p l y i n gp u m p p r o b et e c h n i q u ei sp r o p o s e da n d i m p l e m e n t e d ，b a s e d o nw h i c ht h eb r i l l o u i n s c a t t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so f a f o r e m e n t i o n e dm i c r o s t r u c t u r e df i b e r sa r em e a s u r e d t h et h e o r e t i c a l a n d e x p e d m e n t a lr e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，a n dt h e ya r ei ng o o da g r e e m e n t 3 a na l l - s o l i dp h o t o n i cb a n d g a pp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ri si n v e s t i g a t e du s i n gt h e a b o v em e t h o d sb o t l lt 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 y f o rt h ef i b e rc o r er e g i o n , t h eb g sa r ev e r i f i e db o t hb ye x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t sa n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s ，a n dt h e ym a t c h e sw e l l f o rt h eh i g hi n d e xr o d sr e g i o ni nf i b e r c l a d d i n g ，t h eb r i l l o u i ng a i nc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e do n l yi n t h e o r y , a n dt h ee x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o ni sp r o p o s e dt ob ed o n ei nt h ef u t u r e 4 b a s e do nf u l l yi n v e s t i g a t i o n so ns b sc h a r a c t e r i s t i c so fa7 0mf l a t - d i s p e r s i o n h i g h l yn o n l i n e a rp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ，e x p e r i m e n t a ls t u d i e s a r ec a r r i e do u ti n t w of i e l d so fa p p l i c a t i o n ：s l o w l i g h ta n dm u l t i w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r i nt h e s l o w l i g h te x p e r i m e n t ，t h es i g n a li sd e l a y e du pt o3 0n sw h e nt h es m a l l - s i g n a l b r i l l o u i ng a i ni s3 3d b ，a n dt h ed e l a ye f f i c i e n c yi s1 3 7t i m e sl a r g e rt h a no r d i n a r y s i n g l e - m o d ef i b e r i nt h em u l t i w a v e l e n g t hf i b e rl a s e re x p e r i m e n t ，ar i n g c a v i t y m u l t i w a v e l e n g t hb r i l l o u i ne r b i u m d o p e df i b e rl a s e ri ss u c c e s s f u l l yp r o p o s e da n d d e m o n s 仃a t e d ，a n da5 - c h a n n e ll a s e ro u t p u tw i t h i n1 1n r n ( 1 5 5 1 - 1 5 6 2n m ) t u n i n g r a n g ei sa c h i e v e db yc h o o s i n ga p p r o p r i a t ep u m pp o w e r 5 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so