（信息与通信工程专业论文）微纳光纤脉冲压缩器的理论研究.pdf

t h e o r e t i c a ls t u d yo fm i c r o n a n oo p t i c a lp u l s ec o m p r e s s o r b y m e n g w a n j i e b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s y s t e mo fc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw e n s h u a n g c h u n m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：量菇劫睫 日期：) 0 1 1 年户月刁e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密1 3 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密由。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：盂 导师签名： 日期：砑年歹月刁日 醐：跏耵月7 日 硕：i ：学位论文 摘要 近年来，随着器件设计理论的完善和制备工艺技术的迅速发展，微型化已经 成为光电子器件的重要发展趋势。微米乃至纳米量级的光予器件能够成功制造得 益于成功制备了低损耗的微纳光纤。合理设计的微纳光纤具有大的非线性系数， 而且其色散比常规光纤大干余倍，这些特性为研究微型、高效的光脉冲压缩器提 供了可能。本文基于微纳光纤来设计全光纤脉冲压缩器，并对微纳光纤脉冲压缩 器的特性进行了数值模拟及理论研究，为实现微纳尺度光脉冲的有效压缩奠定了 理论基础。本文主要研究内容如下： 首先，基于光纤模式理论，理论上研究了微纳光纤的传输特性。根据微纳光 纤的两层圆柱理论模型，利用麦克斯韦方程组和边界条件，主要研究了其模场分 布、传播常数、单模条件、非线性参数、波导色散以及传输效率等重要的参数。 其次，系统研究了高阶非线性效应，包括脉冲内拉曼散射、三阶色散效应以 及自陡效应对微纳光纤脉冲压缩的影响程度。数值模拟的结果表明，在这三种高 阶非线性效应当中，脉冲内拉曼散射对单晶硅微纳光纤中脉冲压缩的影响几乎可 以忽略，三阶色散效应对脉冲压缩的影响很小，当孤子阶数比较低时其影响也是 可以忽略的，而自陡效应相比拉曼和三阶色散效应而言对脉冲压缩的影响则略大 一些。 最后，基于单晶硅微纳光纤，研究了在两种不同的脉冲压缩方法下芯径大小 变化对脉冲压缩特性的影响。由于在现有的光纤拉制工艺条件下，很难实现高精 度微纳光纤的制备，难以避免在芯径大小上出现小范围的误差。因此基于单晶硅 微纳光纤处在反常群速度色散区能够实现孤子效应脉冲压缩以及处在正常群速度 色散区能够实现负啁啾脉冲压缩的特性，我们研究了在这两种不同的脉冲压缩方 法下芯径大小的波动对脉冲压缩特性的影响，其中脉冲压缩特性包括压缩因子、 质量因子以及最佳光纤长度。当利用孤子效应进行脉冲压缩，芯径大小在3 5 0 n m 的基础上增加5 时，对脉冲压缩特性几乎都没有影响，但是当芯径减小3 时就 明显影响了脉冲压缩器特性的稳定。对于负啁啾脉冲压缩，脉冲的压缩因子随直 径增大而增大，当直径大于3 0 0 n m 后开始减小，质量因子和最佳光纤长度的变化 与压缩因子的变化相反。 关键词：微纳光纤；脉冲压缩；压缩因子；质量因子；最佳光纤长度 i i 微纳光纤脉冲压缩器的理论研究 ab s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fd e v i c ed e s i g nt h e o r ya n df a b r i c a t i o nt e c h n i q u e si nr e c e n t y e a r s ，m i n i a t u r i z a t i o no fe l e c t r o n i ca n dp h o t o n i cd e v i c e si sb e c o m i n gt h ei n e x o r a b l e t r e n d i tm a k e st h em i c r o n a n os t r u c t u r ep h o t o n i cd e v i c e sp o s s i b l ew i t ht h es u c c e s s p r e p a r a t i o no fl o w - - l o s s m i c r o - n a n oo p t i c a lf