（通信与信息系统专业论文）新型特种光纤及其相关器件的研究.pdf

北京交通大学博士学位论文 摘要 墒尊 特种光纤及其相关器件在光通信、传感、材料加工和军事等领域有着广泛而 重要的应用。本论文在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目“稀土掺杂光纤”和“新 型特种光纤”的支持下，对掺铒保偏光纤、掺铒微结构光纤和长周期光纤光栅等 进行了深入系统的研究，获得以下创新性成果： 1 提出一种新型的制作熊猫型掺铒保偏光纤预制棒的方法一u 型槽嵌入法，此方 法制作工艺简单，易于操作，而且成品率高。采用新型石墨电炉加热的m c v d 法结合溶液掺杂技术制作掺铒芯棒。 2 综合考虑光纤的截止波长、模场直径、背景损耗和双折射等性能指标，优化设 计了熊猫型掺铒保偏光纤的结构参量。据此优化参量，利用u 型槽嵌入法试制 出高吸收系数高双折射的熊猫型掺铒保偏光纤。所研制的纤芯共掺铋镓铝铒的 保偏光纤在波长1 5 3 0n m 处的吸收系数高达5 8d b m ；外径为1 2 5i n n 的掺铒保 偏光纤的双折射达到4 8 x 1 0 - 4 ；在1 2 0 01 3 3 1 1 处的背景损耗小于1 5d b k m 。 3 给出了一种准确高效的模拟掺铒光纤放大器的算法一改进的平均粒子数反转 度迭代算法；采用此算法结合有限元法研究了掺铒微结构光纤放大器的性能。 利用有限元法数值分析了空气孔对掺铒微结构光纤的截止波长、重叠积分因子 和模场直径的影响。综合考虑掺铒光纤的截止波长、放大器的增益系数和与普 通单模光纤的熔接损耗等，优化设计了掺铒微结构光纤的结构参量，并与普通 掺铒光纤的性能进行了比较。 4 基于标量近似和耦合模理论系统深入地研究了振幅掩模紫外写入的长周期光 纤光栅的特性。理论推导出辐射模的归一化系数和长周期光拯中纤芯模与辐射 模之间的耦合方程。数值分析了纤芯模与辐射模之间耦合系数的特性，并给出 了数值估计外部环境折射率高于石英包层折射率时长周期光栅的谐振波长的 方法。利用有限元法结合耦合模理论研究了各结构参量对基于孔辅助导光光纤 的长周期光栅的谐振波长和耦合系数的影响。 关键词：掺铒光纤；保偏光纤；微结构光纤；光子晶体光纤；光纤放大器： 长周期光纤光栅 北京交通大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s p e c i a lo p t i c a lf i b e r sa n dr e l a t e dd e v i c e sh a v eg r e a ta p p l i c a t i o n si nt h eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s ，s e n s i n g ，m a t e r i a lp r o c e s sa n dm i l i t a r yf i e l d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w e c o n c e n t r a t eo nt h es t u d yo f t h ee r b i u m d o p e dp o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n gf i b e r s ( e d p m f ) ， e r b i u m - d o p e dm i c r o s t m c t u r e df i b e r sa n dl o n g - p e r i o df i b e rg r a t i n g s a n dt h ew o r ki s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m so f c h i n a , r a r e e a r t hd o p e df i b e r s a n d n o v e ls p e c i a lo p t i c a lf i b e r s ”t h em a i n a c h i e v e m e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o u o w s ： 1 an o v e lm e t h o dc a l l e dt h eu - s h a p e dg r o o v em e t h o di sp r o p o s e df u rf a b r i c a t i n gt h e p a n d a - t y p ee r b i u m d o p e dp o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n gf i b e rp r e f o r m s t h i sm e t h o di s e a s yt oo p e r a t ea n dc a l li n c r e a s et h ep