nr a m a nf i b e ra m p l i f i e ru t i l i z i n gp h o t o n l cc r y s t a l f i b e ra sg a i nm e d i u m a f t e rc o m p r e h e n s i v es t u d i e so fa m p l i f i e r sw i t hd i f f e r e n t p u m p i n gs c h e m e s ，i t s f o u n dt h a tt h eg a i ns p e c t r u m so fd i f f e r e n tp u m p i n g s c h e m e se x h i b i tc o m p l e m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i c si ng a i nl e v e l b yi n t r o d u c i n gs u c h c o m p l e m e n t a r yg a i ns p e c t r u m so ft y p i c a l f o r w a r da n db a c k w a r dp u m p i n g s i n g l e - p a s sr f a ，an e wa m p l i f i e r s c h e m eu s i n gt h ed u a l p a s sa m p l i f i c a t i o n c o n f i g u r a t i o ni si m p l e m e n t e d ，a n da v e r a g en e tg a i nl e v e lo f2 2 5d bw i t ha 士o 7 5 d bg a i nu n f l a t n e s si n2 0n mb a n d w i d t hf r o m15 9 5a mt o1615a mi sf i n a l l y a c h i e v e d ，w h i c hi sr a r ei nr f a sw i t hs i n g l ep u m pa n dn of l a t t e n i n gf i l t e r i v k e yw o r d s ：m i c r o s t r u c t u r e df i b e r , s t i m u l a t e d b r i l l o u i n s c a t t e r i n g ( s b s ) ， f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ，s l o w l i g h t ，m u l t i w a v e l e n g t h , f i b e r l a s e r , s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) ，r a m a nf i b e ra m p l i f i e r ( r f a ) v 目录 目录 摘j i l 兽i a b s t r a c t i i i 目录。v i 第一章绪论。1 第一节微结构光纤简介一1 1 1 1 微结构光纤发展状况简介。1 1 1 2 微结构光纤的数值研究方法。2 1 1 3 微结构光纤的国内外研究现状。3 第二节布里渊和拉曼散射现象简介一4 1 2 1 光纤中的受激布里渊散射5 1 2 2 光纤中的受激拉曼散射。6 第三节本论文内容和创新点7 第二章微结构光纤中布里渊散射的理论分析。9 第一节光纤中布里渊散射的理论基础9 第二节光纤中布里渊散射的理论模型1 2 第三节微结构光纤中的布里渊散射分析方法简介。1 6 2 3 1 微结构光纤中的布里渊散射特性简介1 6 2 3 2 微结构光纤中的声子带隙分析方法简介18 第四节微结构光纤中布里渊散射的其他研究2 l 2 4 1 基于声子晶体的微结构光纤设计2 l 2 4 2 微结构光纤中布里渊散射的偏振依赖性研究2 2 2 4 3 微结构光纤中布里渊散射的温度和应力依赖性研究2 3 v i 目录 第五节本章小结2 4 第三章微结构光纤中的布里渊散射效应研究2 6 第一节布里渊增益谱的理论分析方法2 6 第二节折射率引导型微结构光纤中布里渊增益谱的理论研究。2 8 3 2 1a 光纤的理论模拟2 9 3 2 1b 光纤的理论模拟3 1 3 2 3 两种光纤的模拟结果比较3 2 第三节折射率引导型微结构光纤中布里渊增益谱的实验研究3 2 3 3 1 实验装置介绍3 3 3 3 2 实验过程3 4 3 3 3 实验结果分析3 8 第四节全固光子带隙型微结构光纤布里渊增益谱的研究3 9 3 4 1 纤芯中布里渊增益谱的研究4 0 3 4 2 高折射率柱中布里渊增益谱的研究4 l 第五节本章小结4 4 第四章微结构光纤中布里渊散射的应用研究4 5 第一节受激布里渊散射的应用简介4 5 第二节微结构光纤布里渊慢光延迟实验4 7 4 2 i 研究背景介绍4 7 4 2 2 布里渊慢光理论基础介绍4 8 4 2 3 实验过程及结果分析4 9 第三节微结构光纤布里渊多波长激光器5 4 4 3 1多波长光纤激光器背景介绍5 4 4 3 2实验过程及结果分析5 5 第五章微结构光纤拉曼放大器研究6 1 第一节微结构光纤拉曼放大器的背景介绍6 l 5 1 1 拉曼散射原理。