i b e r t h em i c r o n a n of i b e rw h i c hi s r a t i o n a l l yd e s i g n e dw i t hh i g hn o n l i n e a rc o e f f i c i e n ta n di t sd i s p e r s i o ni st h o u s a n d t i m e sl a r g e rt h a nc o n v e n t i o n a lf i b e r t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sp r o v i d eap o s s i b l ew a yt o s t u d y e f f i c i e n tm i c r o n a n o o p t i c a lp u l s ec o m p r e s s o r i nt h i sa r t i c l e ，w em a i n l y p r o p o s e dt h eu s a g eo fm i c r o n a n of i b e rt or e a l i z ea l lo p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o n t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em i c r o n a n of i b e rp u l s ec o m p r e s s o ra r et h e o r e t i c a l l ys t u d i e d t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w eb e l i e v et h a tt h ew o r kw i l ll a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h e r e a l i z a t i o no fm i c r o n a n o - s c a l ea l lo p t i c a lp u l s ec o m p r e s s i o na n dt h ef u t u r ee x p l o r i n g t h ea p p l i c a t i o no fm i c r o - n a n of i b e ri ns o m ee x t e n t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r e l i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t ，b a s e d0 1 1t h ef i b e rm o d e lt h e o r y ，t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e “s t i c sh a v eb e e n t h e o r e t i c a l l y s t u d i e d b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fa 2 - l a y e r s t r u c t u r e d c y l i n d r i c a lw a v e g u i d e ，m a x w e l le q u a t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，w es t u d yt h e p r o p a g a t i o np r o p e r t i e so ft h em i c r o n a n of i b e r t h e s em a i n l yc o n t a i nt h em o d ef i e l d d i s t r i b u t i o n ，p r o p a g a t i o nc o n s t a n t ，s i n g l e - m o d ec o n d i t i o n ，n o n l i n e a rp a r a m e t e r ， w a v e g u i d ed i s p e r s i o n ，t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n do t h e ri m p o r