a s sr a t eo fp r o d u c t s a n dt h ee r b i u m - d o p e d o p t i c a lf i b e rp r e f o r m sa r ef a b r i c a t e db yt h ec o m b i n a t i o no ft h ef u m a c e - m c v d p r o c e s sa n ds o l u t i o nd o p i n gt e c h n i q u e 2 t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ep a n d a - t y p ee d p m f sa r eo p t i m i z e di nt e r m so ft h e d e s i g nc r i t e r i a , w h i c ht a k ei n t oa c c o u n tt h ee d p m f s c u t o f fw a v e l e n g t h s ，m o d e f i e l dd i a m e t e r s ，b a c k g r o u n dl o s sa n db i r e f r i n g e n e e h i g l la b s o r p t i o na n dl l i 班 b i r e f r i n g e n e ep a n d a - t y p ee d p m f sa r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db yt h eu - s h 印c d g r o o v em e t h o d t h e 曲s o r p t i o nc o e f f i c i e n to ft h ee d p m f , w h o s ec o r ei sc o d o p e d w i 廿lb i g aa 1a n de r , i sa b o u t5 8d b ma tt h ew a v e l e n g t ho fl5 3 0n n l t h e b i r e f r i n g e n e eo ft h ee d p m f , w h o s eo u t e rc l a d d i n gd i a m e t e ri s1 2 5u m ，i sa b o u t 4 8 x 1 0 4 a n dt h eb a c k g r o u n dl o s si sl e s st h a n1 5 d b k ma tt h ew a v e l e n g t ho f1 2 0 0 n n l 。 3 t h em o d i f i e da v e r a g ep o p u l a t i o ni n v e r s i o ni t e r a t i o nm e t h o di s p r o p o s e df u r c a l c u l a t i n gt h eg a i na n dn o i s ef i g u r e so fe r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r s n e c h a r a c t e r i s t i c so fe r b i u m d o p e dm i c r o s t r u c t u r e df i b e ra m p l i f i e r sa r ei n v e s t i g a t e db y t h ec o m b i n a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h em o d i f i e da v e r a g ep o p u l a t i o n i n v e r s i o ni t e r a t i o nm e t h o d 可l ee f f e c t so fa i rb o l e s0 1 1t h ec u t o f fw a v e l e n g t h s o v e r l a pf a c t o r sa n dm o d ef i e l dd i a m e t e r so f t h ee r b i u m d o p e dm i c r o s t r u c t u r e df i b e r s a r ea n a l y z e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f e r b i u m d o p e dm i c r o s t r u c t u r e df i b e r sa r eo p t i m i z e di nt e r m so ft h ed e s i g nc r i t e r i a , w h i c