6 1 v i i 目录 5 1 2 拉曼光纤放大器现状介绍6 2 第二节微结构光纤拉曼放大器实验及分析6 3 5 2 1 单程微结构光纤拉曼放大器的实验研究6 3 5 2 2 双程微结构光纤放大器的实验研究6 6 第三节本章小结7 l 第六章总结与展望7 3 参考文献7 5 致谢8 4 个人简历及攻读硕士学位期间发表的论文与科研成果“8 5 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 微结构光纤是上世纪9 0 年代兴起的光纤技术，经过近些年的迅速发展，微 结构光纤的理论和技术已经较为成熟，并在一些领域实现了应用。并且由于这 类光纤所包含的深刻物理内涵和独特现象，近年来一直是光纤技术领域的研究 热点【1 引。 第一节微结构光纤简介 1 1 1 微结构光纤发展状况简介 1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 和s j o h n t 4 5 】分别提出介电常数周期分布的介质材 料能够改变在其中传播的光的性质，这就是光子晶体概念的基础光子晶体 带隙理论【l 6 1 。在光子晶体中，在一维、二维或三维空间中折射率呈周期性分布， 能够使得在其间传播的光子形成禁带结构，即产生光子带隙，频率位于带隙中 的光不能在其中传播，光子晶体因此而得名。 光子晶体光纤也被称为微结构光纤或者多孔光纤( h o l e yf i b e r h f ) 。作为一 种二维光子晶体，微结构光纤表现出很多普通光纤所不具备的、独一无二的优 异特性，在光通信、光纤传感、有源器件等领域具有广泛的应用前景，引起了 人们极大的关注。微结构光纤最早是在1 9 9 2 年由r u s s e l l 等人首次提出，随后， 第一根微结构光纤诞生于1 9 9 6 年1 2 j 。 微结构光纤通常由单一的石英材料构成，沿光纤轴向均匀排列着微米量级 的空气孔从而构成微结构包层。从光纤端面看，存在二维周期性结构。由于空 气孔的排列和大小有很大的控制余地，可以根据需要设计其光传输特性。随着 对这类特殊光纤研究的不断深入，其结构逐渐趋于多样化，导光机理也主要分 为折射率引导型和光子带隙型两种。 由于微结构光纤包层的结构比较特殊，因而具有传统光纤所不具备的一些 光学特性，如无截止单模传输、高非线性、可控的色散、高双折射特性、极小 的弯曲损耗、超大模场面积等，部分光纤的横截面结构如图1 1 所示。微结构光 第一章绪论 纤的性质与光纤的微结构密切相关，例如掺杂区域的大小，空气孔尺寸、间距、 排布形状或者掺杂分布、纤芯缺陷的类型( 空芯或者实芯) 、大小和形状等等。这 些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人员 的兴趣【| m 】。最近几年来，微结构光纤的制造技术、理论研究方法及其应用都取 得了突破性的进展，到目前为止，微结构光纤已经实现了许多方面的应用，比 较成功的有用高非线性微结构光纤实现超连续宽带白光光源【l 叫羽，用高非线性 微结构光纤的四波混频效应实现光信号的波长转换和频率再生【l 弘1 4 j ，用高双折 射微结构构光纤搭建紧凑的s a g n a c 光纤干涉仪【1 5 】，设计色散平坦的大负色散的 微结构光纤并实现色散补偿i 幡1 7 】，用空气孔导光的光子带隙光纤实现生物材料 的拉曼光谱检测和荧光检测【1 8 】等等。 图1 1 几种微结构光纤的横截面结构图。左：高双折射光纤；中：高非线性光纤：右：多 模全固光纤。 1 1 2 微结构光纤的数值研究方法 与普通光纤相比，微结构光纤具有更加复杂的二维结构和传导机制，不同 结构的光子晶体光纤的传输特性也差别很大。对于微结构光纤的分析，由于其 结构和传导机制的复杂性，我们通常无法获得精确的解析解，也不能直接应用 传统的光纤理论，只能借助于数值分析方法1 1 9 1 ，求得其数值解。目前，研究人 员已经发展了多种光子晶体光纤的数值分析方法，包括有限单元法、平面波展 开法、有限差分法、有效折射率法、多极法、局部函数法、超元胞晶格法、态 密度法、格林函数法、边界元法、多重散射法、散射矩阵法等等1 2 0 2 3 1 。在本论 文的研究中，我们主要采用了有限元方法来计算微结构光纤中的光场和声场分 布，并对利用平面波展开法求解微结构光纤中的声学带隙 2 4 - 2 6 】，因此，我们对 这两种方法做简要介绍。 1 有限单元法 2 第一章绪论 有限单元法是二十世纪五十年代中期至六十年代末出现的一种计算方法1 2 7 ， 2 引。经过多年的研究，这种算法已经很成熟且适用范围非常广泛。它不仅可以用 于计算电磁场，也可以用于计算力学、热学、化学等诸多领域的问题，以及计 算多个物理过程共同作用的情况。它不受结构复杂性的限制，因而可用于深入 地研究分析各种类型的微结构光纤。利用有限单元法研究微结构光纤的基本思 想是：将连续的求解区域离散为一组有限数量、按一定方式相互联结在一起的 组合体；利用在每一个单元内假设的近似函数分片地表示全求解域上待求的场 函数，然后利用泛函的变分方法或g a l e r k i n 方法，把磁场的波动方程转化为代 数特征值方程，求解这个代数特征值方程就可以计算出微结构光纤的传输模式 和场分布。 2 平面波展开法 平面波展开法利用b l o c h 理论将模场表示成平面波交叠的形式，用以分析光 子晶体的能带结构，目前已广泛应用于微结构结构的分析中1 2 9 】。其基本思想是： 在光子晶体结构中，折射率是空间坐标的周期函数，可以用傅立叶级数展开， 同时模场也具有空间周期性，可以在倒易空间中傅立叶展开。