t a n tp a r a m e t e r s s e c o n d ，i no r d e rt oi l l u s t r a t et h ei n f l u e n c eo fh i g h e r - o r d e rn o n l i n e a re f f e c to n m i c r o n a n o w i r ep u l s ec o m p r e s s o r ，w ea d d e di n t r a p u l s es t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ， t h i r d - o r d e rd i s p e r s i o na n d s e l f - s t e e p e n i n g e f f e c to np u l s ec o m p r e s s i o ni nt h e m i c r o n a n oo p t i c a lf i b e r t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a ta m o n gt h et h r e eh i g h e r o r d e rn o n l i n e a re f f e c t s ，t h ei n t r a p u l s es t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n ga l m o s th a v en o i n f l u e n c eo nt h ep u l s ec o m p r e s s i o n ，a n dt h et h i r d o r d e rd i s p e r s i o nh a sl i t t l ee f f e c to n t h ep u l s ec o m p r e s s i o n ，e v e nw h e nt h es o l i t o no r d e ri ss m a l lt h ei n f l u e n c ei sa l m o s t n e g l i g i b l e ，w h i l et h ee f f e c to fs e l f - s t e e p e n i n go np u l s ec o m p r e s s i o ni ss l i g h t l yl a r g e r t h a nt h ee f f e c to fs t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n ga n dt h i r d - o r d e rd i s p e r s i o n f i n a l l y ，b a s e do ns i l i c o nn a n o w i r e ，w eh a v ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n t c o r ed i a m e t e r so np u l s ec o m p r e s s i o nf e a t u r e sw i t ht w ok i n d so fd i f f e r e n tp u l s e c o m p r e s s i o nm e t h o d s i t i s v e r yd i f f i c u l tt or e a l i z eh i g ha c c u r a c yp r e p a r a t i o no f t t i 硕 ：学位论文 m i c r o n a n of i b e ri nc u r r e n t l yd r a w i n gc o n d i t i o n s ，s ot h es i z eo fc o r ed i a m e t e ra l w a y s f l u c t u a t e si nas m a l lr a n g e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tt h es i l i c o nn a n o w i r ec a n r e a l i z es o l i t o ne f f e c t p u l s ec o m p r e s s i o ni ni t sr e g i o no fa b n o r m a lg r o u pv e l o c i t y d