ht a k ei n t oa c c o u n tt h ec u t o f fw a v e l e n g t h s ，t h eg a i na n dn o i s ef i g u r eo ff i b e r a m p l i f i e r sa n dt h es p l i c el o s sb e t w e e nt h ee r b i u m d o p e dm i c r o s t r u c t u r e df i b e ra n d 北京交通大学博士学位论文a b s l r a c t t h ec o n v e n t i o n a ls i n g l e m o d ef i b e r t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ee r b i u m d o p e d m i c r o s t r u c t u r c df i b e ra n dt h ec o n v e n t i o n a le r b i u m - d o p e df i b e ri sm a d e 4 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s ，w h i c ha r eu l t r a v i o l e t - w r i t t e nb y t h ea m p l i t u d em a s k , a r es t u d i e di nd e t a i lb yu s i n gt h e s c a l a ra p p r o x i m a t ea n d c o u p l e d - m o d et h e o r y t h en o r m a l i z a t i o no ft h ei n d i v i d u a lr a d i a t i o nm o d ei s d i s c u s s e da n dt h ec o u p l e de q u a t i o n sb e t w e e nt h ec o r em o d ea n dr a d i a t i o nm o d e sa r e d e d u c e d t h ep r o p e r t i e so ft h ec o u p l i n gc o n s t a n t sb e t w e e nt h ec o r em o d ea n d r a d i a t i o nm o d e sa r e i n v e s t i g a t e d t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft h er e s o n a n c e w a v e l e n g t h so ft h el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g si sg i v e n , w h e nt h er e f r a c t i v ei n d e xo f a m b i e n te n v i r o n m e n ti s h i g h e rt h a nt h a to fs i l i c ac l a d d i n g t h ee f f e c t so ft h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nt h er e s o n a n c ew a v e l e n g t h sa n dt h ec o u p l i n gc o n s t a n t so f t h el o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g sb a s e do nt h eh o l e - a s s i s t e d l i g h t g u i d ef i b e r s ，a r e 咖d i e db yt h ec o m b i n a t i o no f t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d c o u p l e d - m o d et h e o r y k e y w o r d s ：e r b i u m d o p e df i b e r ；p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r ；m 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 ；f i b e ra m p l i f i e r ；l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：苌p孰 签字日期：3 年月伽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密学位论文在解密后的使用授权 同上。 