将以上展开代入 电磁场的全矢量方程求解，得到特征函数，就可以获得特征模的模场分布和模 式的色散关系。该方法是光子晶体理论中物理概念最清晰的方法之一，广泛应 用于分析一维、二维和三维光子晶体结构，但是在实际的数值计算中，为了节 省计算时间和电脑资源，只对场函数展开取有限项。采用这种方法计算缺陷模 式时，所用的采用超晶格近似中隐含使用了周期边界条件，所以得到的是具有 完整周期结构的光子带隙，忽略了由于有限包层结构带来的损耗。 1 1 3 微结构光纤的国内外研究现状 国外一些著名的微结构光纤研究单位包括巴斯大学、南安普顿大学、悉尼 大学、贝尔实验室、日本n t t 公司等。巴斯大学最早开展微结构光纤研究，也 是目前世界上研究微结构光纤最著名和实力最强的单位之一，他们的研究涉及 各种光子晶体光纤的各方面，包括拉制、光纤物理特性研究、光纤非线性应用 等等。南安普顿大学光学研究中心在光纤领域有很强的研究实力。在微结构光 纤方面，其研究涉及广泛，包括各种微结构光纤的拉制、光纤物理特性研究、 传感应用等等。 3 第一章绪论 丹麦n k tp h o t o n i c sa s 公司是目前世界上最强的微结构光纤及相关产品供 应商，由全世界最大的商业化微结构光纤供应商c r y s t a lf i b r ea s 公司和业界领 先的的超精密光纤激光器和超连续白光激光光源制造商k o h e r a s a s 公司在2 0 0 9 年合并组成，他们拉制的光纤无论是种类、质量、还是价格都远远高于其他的 光纤厂商。他们在诸如光子带隙光纤、高非线性光子晶体光纤、双包层光子晶 体光纤等领域都有相应的商用光纤提供，基本形成了垄断局势。 随着微结构光纤研究的迅速扩展，不少国家和科研单位都在开展这方面的 研究。在国内，清华大学、南开大学、北京邮电大学、天津大学、燕山大学、 武汉邮电科学院等高校和科研单位都陆续进入到这一领域，从最开始的理论研 究，到现在理论和实验并进，国内的研究工作者们已经大大地拉近了与国外的 差距，某些方面也达到世界先进水平。光纤拉制厂商方面，国内的长飞公司、 烽火公司、电子科技集团4 6 所等都开展了这方面的研究，经过几年的努力，他 们也都拉制出了许多种类的微结构光纤，势必将大大降低这些光子晶体光纤的 价格，打破这些光纤完全靠进口的局面。我们实验中所用的部分微结构光纤就 是由长飞公司提供的，其性能和参数十分出色。 第二节布里渊和拉曼散射现象简介 受激布里渊散射( s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ，s b s ) 和受激拉曼散射 ( s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ，s r s ) 都是光纤中非常重要的非线性过程，可以归因 于光子的非弹性碰撞。一方面，它们对光纤通信系统有着不利的影响，受激布 里渊散射会将高于受激布里渊阈值的信号功率转换为后向斯托克斯光，使得信 号的功率和质量都下降，受激拉曼散射则可以使某个信道中的能量转移到相邻 信道中，从而严重限制多信道光通信系统的性能。另一方面，他们也有广泛的 用途，比如基于受激布里渊散射的光纤激光器和分布式传感系统，基于受激拉 曼散射的拉曼光纤放大器和激光器。这两方面的影响使得它们成为了光纤光学 中的一个研究热点。随着近年来光子晶体光纤的兴起，其可设计的参数也在布 里渊和拉曼散射的研究方面得到了应用，人们可以根据需要设计具有特定参数 的光纤，使得这些非线性散射得到抑制或者增强。 4 第一章绪论 1 2 1 光纤中的受激布里渊散射 早在1 9 5 0 年，人们就观察到了块状石英中的布里渊谱线1 3 0 1 。在1 9 7 2 年，i p p e n 等人从理论和实验上验证了硅玻璃光纤中的受激布里渊散射1 3 。自此之后，对 光纤中布里渊散射现象的理论和实验研究就变得丰富起来。受激布里渊散射过 程可以经典的描述为泵浦波，斯托克斯波通过声波进行的非线性相互作用。泵 浦波通过电致伸缩产生声波，然后引起介质折射率的周期性调制p 列。泵浦引起 的折射率光栅通过布拉格衍射散射泵浦光，该折射率光栅以声速移动，由于多 普勒效应，散射光产生了频率下移。石英中的声速约为6k m s ，因此典型的布里 渊频移为1 1 1g h z t 3 3 1 。 在光纤中，光纤结构以及掺杂离子种类和浓度都会影响布里渊散射的特性 1 3 4 - 3 6 1 ，包括受激布里渊阈值的大小、布里渊散射峰的个数、频移量、线宽以及 各个峰的易感性( 对外界温度、应变、弯折等因素的依赖性) 等等。这些特性可以 应用在传感测量方面，实现实时的，精确的，远距离的分布式传感测量以及监 控，这也是近年来布里渊散射效应的几大应用热点之一，比如基于布里渊光时 域分析【1 3 7 】或者布里渊光频域分析【3 8 】的分布式传感系统。 此外，布里渊散射还有很多其他方面的特性，也使得其在多个领域内得到 了应用。基于布里渊散射的非线性光学效应的本质，人们利用布里渊散射来协 助实现波长转换，四波混频以及超连续光源f 3 9 钔】等。利用布里渊频移固定且在 通信波段波长间距很窄( 在1 5 5 0a m 处大约0 0 8n m ) ，可以用来实现多波长布里 渊掺铒光纤激光器或者布里渊拉曼光纤激光器。利用受激布里渊散射较短的时 间响应，可以用来实现光纤激光器的被动调q 以及混合调q m 4 5 1 。利用布里渊 散射改变光脉冲的群速度，可以用来实现慢光延迟，光存储，光开关等诸多用 途【4 6 , 4 7 】。 在微结构光纤中，微结构和