i s p e r s i o n ( g v d ) a n dc a na c h i e v en e g a t i v ec h i r p e dp u l s ec o m p r e s s i o ni ni t sr e g i o no f n o r m a lg v d w eh a v ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tc o r ed i a m e t e r so np u l s e c o m p r e s s i o nf e a t u r e si nt h e s et w ok i n d so fd i f f e r e n tp u l s ec o m p r e s s i o nm e t h o d s t h e s t u d yc o n t e n t so fp u l s ec o m p r e s s i o nf e a t u r e si n c l u d ec o m p r e s s i o nf a c t o r ，q u a l i t y f a c t o ra n dt h eo p t i m u mf i b e rl e n g t h w h e nw ec o m p r e s sp u l s ew i t hs o l i t o n e f f e c t ， t h e r ei sa l m o s tn oi n f l u e n c eo np u l s e c o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sw h e nt h ec o r e d i a m e t e ri n c r e a s e s5 o nt h eb a s i so f35 0n m b u tt h e r ei ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e s t a b i l i t yo fp u l s ec o m p r e s s o rc h a r a c t e r i s t i c sw h e nt h ec o r ed i a m e t e rd e c r e a s e s3 f o rt h en e g a t i v ec h i r pp u l s ec o m p r e s s i o n ，t h ec o m p r e s s i o nf a c t o ri n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ed i a m e t e ru n t i lt h ec o r ed i a m e t e rl a r g e rt h a n3 0 0 n m ，t h eq u a l i t yf a c t o r a n dt h eo p t i m u mf i b e rl e n g t hi n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ec o m p r e s s i o nf a c t o r k e y w o r d s ：m i c r o - n a n of i b e r ；p u l s ec o m p r e s s i o n ；c o m p r e s s i o nf a c t o r ；q u a l i t yf a c t o r ； o p t i m u mf i b e rl e n g t h i v 微纳光纤脉冲压缩器的理论研究 目录 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 第1 章绪论1 1 1 微纳光纤脉冲压缩器的研究意义1 1 2 微纳光纤的基本特性及其应用2 1 3 微纳光纤脉冲压缩器的研究情况一5 1 3 1 光纤脉冲压缩器发展简介5 1 3 2 微纳光纤脉冲压缩器的研究进展7 1 4 论文结构及研究内容9 第2 章微纳光纤中的光学传输理论1 0 2 1 引言10 2 2 电磁场理论基础1 0 2 3 光脉冲传输方程的推导1 1 2 4 微纳光纤研究模型的建立及传播常数的计算1 3 2 4 1 模型的建立13 2 4 2 传播常数1 4 2 5 微纳光纤的基模传播特性1 8 2 5 1 微纳光纤的模场分布1 8 2 5 2 非线性参数) ，的讨论1 9 2 5 3 波导色散2 0 2 5 4 微纳光纤的传输效率2 2 2 6 本章小结2 