作者签名： 签字日期： 苌p 1 仰7 年 i i 己几 6 月讪日 导师签名 一期。矿厶 f 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 1 9 6 6 年，英国标准电信研究所的高琨和霍克汉姆首次从理论上推测出石英玻 璃光纤的损耗可以降低到2 0d b k m 的水平。这一惊人的预言使得国际上多家研究 机构开始大力开展低损耗光纤的研究工作，从此，光纤技术进入了快速发展的时 期。伴随着通信传输用光纤的发展，各种特种光纤也应运而生。特种光纤是在石 英光纤的基础上通过改变光纤的掺杂元素或进行特殊的结构设计而制成的，主要 包括稀土掺杂光纤、保偏光纤、光敏光纤和微结构光纤等。目前，特种光纤的应 用范围越来越广泛，已经在光通信、传感、材料加工和国防等领域有着重要的应 用。由特种光纤衍生的产业链在光电子产业中占有很大的比重，而且发展非常迅 速。目前，特种光纤的发展趋势是在单根光纤内集成多种功能，如在稀土掺杂光 纤中加入保偏光纤的功能，在微结构光纤的芯区掺入稀士元素等。 本论文结合两项国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目“通信用特种光纤一稀土 掺杂光纤”( 2 0 0 1 a a 3 1 2 2 3 0 ) 和“光纤制造新技术及新型光纤一新型特种光 纤”( 2 0 0 2 a a 3 1 2 1 9 0 ) 的实施，开展了掺铒和保偏光纤预制捧制作工艺的改进工 作，研制出高性能且制作成本低廉的熊猫型掺铒保偏光纤；深入系统的研究两种 掺铒微结构光纤掺铒孔辅助导光光纤和掺铒多孔光纤及其放大器的特性；另外， 还进行了一些有关长周期光纤光栅的理论研究工作。 1 2 稀土掺杂光纤和保偏光纤的制作工艺简介 1 2 1 稀土掺杂光纤的制作 稀土掺杂光纤预制棒的制作技术有汽相法( v a p o rp h a s e ) e 1 】【2 1 ，溶液掺杂法 ( s o l u t i o nd o p i n g ) 3 1 ( 4 】嗍、溶胶胶( s 0 1 g e l ) 法 6 1 直接纳米粒子沉积z - ( d i r e c t n a n o p a r t i c l ed e p o s i t i o n ，d n d ) 7 j 等。溶液掺杂法具有操作简单，灵活性高等优点， 因而，得到了广泛的应用。目前，大部分商用掺铒光纤也是采用溶液掺杂技术制 得的。 溶液掺杂法也被称为液相法，最早的关于使用液相法把稀土元素引入石英光 纤纤芯的报道是s t o n e 和b u r r u s 在1 9 7 3 年给出的【3 1 ，他们制作出掺钕石英玻璃光纤。 1 9 8 7 年，英国南安普教大的t o w n s e n d 等人采用溶液掺杂技术研制出低背景损耗 北京交通大学博士学位论文 的掺铒光纤【4 】，在稀土掺杂光纤制作工艺上取得了重大的突破。随着掺铒光纤需求 的增大，溶液掺杂技术也逐渐受到重视，并得到了推广。此方法的关键环节是沉 积出多孔的含s i 0 2 和g e 0 2 等的疏松层，以便于稀土离子溶液进入疏松层的小孔中。 制作疏松层的方法有许多，如改进的化学汽相沉积法( m c v d ) 【8 j 1 9 、外部汽相法 ( o v d ) 和汽相轴向沉积法w a d ) 等。上述三种方法均可以和溶液掺杂技术相结合用 来制作稀土掺杂光纤【1 0 j 。与o v d 和v a d 法相比，m c v d 法的化学反应是在石英管 内进行的，对环境洁净度要求稍低，而且m c v d 设备简单，制作工序少。另外， m c v d 法氧化过程生成的s i 0 2 微粒小于v a d 或o v d 法水解过程所生成的微粒，因 而，与v a d 和o v d 法相比，m c v d 法结合溶液掺杂技术所制作的稀土掺杂光纤的 掺杂均匀性更好一些o l 。接下来，简单介绍m c v d 法结合溶液掺杂技术制作稀土 掺杂光纤预制棒的过程，如图1 1 所示。 “。i t i m m t 自, e脚o f d q 一；i j 宣i ； 一h 一= = = = = = 二 啦曼! 曼孽薯! ! 曼! 皇鼍 o 蛔；i 一 。量釜三窖釜舀 蛐 2 一基莹勇黄基重量 n i i i - 图i i 稀土掺杂光纤预制棒的制作过程 首先，把衬底管连接到气路中，通常，选择合成石英管作为衬底管，合成石 荚管的最大优点是有害杂质含量极低，如德国h e r a e u s 公司生产的合成石英管的o h 含量仅为0 2p p m ，金属杂质总含量在5p p b 左右【i i l 。反应物s i c h 、g e c h 、p o c l 3 、 s f 6 和0 2 等在质量流量器的控制下进入到衬底管中，在氢氧焰喷灯的高温作用下， 发生氧化反应，生成s i 0 2 、g e 0 2 等微粒，并附着在喷灯高温区下游的管壁上；当 喷灯经过沉积微粒时，如果温度足够高，就可以把这些微粒熔化成透明的玻璃， 这就是m c v d 的基本原理1 9 j 。