3 第3 章高阶非线性效应对微纳光纤脉冲压缩器的影响2 4 3 1 引言2 4 3 2 数值分析2 4 3 3 脉冲内拉曼散射对微纳光纤脉冲压缩的影响2 6 3 4 三阶色散效应对微纳光纤脉冲压缩的影响2 8 3 5 自陡效应对微纳光纤脉冲压缩的影响3 0 3 6 本章小结31 第4 章单晶硅微纳光纤脉冲压缩3 2 4 1 引言3 2 v 硕上学位论文 4 2 单晶硅微纳光纤中的孤子效应脉冲压缩3 2 4 2 1 孤子效应脉冲压缩3 2 4 2 2 数值分析3 4 4 2 3 模拟结果及讨论3 6 4 3 单晶硅微纳光纤中的负啁啾脉冲压缩3 7 4 3 1 负啁啾脉冲压缩3 7 4 3 2 模拟结果及讨论一3 9 4 4 本章小结4 1 总结与展望4 2 参考文献4 4 j i i 谢4 9 附录a攻读硕士学位期间发表论文目录5 0 v 1 微纳光纤脉冲压缩器的理论研究 插图索引 图1 1 两步拉伸法实验示意图2 图1 2 微纳光纤结构示意图3 图1 3 微纳光纤z 向的坡印亭矢量4 图1 4 微纳光纤倏逝波耦合示意图4 图1 5 波导色散随输入脉冲波长的变化曲线7 图1 6 脉冲在光纤中的压缩曲线8 图1 7 随波长和纤芯直径大小变化的单晶硅微纳光纤g v d 曲线一8 图1 8 纤芯直径为3 4 4 n m 微纳光纤长度为1 0 5 0 n m 时的脉冲压缩强度曲线9 图2 1 ( a ) 微纳光纤横截面及所取坐标系( b ) 微纳光纤纤芯和包层的折射率分布1 4 图2 2 不同芯径下的归一化模场1 9 图2 3 非线性系数随纤芯直径的变化关系( a ) 入射光波长为8 0 0 n m 的二氧化硅微纳 光纤( b ) 入射光为1 5 5 0 n m 的单晶硅微纳光纤2 0 图2 4 波导色散随纤芯直径和波长的变化曲线2 2 图2 5 不同纤芯直径下的单晶硅微纳光纤传输效率一2 3 图3 1 单晶硅微纳光纤波导色散值随波长和不同纤芯直径的变化曲线2 5 图3 2 不同纤芯直径下的单晶硅微纳光纤脉冲压缩2 6 图3 3 仅考虑拉曼散射的二阶孤子时域和频域演化2 7 图3 4 仅考虑拉曼散射时的脉冲压缩因子曲线2 8 图3 5 纤芯直径为3 5 0 n m 时三阶色散随波长的变化2 9 图3 6 仅考虑三阶色散效应时高阶孤子的时域演化2 9 图3 7 仅考虑三阶色散的压缩因子曲线3 0 图3 8 仅考虑自陡效应的二阶孤子时域和频域演化一3 0 图3 9 仅考虑自陡效应的压缩因子曲线3 1 图4 1 光纤非线性长度n l 和色散长度d 的比值3 5 图4 2 四阶色散和五阶四散曲线3 5 图4 4 单晶硅微纳光纤的波导色散随纤芯直径的变化曲线3 8 图4 5 纤芯直径在2 5 0 n m 3 2 0 n m 范围内的非线性系数曲线3 9 图4 6 脉冲压缩特性随纤芯直径和脉冲初始啁啾变化的曲线4 0 v i i 微纳光纤脉冲压缩器的理论研究 第1 章绪论 1 1 微纳光纤脉冲压缩器的研究意义 随着对光电器件的工作性能、集成程度及能量耗损等要求的逐步提高，同时 在器件的设计理论和制备工艺技术也得到了良好发展的前提下，光电子和微电子 元器件的长度或大小已经达到了亚微米和纳米量级尺寸，微电子学、光电子学以 及光子学等已经成为了现代光通信产业的项梁柱。在微电子学领域，电子学发生 历史性的变化以及集成电子学和半导体工业的快速发展都是得益于集成电路的出 现。因此，与集成电子学一样，光学集成的集成程度同样也会经历由低到高的发 展历程。另外，通过缩小器件的尺寸来提高光学集成度，将光子器件与微电子、 光电子器件在纳米尺度上混合集成是非常重要的问题之一。如果光学元器件的尺 寸很小，那么其将带来一系列的好处，比如其集成程度将会提高，生产成本也将 更低，性能将更好，使用将更灵活，同时，微纳材料和器件还具有其他一些大尺 寸的材料和器件所没有的独特性能。基于这些优势，光波导的尺度就逐渐向亚波 长和纳米尺寸发展。因此，利用先进的拉制工艺，将常规光纤拉制到亚微米或纳 米级别，其展现出来的特有的物理及光学特性将为微光子学器件的应用提供崭新 的设计思想。 近几十年来，光纤通信技术的发展十分迅猛，实现了用超宽带宽的光波作为 载体来传输信息，使得全球通信产业向着更高水平、更高阶段的方向发展。但是 面对市场需求的增长，现有的通信网络仍然存在传输能力不足的问题。光的复用 技术有效地提高了光纤的传输容量，目前有光波分复用( w d m ) 技术【l 4 】和光时分 复用( o t d m ) 技术1 5 , 6 j 可以实现光纤传输容量的提高。由于o t d m 能够克服w d m 的一些固有缺点从而受到广泛的关注并成为研究热点，o t d m 技术被认为是一 种长远的网络技术。 