在沉积纤芯疏松层前，通常先沉积数层与衬底管折射 率一致的包层，用以阻挡衬底管中杂质离子扩散到纤芯中。然后，使用较低的温 度沉积出多孔的纤芯疏松层。沉积温度需要足够的低，以免疏松层被烧结；另外， 沉积温度也不能过低，否则，由于疏松层与管壁的结合力过小，导致在溶液浸泡 过程中，疏松层脱落。纤芯疏松层的成分主要有s i 0 2 、g e 0 2 s i 0 2 和p 2 0 5 s i 0 2 等三 种形式，它们所要求的沉积温度依次降低【1 2 】- 【1 6 1 ，而且它们的疏松网络结构、小孔 尺寸分布情况也有者明显的不同0 3 。国i 2 ( a ) 和分别给出了在沉积温度为1 2 2 0 c n 1 2 9 5 c 两种情况- f g e 0 2 一s i 0 2 疏松层的扫描电子显微镜( s e m ) 图像，比较两图可 1 绪论 以直观的看出沉积温度直接影响着疏松层的形态：图1 2 ( c ) 为g e 0 2 一s i 0 2 疏松层的场 发射扫描电子显微镜( f e s e 旧图像【1 3 1 ，此图像能清晰看出疏松层中的f l , 孑l 。 当沉积完纤芯疏松层后，把衬底管从车床上取下，浸泡到含稀土离子的水或 酒精溶液中。该溶液也可包含m ”等共掺物，这样，铝离子等共掺物随之掺入到纤 芯中，用以改善稀土掺杂光纤的性能。浸泡一个小时左右后取出，重新上到车床 上。通c h 、h c 和0 2 ，在温度9 0 0 1 0 0 0 c 进行脱水处理l “】。此步骤是不可缺少的， 否则，所制作的光纤将含有大量的羟基，它会减小铒粒子亚稳态的寿命，增加背 景损耗等。然后，通h e 和0 2 ，在1 5 0 0 1 7 0 0 ( 2 下熔化疏松层。最后，在高温2 2 0 0 c 下，把石英管缩成实心的预制棒。 ( c ) 图1 2 在沉积温度1 2 2 0 ( 4 ) 和1 2 9 5 嘞疏松层的s e m 图像l l | i f e s e m 图像显示疏松层的小孔( c ) “3 1 1 2 2 应力型保偏光纤的制作 根据应力施加区的形状，应力型保偏光纤可分为领结型、椭圆包层型和熊猫 型等【1 7 1 堋。简单介绍它们的常见制作方法。 领结型最常用的制作方法是气相腐蚀法( g a s - p h a s ee t c h i n g ) i i 埘，制作流程如图 1 3 ( a ) 所示。首先，在石英管的内壁上沉积数十层硼硅酸盐玻璃；然后，石英管停 止旋转，沿管两侧局部加热石英管，同时向管内通入含氟气体，从而腐蚀被加热 部分石英管内壁的硼硅酸盐玻璃层；接下来，再沉积数层缓冲层和掺锗的芯层； 最后，熔缩成棒。 椭圆包层型的制作方法有减压烧结法( r e d u c e dp r e s s u r ec o l l a p s i n g ) 1 2 0 和预制 棒研磨法【2 1 1 等。减压烧结法是依次在石英管的内壁上沉积数十层硼硅酸盐玻璃、 数层缓冲层和掺锗的芯层；然后，在缩棒过程中减小管内气压，并选择合适的应 力层软化温度，可以使得应力层变成椭圆型。而研磨法是在沉积完应力层、缓冲 层和芯层后直接缩棒：然后，把预制棒的两侧磨平；高温拉丝时，在表面张力的 作用下，应力层变成椭圆型。 熊猫型最常用的制作方法就是护套打孔法( p i t i 1 1 j a c k e t ) 【2 2 】【2 3 】，制作流程如图 1 3 ( c ) 所示。此方法最显著的特点是分别制作出掺硼的应力棒和掺锗的芯棒；然后 北京交通大学博士学位论文 在芯棒上对称打两个孔，将应力棒嵌入孔中，加热使两者熔为一体，拉丝后成熊 猫型保偏光纤。 沉积b 层气相腐蚀沉积芯层缩棒 i ) 镁结型 ( b 缔嗵包层壁 o 应力棒打孔组合 ( c ) 熊猫型 图1 3 几种常见的应力型保偏光纤预制棒的制作流程 掺铒光纤和保偏光纤预制棒的制作难度大，制作工艺较难掌握。目前，大部 分掺铒光纤和保偏光纤仍需从国外购买。因而，开展掺铒光纤和保偏光纤预制棒 的研制工作是十分有意义的，它不仅是我国现代化建设的需要，而是也有着巨大 的市场需求。我们光波技术研究所自行设计了新型石墨电炉加热的m c v d 车床和 特种光纤拉丝塔，如图1 4 所示，提供了研制各种新型特种光纤的平台。 图1 4 石墨电炉加热的m c v d 车床( 町 特种光纤拉丝塔( b ) 我们采用电炉加热的m c v d 法结合溶液掺杂技术研制掺铒光纤预制棒。采用 - 4 - 1 绪论 石墨电炉加热方式替代传统m c v d 法中的氢氧焰加热方式，并在电炉高温区的下 游安装低温气体制冷装置。这两项工艺上的改进大大提高了纤芯疏松层的均匀性。 另外，由于可以精确调节加载在石墨体上的电流和电压，从而可以精确的控制沉 积温度，有利于提高掺铒光纤的重复性。经过不断的工艺参数的探索，我们研制 出可实用化的掺铒光纤。我们自行设计了可在光纤预制棒上开u 型槽的切割床，提 出了一种新型的熊猫型保偏光纤的制作方法一u 型槽嵌入法，开展了试制高性能且 制作成本价廉的熊猫型掺铒保偏光纤的工作，此亦为本论文第二章的重点内容。 1 3 掺铒微结构光纤的研究进展 1 3 1 微结构光纤的种类 空气石英微结构光纤( a i r - s i l i c am i c r o s t n l c t u r e df i b e r ，a s m l 0 的典型特性是在 石英包层中引入纵向均匀的空气孔。由于微结构光纤具有独特的光学特性，以及 在光纤通信和光纤传感领域有着广阔的应用前景，因而，引起了研究者的浓厚兴 趣。微结构光纤的种类繁多，若根据导光机理，可以分为三类：多孔光纤、孔辅 助导光光纤和光子带隙光纤。 多孔光纤( h o l e yf i b e r ，t - i f ) 的典型特性是在石英包层中引入周期性排列的空 气孔，使得包层的有效折射率低于纤芯处的折射率，因而光能够被全反射机制限 制在纤芯中传播。1 9 9 6 年，英国南安普顿大学k n i g h t 等人研制第一根多孔光纤【2 4 1 。 2 0 0 3 年，t a j i m a 等人在e c o c 会议上报道了日本n t t 公司制备的多孔光纤在1 5 5 0 i l i t i 的损耗降低至0 2 8d b k m ，在1 3 8 0 r i m 处的o h 吸收峰值仅为0 4d b k m t 2 5 2 6 1 ，与普通 石英光纤的损耗基本相当。 孔辅助导光光纤( h o l e a s s i s t e dl i g h t g u i d ef i b e r ，h a i ，f ) 是空气石英微结构光纤 的一个重要的分支。孔辅助导光光纤这一名称最早是由h a s e g a w a 等人在o f c 2 0 0 1 上提出的【z 7 j 。其实，e g g l e t o n 等人在o f c 2 0 0 0 上所给出的“柚子”型微结构光纤 也属于h a l f t 2 8 1 。孔辅助导光光纤是由高折射率的纤芯，低折射率的包层和少量 的围绕在纤芯周围的空气孔所组成。h a l f 与多孔光纤的区别是：h a l f 的空气孔 数目较少，通常为4 ，6 或8 个，而多孔光纤的空气孔呈周期性分布，最常见的是 三角型和蜂窝型分布，空气孔的层数通常大于3 层。由于h a l f 中的空气孔仅有 一层，空气孔的导光能力较弱，仅起到辅助导光的作用伽。h a l f 具有大的反常 色散值p 9 h 3 3 1 ，弯曲损耗d x 3 4 1 。1 4 0 1 ，与普通单模光纤熔接损耗小3 4 h 3 7 1 等特点。 光子带隙光纤( p h o t o n i eb a n d g a pf i b e r ，p b f ) 实质上是一种二维光子晶体，包层 中孔的排布满足一定的周期性条件，从而在横向上产生光子带隙效应，频率处在 北京交通大学博士学位论文 带隙内的光波将不能沿横向传播。在纤芯处引入大空气孔，使由包层二维周期性 结构产生的光子带隙在纤芯处形成缺陷。于是，频率处在光子带隙内的光波将被 限制在光子晶体缺陷内，而频率处在光子带隙外的光波将不受包层横向光子带隙 效应的限制，在任意方向上都可以传播，这就使得光子带隙外的光波能量在沿光 纤传输很短距离后因横向泄漏而损失掉，从而实现了光限制在低折射率纤芯中沿 轴向的传输。1 9 9 8 年，k n i g h t 等制造出第一根具有蜂窝型空气孔排列的光子带隙光 纤【4 光子带隙光纤对空气孔的排列要求严格，制作难度大。 目前关于无源微结构光纤的研究报道众多，但有源微结构光纤研究仍处于起 步阶段。19 9 9 年，英国巴斯( b a t h ) 大学的c r c g a n 等人首次把铒粒子引入到多孔光 纤的纤芯区域 4 2 1 1 4 3 1 ，揭开了稀土掺杂微结构光纤的研究序幕。 1 3 2 掺铒微结构光纤的研制 2 0 0 3 年，英国南安普敦大学光电研究中心成功地拉制出掺铒多孔光纤【4 射， 其扫描电子显微镜( s e m ) 图像如图1 5 ( a ) 所示。他们首先采用m c v d 法结合溶液掺 杂技术制作出掺铒光纤预制棒；接着，使用超声波打孔法取出掺铒芯子，仔细的 抛光，形成一报具有良好表面光学特性的掺铒细棒：然后，把这根掺铒细棒插入 到由八层毛细管堆积起来的预制棒的中心。经过脱水处理后，拉丝得到掺铒多孔 光纤。该光纤的空气孔的周期和直径分别为2 i i l l l 和1i n n ；铒粒子被限制在直径约 为1l u n 的中心区域，掺杂浓度1 0 0 0p p m ；纤芯共掺铝，数值孔径为0 1 4 。图1 5q ，b ) 给出掺铒多孔放大器的结构示意图。掺铒多孔光纤的纤芯直径过小，若直接与普 通单模光纤熔接，必然导致较大的接续损耗值，因而，需要高数值孔径光纤作为 桥接光纤来连接掺铒多孔光纤和普通单模光纤，这样，总的熔接损耗可以减小到1 d b 以下 4 6 1 1 4 7 1 。他们使用长度为2 5 m 掺铒多孑l 光纤制作c 波段放大器，在波长1 5 3 3 n i n 处的增益效率达到8 6 1d b m w 【4 7 】，另外，他们制作的掺铒多孔光纤激光器的 阈值仅为o 5 5m w ，斜率效率为5 7 3 1 4 8 。 日姗d o p 甜 珏o l 哆轴* ( a ) 图1 5 掺铒多孔光纤的s e m 图像( a ) 掺铒多孔光纤放大器的结构示意图( b ) 1 绪论 1 3 3 掺铒微结构光纤的理论研究 为了清楚而全面的了解具有不同结构和参量的掺铒微结构光纤及其放大器的 各种特性，理论分析是非常必要的。 