目前，高速光通信系统能够得到迅速的发展，这其中高重复频率超短光脉冲 技术的产生起到了举足轻重的作用，特别是脉冲的宽度如果越窄，质量越好，越 能提高o t d m 通信系统的传输速率。但是在高重复频率的光脉冲源中直接产生的 光脉冲宽度往往都较宽，所以必须采取适当的脉冲压缩、整形后才能满足高速光 通信的需要，从而光脉冲压缩这一研究课题也就孕育而生了。与传统的激光锁模 技术相比，光纤脉冲压缩技术简单易行，并且有利于实现全光纤脉冲压缩器。目 前人们正着力寻找更合适的光纤材料或设计合适的光纤参数，制备出更适合于产 生超短光脉冲的特种光纤，而本文所讨论的脉冲压缩在微纳光纤当中的实现，就 是利用了微纳光纤这种特种光纤所特有的性质。伴随着亚微米和纳米尺寸器件的 硕士学位论文 发展，对微纳光纤脉冲压缩器的研究具有重要的意义及其应用价值，它能成为高 密度集成的微纳光器件的组成部件，能使光纤脉冲压缩器实现尺寸上的微纳量级。 1 2 微纳光纤的基本特性及其应用 其实早在十九世纪就已经开始了对细的二氧化硅线光纤的研究，但是受限于 当时的技术和条件，除了它的机械性能外，并没有进一步研究它的光学性能和应 用。光纤通信最早是始于六十年代，在七十年代由美国贝尔实验室开发出了利用 氧化硅制造光纤的技术。随着光纤拉锥制备技术得到发展，到上个世纪末时，直 径为亚微米和纳米量级的新型光纤以其小尺寸、低损耗、强光场约束、倏逝波传 输、高耦合效率、抗拉强度高、易于弯曲等特有的性质又重新吸引了人们的眼球， 得到了人们的关注，它们的光学和物理特性也得到广泛研究【lo ，j 。 微纳光纤的制备方法早在1 9 世纪末已有报导 1 2 1 6 】，它是在对普通光纤进行拉 锥的基础上制造而成的。最近，亚微米或纳米直径的硅和二氧化硅光纤已经被成 功制造。浙江大学童利民小组【1 7 】提出的两步拉伸法获得了直径均匀、表面光滑的 低损耗二氧化硅微纳光纤，得到的光纤直径可低至5 0 n m 。图1 1 是采用两步拉伸 法拉制出的微纳光纤的示意图：首先，使用一步拉伸法将二氧化硅光纤在酒精灯 上加热至融熔状态并拉伸至微米量级，然后将拉细后的光纤一端缠绕在蓝宝石锥 形棒的尖端上，并将缠绕光纤的这一端放置于火焰边缘处，再次融熔初步拉细的 光纤，就可以进一步将光纤拉伸至纳米量级。通过这种方法拉制出的光纤具有良 好的机械性和柔韧性。图1 2 是微纳光纤的两步拉伸法示意图。图a 所示直径小于 1 5 9 m 的微型环是将直径为5 2 0 n m 的二氧化硅微纳光纤弯曲而成。图b 将两根直径 为3 3 0 n m 的微纳光纤两次缠绕在一起。图c 是一根直径为2 8 0 n m 的微纳光纤，其最 小弯盐半径为2 7 p m 。这些显微照片很好的说明了虽然光纤直径只有纳米量级， 但是仍然具有很好的机械性、柔韧性和稳定性。在后来的研究中，他们小组提出 的自调制拉伸法可以拉制出直径为2 0 n m t l 8 j 的微纳光纤，同时进一步简化了微纳光 纤的拉制方法。这两种制备方法得到的微纳光纤光损耗比较低，并且所用光纤原 材料正是本文所要讨论的单晶硅和二氧化硅。 a )b ) 图1 1 两步拉伸法实验示意图1 1 7 l 2 d 盈班岫g n w 微纳光纤脉冲压缩器的理论研究 图1 2 微纳光纤结构示意图【1 7 1a ) 为将直径为5 2 0 n m 的微纳光纤弯曲成直径不到1 5 1 x m 的 微型环、b ) 两次将两根直径为3 3 0 n m 的微纳光纤缠绕在一起、c ) 为一根直径为2 8 0 n m 的微 纳光纤的最小弯曲半径为2 7 t m 纤芯周围有很强的倏逝场是微纳光纤与常规光纤相比的一个突出的特点。当 纤芯直径减小到亚微米量级时，相比普通单模光纤，其对光场的约束能力要弱得 多，其内部模场能量的分布也会随光纤的纤芯大小变化而发生变化。 图1 3 所示为二氧化硅和单晶硅微纳光纤的z 向坡印亭矢量图，从图中可以 看出，当纤芯直径为2 0 0 n m 时，能量很明显的分成了内外两个部分，并且外部的 能量很大，它是以倏逝场的形式在纤芯外传输的。而当纤芯直径为4 0 0 n m 时，能 量相比芯径为2 0 0 n m 时更为集中，几乎大部分能量被限制在纤芯内传播，而只有 很小一部分能量形成倏逝场。这说明光纤束缚脉冲能量的能力随着光纤芯径的减 小而减弱。我们定义参数r 表示纤芯内能流密度的比值，便于分析某个传播模式 在光纤纤芯内的能量占全部能量的份额： r s ，枷 7 7 = i 亚二f ( 1 1 ) 上s ：l d d + 上s 2 d a 这里讨论的微纳光纤，平均能流密度在径向和方位角方向为零，所以我们只 讨论z 向即纵向的能流密度。z 向的坡印亭矢量表示为【1 9 】： 纤芯中： 篷。