h o u g a a r d 等采用平面波法结合基于龙格一库塔法的迭代过程数值研究了掺铒 多孔光纤放大器的性能【4 9 】，但没有考虑到掺铒多孔光纤的截止波长、模场直径和 与普通单模的熔接损耗等。c u c i n o t t a 等采用有限元法结合基于龙格一库塔法的迭 代过程数值分析了掺铒多孔光纤放大器的特性哪l ，但她认为掺铒多孔光纤中掺铒 区域的折射率是与石英包层的折射率相同的。但在实际的掺铒多孔光纤制作中， 通常需要共掺a h 0 3 等使得放大器的增益谱平坦化，而a 1 2 0 3 会使得纤芯区域的折 射率高于石英包层的折射率，因而，掺铒多孔光纤纤芯区域的折射率不再与石英 包层的折射率相同，这样，掺铒多孔光纤不再具有无穷无尽单模特性，与纯石英 芯多孔光纤的特性有着重大的差别。 p m d c n z a n o 理论分析了掺铒孔辅助导光光纤放大器的特性【5 ”，但没有详细的 研究光纤的各结构参量对掺铒孔辅助导光光纤放大器性能的影响；d o r a z i o 等仅 研究了空气孔数目对掺铒孔辅助导光光纤放大器性能的影响 5 2 】。他们都是采用基 于龙格一库塔法的迭代过程来数值求解关于掺铒光纤中光功率传播的非线性积分 一微分方程，此方法的缺点是在考虑宽带的放大自发辐射时会大大增加方程组的维 数，计算量大，而且存在不易收敛的问题。由于此方法计算耗时长，因而，难以 用来优化掺铒孔辅助导光光纤的结构参量。 另外，c u c i n o t t a 等还数值分析了中心为空气孔的掺铒微结构光纤的特性【”】， 但此种光纤基模的模场分布和普通单模光纤的有着重大的区别，两者也难于熔接， 无法实用化。l i 等采用平面波法和基于龙格一库塔法的迭代过程数值研究了掺铒 光子带隙光纤削，但此种光纤的掺铒区域需要掺杂大量的氟，给实际制作带来较 大的困难。 掺铒微结构光纤作为一种新型结构的掺铒光纤，有必要知道各结构参量对光 纤的一些基本特性的影响，以及对所制作的光纤放大器性能的影响；同时，有必 要优化设计光纤的各结构参量，从而使得所制作的掺铒微结构光纤放大器的性能 达到最佳。本论文的第三章将系统深入研究掺铒孑l 辅助导光光纤和掺铒多孔光纤 的特性，并优化它们的结构参量，为实际的光纤制作提供理论指导。 1 4 长周期光纤光栅器件的研究进展 1 9 9 6 年，v c n g s a r k a r 等人采用振幅掩模紫外曝光法制作了一种折射率调制周 北京交通大学博士学位论文 期为数百微米的新型光纤光栅5 5 1 。由于此种光栅的周期远大于相位掩模法所制作 的布拉格光纤光栅的周期，因而，人们通常把它称为长周期光纤光栅( l o n gp e r i o d 硒e rg r a t i n g ，l p 固。长周期光纤光栅具有制造工艺简单，成本低，易封装和背向 反射低等优点而在光纤通信和传感领域中有着广泛的应用。它可以作滤波器p ”， e d f a 增益平坦器【5 6 1 ，模式转化器【5 7 】和各种物理参量( 如温度，应力，折射率等) 的传感器删等。1 9 9 9 年，美国贝尔实验室的e g g l e t o n 等首次报道了在掺锗微结构 光纤上写入了布拉格光栅和长周期光栅【5 9 1 ，如今，关于微结构光纤光栅的制造方 法及理论分析逐渐成为光纤器件领域的热点之一。 1 4 1 制作方法 1 紫外曝光法 1 9 7 8 年，h i l l 等人首次发现了掺锗石英光纤的光敏性，即纤芯折射率能够在某 些波长的光照射下发生永久性改变例，这是紫外曝光法在光纤上写入光栅的理论 基础。增加光纤的光敏性的措施有：1 ) 高压氢载；2 ) 掺杂，硼锗共掺光纤的紫外光 敏性是目前发现的不用载氢处理的光纤中最高的。振幅掩模紫外写入法是最常用 的一种写入长周期光纤光栅的方法，其实验装置如图1 6 所示。由于长周期光栅的 周期一般为几百微米，因而，振幅掩模板的制作简单，成本低，对加工精度要求 也不商。e g g l e t o n 等就是采用振幅掩模紫外写入法在纤芯掺锗的微结构光纤上写入 了长周期光栅的【6 2 】m 。 图1 6 振幅掩模紫外写入法 2 机械应力法 2 0 0 0 年，s a v i n 等首次利用机械压力法在普通单模光纤制作出长周期光栅 6 5 j 。 随后，l i m 等人利用机械压力法在微结构光纤上制作出长周期光栅【删，制作装置如 图1 7 ( a ) 所示。当微结构光纤位于凹槽板和平面板之间时，若对凹槽板施加压力， 则光纤将会受到凹槽板传递的力。由于凹槽板上的凹槽是周期性的，经光弹效应， 在光纤上引起折射率的纵向周期性调制。旋转底座可改变光纤与凹槽间的角度， 从而获得不同的光栅周期；通过调节压力的大小可以控制光栅的损耗峰的深度。 在弹性范围内，机械应力具有可逆性，因此这种方法制作的长周期光栅的传输特 一8 1 绪论 性容易实现实时调节。 3 周期性孔塌陷法 2 0 0 2 年，英国巴斯大学的k a k a r a n t z a s 等人利用c 0 2 激光加热石英芯的微结构 光纤实现了长周期光栅的写入【6 7 1 ，其实验装置示意图如图1 7 ( b ) 所示。