= 三映) _ 高卜岛以2 ( + 呸q 硝+ 半石( 以( o o s ( 刎 ( 1 2 ) 包层中： s z 2m 三2 菘等l 岛霹( + 呸坞2 ( 嘲+ 半k ( 坞( 嘲c o s ( 劲) ( 1 3 ) 3 硕士学位论文 坡印廷矢量( d ：2 0 0 n m ) x ( n m ) - 5 0 0 y ( n m ) a )b ) 图1 3 微纳光纤z 向的坡印亭矢量a ) 为纤芯直径d = 2 0 0 n m 的微纳光纤能流分布、b ) 为 纤芯直径d = 4 0 0 n m 的微纳光纤能流分布 虽然微纳型波导尺寸在光子器件当中的应用极具诱惑力，但是由于对光纤 质量的严格要求使得制备低损耗的微纳光纤还是存在一定的挑战性的。童利民 小组进行光纤传输损耗的测量就利用倏逝波耦合的方法将光输入到微纳光纤中 来进行的【l 7 1 。图1 4 a 为利用倏逝波耦合将光输入到微纳光纤中的示意图。首先， 将一根微纳光纤置于空气当中，将其中一端放在支撑物上固定，另一端连接将 其进行拉制的光纤拉锥器。然后将另外一根拉锥光纤输入激光并与待测微纳光 纤平行靠近，通过倏逝波耦合就可以将激光导入微纳光纤中。图b 是通过倏逝 波耦合的方法用一根直径为3 9 0 n m 的微纳光纤将激光输入到另一根微纳光纤中 的显微照片，实验发现，其传输损耗仅为1 7 d b m m 。但是，由于倏逝场分量随 着直径的减小而增加，从而引起散射损耗增大，所以随着微纳光纤芯径的减小， 损耗逐渐增加。 f i b 俜培阿1 爨二彳二葫前 “一 s u p p 州 一一| a )b ) 图1 4 微纳光纤倏逝波耦合示意图【1 7 】a ) 幂i j m 倏逝波耦合将激光输入二氧化硅微纳光纤、 b ) 利用倏逝波耦合将激光从3 9 0 r i m 直径的拉锥光纤中输入到4 5 0 n m 直径的二氧化硅微纳光 纤中 4 刚 雌呻 纽 旧h 慨争、? 鼍麓； 微纳光纤脉冲压缩器的理论研究 利用微纳光纤的小尺寸、强约束和倏逝波耦合等特性，可以利用微纳光纤研 制微纳量级光学器件1 2 0 2 2 1 。例如，利用微纳光纤制作出器件尺寸远小于常规光纤 的光纤耦合器1 2 3 1 。另外，微纳光纤应用的一个重要方向是应用微纳光纤的大比例 倏逝波特性制成传感器【2 4 砣6 1 ，传统的传感器的导波结构一般使用普通光纤拉锥制 作而成，其直径或宽度在微米量级。而倏逝波在传导模中所占的比例和光纤敏感 部分的尺寸这两个方面的因素是与传感器的性能直接相关的，为了使传感器的灵 敏度和响应度提高，同时减小器件的尺寸，则需要使制作的传感器的光纤尺寸减 小、倏逝波所占的比例增大。微纳光纤传感器就具有尺寸小、灵敏度高、响应速 度快等优点。 上海交通大学陈险峰等人利用条形电加热炉拉锥方法得到的微纳光纤可应用 于可调谐磁流体调制器【2 7 1 。他们也是利用了微纳光纤的倏逝场进行调谐，制作出 通过改变磁场的大小来改变调制深度的调制器。浙江大学王珊珊等人【2 8 】通过微 纳光纤周围的倏逝场与微粒的相互作用来实现对微纳光纤传输特性的控制。 利用微纳光纤很低的光传输和弯曲损耗特性，童利民小组报道了用微纳光纤 结制备共振环【2 9 1 ，这样的光纤结可制备出高品质因素的稳定的微型光纤环谐振腔； 英国b a t h 大学的研究人员在使用微纳光纤后其所需的光纤长度和脉冲的泵浦功率 均可以大大减小1 3 引，这显示了微纳光纤在非线性光学方面的有效应用。微纳光纤 在原子波导方面也具有潜在的应用价值 3 1 , 3 2 】，这些研究进一步的扩展了微纳光纤 的应用领域。 1 3 微纳光纤脉冲压缩器的研究情况 1 3 1 光纤脉冲压缩器发展简介 目前产生超短光脉冲的最重要途径之一是利用光纤压缩激光脉冲。光脉冲压 缩的主要方法有：光纤一一光栅对的光脉冲压缩，孤子效应光脉冲压缩，啁啾脉 冲压缩，绝热脉冲压缩及其他脉冲压缩技术等。 n a k a t s u k a 等人最早提出利用光纤中的自相位调制来实现激光脉冲的压缩【3 3 】， 光纤光栅对被用来设计成压缩器的结构，在该方案中成功地将工作在o 5 8 7 p m 波 长的锁模染料激光器输出的宽度为5 5 p s 的脉冲压缩为1 5 p s ，光纤光栅对中光纤 总长度为7 0 m 。1 9 8 2 年，s h a n k l 3 4 1 等人采用光栅对的负色散特性设计了脉冲压缩器 件，实现了在1 5 c m 的光纤中将波长为0 6 1 9 “m 、宽度为9 0 f s 的脉冲压缩到3 0 f s 。为 了将脉冲压缩技术在更多的领域内推广，人们将压缩技术的有效工作波长范围进 行了大大的扩展，实现了对波长为1 3 2 p , m 的激光脉冲压缩。 光纤中的脉冲孤子效应压缩现象最早是由m o l l e n a u e r l 3 5 】等人观察到的，利用 1 0 0 m 长的常规光纤，他们将波长为1 5 1 x m ，初始脉宽为7 p s 的脉冲压缩到o 2 6 p s 。 孤子效应压缩适用于波长在1 3 n 1 6 肛m 范围内的光脉冲。然而，孤子效应脉冲压缩 5 硕二l 学位论文 存在一个明显缺陷，即压缩后的脉冲总是伴随着很大的脉座和频率啁啾。而绝热 孤子压缩【3 9 】的优点是不仅可获得无脉座、无频率啁啾的高质量压缩脉冲，而且所 需的输入脉冲峰值功率也相对较低。然而，绝热孤子压缩技术也有其缺陷，即为 了满足绝热的条件，绝热孤子压缩技术只能适应于初始脉冲宽度小于5 p s 的输入脉 冲，因为孤子压缩所需要的色散渐减光纤( d d f ) 长度必须随输入孤子宽度的增大 而呈指数规律增大。 基于d d f 的绝热孤子压缩虽可获得高质量的压缩脉冲，但由于需要满足绝热 的条件，使得该技术能压缩的初始孤子宽度受限，1 9 9 7 年，m a r kd p e l u s i 4 0 】等提 出的基于d d f 环镜的光脉冲压缩方法获得了接近基阶孤子的压缩脉冲，这种方法 可以在不满足绝热条件的情况下实现。 在光纤的正色散区进行负啁啾脉冲压缩 4 1 , 4 2 以及在光纤负色散区进行正啁 啾脉冲的压缩【4 3 】属于两类不同的啁啾脉冲压缩。半导体激光器输出的脉冲虽然被 认为是适合于长距离传输和高传输码率的光纤孤子通信的理想光源，但是其输出 的脉冲却往往带有负啁啾，尤其是增益开关分布反馈二极管激光器输出的脉冲所 带负啁啾非常严重，对光纤通信系统造成了不好的影响，因此为了消除它，我们 可采取前一类压缩技术，即将其在光纤正常色散区进行传输。但是由于自相位调 制效应引起的非线性频率啁啾会影响正群速度色散引起的正啁啾与脉冲初始负啁 啾的抵消，所以会降低脉冲的压缩比。而在光纤负色散区进行正啁啾脉冲压缩不 同的是，其脉冲的压缩程度会因为其自相位调制而得到提高。 其他脉冲压缩技术包括交叉相位调制脉冲压缩、光放大器脉冲压缩。对于交 叉相位调制压缩【4 4 4 7 】，由于利用自相位调制进行脉冲压缩要求入射的脉冲具有足 够强的能量，从而脉冲在光纤中传输时的频谱能得到相对程度的展宽。但是由于 弱脉冲在光纤中传输的自相位调制效应也很弱，所以这种压缩技术对低能量的脉 冲不能很好的进行压缩。后来提出了基于交叉相位调制的弱脉冲压缩办法，因为 其能对光脉冲施加一定的频率啁啾【4 8 5 0 】，因此，让另外一个强泵浦脉冲和被压缩 的脉冲在光纤中一起传输，交叉相位调制和群速度色散的共同作用就可使弱脉冲 得到有效的压缩。 在光脉冲中通过脉冲的放大作用引入频率啁啾，然后使带有频率啁啾的脉冲 在一段适当的群速度色散光纤中传输后而得到压缩就是光放大器脉冲压缩1 5 。另 外，光纤放大器也可以用于压缩脉冲，其压缩仅产生于反常群速度色散区而且压 缩机理与高阶孤子相似。 近年来，高非线性光纤已用于超连续谱的产生，它是通过高阶孤子分裂来展 宽脉冲频谱的。在超连续谱产生的过程中，高阶非线性效应和高阶色散效应都起 了主要作用。输入的孤子通过孤子分裂分解成许多的子脉冲，每个子脉冲的频谱 将通过脉冲内拉曼散射迅速向长波长端移动。在发现超连续谱不久后，人们就发 现这一过程也可以用来产生超短的压缩脉冲。在2 0 0 2 年的一个实验当中【5 引，将 6 微纳光纤脉冲压缩器的理论研究 锁模掺镱光纤激光器产生的2 4 p s 脉冲输入到掺镱微结构光纤中，脉冲被压缩到 了1 1 0 f s 。2 0 0 5 年，b i r g i ts c h e n k e l 等人将1 5 f s 的脉冲输入到5 m m 长的微结构光 纤当中【5 4 】，产生的超连续谱用色散延迟线消除啁啾后，得到了5 5 f s 的压缩脉冲。 脉冲的压缩是通过液晶空间光线调节器装置迭代的最优化而得到的。但其所用光 纤纤芯直径仍有1 7 “m 至2 6 斗m ，相比于直径为纳米量级的光纤仍然达不到其特 有的性质。 1 3 2 微纳光纤脉冲压缩器的研究进展 在对微纳光纤脉冲压缩器进行广泛的研究之前，人们对微结构光纤即光子晶 体光纤中的脉冲压缩就进行过理论及实验的研究。j o n a t h a nh u 5 2 】等人利用具有四 层空气孔的拉锥微结构光纤进行脉冲压缩。他们把平均输入功率为4 0 0 m w ，半高 全宽为3 p s 的初始脉冲输入到2 8 m 长的拉锥微结构光纤当中，得到的脉冲压缩因 子为1 0 。作者认为空气孔拉锥微结构光纤中限制脉冲压缩的主要原因是模式的泄 露带来的损耗。 最近，在微纳光纤脉冲压缩器的研究方面，m a f o s t e re t a 1 等人【5 5 利用二 氧化硅微纳光纤大的反常群速度色散特性与自相位调制的相互作用来对光脉冲进 行孤子效应脉冲自压缩。图1 5 所示为当纤芯直径分别为8 0 0 n m 和l h m 时波导色 散随波长变化的曲线。可以看出，当脉冲波长为8 0 0 n m 时，