功率为2 0 瓦 的c 0 2 激光器发出的连续激光束经过反射境和会聚透镜后照射到光纤上。反射镜在 电流驱动下发生旋转，从而可以使得激光束扫描一定长度的光纤。利用计算机自 动控制激光束的开关和整个扫描过程。当微结构光纤的某一处被激光加热后，该 处的空气孔将会部分坍塌，而塌陷的程度取决于激光的功率值和加热时间等。利 用该装置就可以在微结构光纤上纵向等间距的坍塌空气孔从而得到周期性的结 构。2 0 0 3 年，z h uy i n a n 等人也是利用c 0 2 激光器加热大模场面积微结构光纤使得 空气孔塌陷，从而写入了长周期光栅【6 8 】【6 9 】。由于空气孔的坍陷导致光纤的损耗增 大，因而，利用此方法制作的长周期光栅的插入损耗差。 压力 徽结构光纤 ( a ) 图1 7 机械应力法( a ) 和c 0 2 加热法( b ) 4 残余应力释放法 1 9 9 8 年，a l d y a m a 和e n o m o t o 报道了利用残余应力释放法在纯石英芯光纤上写 入长周期光栅口o 】【7 “。其制作原理为：由于光纤是在高温下拉制而成的，因而，在 光纤内部通常都会存在残余应力，由于光弹效应，折射率会发生微小的改变当 利用热源( 如电弧，c 0 2 激光等) 对光纤退火时，容易将纤芯处的残余应力释放， 从而纤芯的折射率又可以恢复到原来的水平。如果对有残余应力的光纤进行逐点 周期性退火，就可以在纤芯内形成周期性折射率变化，从而形成光栅。m o r i s h i t a 等采用电弧作为热源利用残余应力释放法在纯石英芯微结构光纤上写入了长周期 光栅【7 2 1 。而z h u 等人采用c 0 2 激光器作为热源在微结构光纤写入了 相移长周期光 栅( 7 3 】。 与机械应力法、周期性塌陷法和残余应力释放法相比，利用紫外曝光法在微 结构光纤上写入光栅的优点颇多，如沿袭了传统光纤光栅的写入技术，继承性好， 制作技术成熟，而且所制作的光栅的一致性和光谱特性好，插入损耗小。 北京交通大学博士学位论文 1 4 2 理论研究 振幅掩模紫外写入法是最常用的一种制作长周期光纤光栅的方法，其纤芯折 射率分布函数为矩形波。现有的关于长周期光纤光栅的理论分析，主要是针对折 射率调制类型为余弦波的光栅【7 6 】【7 7 1 ，它在分析振幅掩模紫外写入的长周期光栅时 存在某些误差【硌】。虽然文献1 7 8 给出了分析矩形折射率调制型长周期光纤光栅的理 论方法，但没有深入的研究各光栅参量对振幅掩模紫外写入的长周期光栅特性的 影响；另外，文中采用矢量法求解光纤中的模式场，而耦合模方程却没有使用矢 量模耦合方程，因而，计算精度并没有得到提高，反而加大了数值计算的难度。 实际上，采用标量法求解包层模式已经有足够的计算精度了【7 9 j 。我们基于标量近 似和耦合模理论系统深入的研究了各光栅参量对振幅掩模紫外写入的长周期光栅 的传输谱和谐振波长的影响，这也是本论文第4 2 节的主要内容。 p a t r i c k 等实验研究了当长周期光纤光栅的外部环境折射率从1 o o 增至1 7 2 时，光栅传输谱的变化规律f 8 0 j 【8 1 1 ，发现：当外部环境折射率高于光纤石英包层时， 长周期光栅的谐振波长几乎不随着外部环境折射率的变化而改变；而当外部环境 折射率低于石英包层折射率时，谐振波长随着外部环境折射率的增大而向短波长 移动。两者有着显著的不同，原因就是当外部环境折射率高于石英包层的折射率 时，光纤不再支持包层模式，在此种情况下，只有存在纤芯模和辐射模。而在一 些长周期光栅的实际应用中，如可调谐的长周期光栅器件，需要使用材料( 如聚 合物等) 涂覆在长周期光栅的外侧，这些材料的折射率通常是高于石英的。因而， 有必要深入的研究长周期光栅中纤芯模到辐射模的耦合问题，但鲜有文献系统深 入的理论分析之。k o y a m a d a 虽然给出了数值计算结果【8 2 】【8 3 1 ，但没有详细介绍计算 过程，同时也没有分析耦合系数的特性，没有给出估计谐振波长的方法。文献i s 4 1 虽然给出了完整的数值分析模型，但在辐射模的归一化问题上存在错误。另外， l e e 等采用图解法分析了长周期光纤光栅的谐振波长和外部环境折射率的关系【8 5 】； s t e g a l l 等采用一维射线传播模型分析了长周期光栅特性【8 6 】；h o u 等把长周期光栅 等效为两层光波导结构，数值分析了长周期光栅的特性【8 7 】；j e o n g 等采用准模式方 法来分析长周期光栅中的辐射模问题【8 8 1 。我们采用辐射模的概念来描述长周期光 纤光栅中的辐射场，把整个辐射场看作是关于单个辐射模电场的傅里叶一贝塞尔 积分。把光栅等效为三层光波导结构，推导出单个辐射模的归一化系数和纤芯基 模模与辐射模之间的标量耦合方程，并详细的给出此耦合方程的数值近似处理方 法。研究了纤芯基模与辐射模的耦合系数的特性；指出了当外部环境折射率高于 包层折射率时长周期光纤光栅仍表现为一系列离散峰的根本原因，并给出估计谐 振波长的方法。这就是本论文第4 3 节的主要内容。 1 绪论 目前关于基于微结构光纤的光栅的理论研究较少。e g g l e t o n 等