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博士论文 光子晶体光纤双芯耦合及传感机理研究 摘要 本文对双芯光子晶体光纤的耦合机理及其在新型光纤耦合器件设计、色散补偿和折 射率传感等方面的应用进行了相关的研究。 提出了一类新的同时基于全内反射和光子带隙效应两种导光机制的并排双芯光子 晶体光纤，对其耦合特性进行了数值模拟和理论分析，发现了对称双芯光纤中的耦合长 度具有局部极大值、超模交替截止和双芯退耦合等新现象，超模和高折射率柱中谐振模 对称性的相对变化在其中起着重要作用。 设计了分光比可调的定向耦合器和工作状态可调的双波长耦合器，对它们的工作原 理进行了分析和说明，给出了它们的工作参数随折射率的变化关系。 提出了光子晶体光纤中泄漏模完全耦合的条件，通过对所设计的新型同轴双芯光子 晶体光纤双芯耦合特性的研究，证实了光子晶体光纤中泄漏模间的完全耦合不仅要求满 足相位匹配条件，还要求耦合模式传播常数虚部之差小于耦合强度系数的两倍。 提出了一种基于双芯耦合模式可选择的色散补偿光子晶体光纤，能够根据实际需要 动态地选择耦合模式，可以在取得较高负色散值( 一3 6 0 0 0 p s n m k m ) 的同时获得尽可能大 的模场面积( 3 4 8 p m 2 ) ，以减小色散补偿过程中非线性效应带来的不利影响。 研究了有限外包层光子晶体光纤的纤芯模损耗特性，发现了纤芯模存在耦合引起的 损耗峰，峰的位置与光纤外包层的大小和外部介质的折射率有关，可以通过测量纤芯模 耦合损耗峰的位置来测量外部介质的折射率。 本文的研究成果对光子晶体光纤的双芯耦合机理和相关应用的深入研究具有重要 的参考价值。 关键词：光子晶体光纤；并排双芯；同轴双芯；混合导光机制；泄漏模耦合；超 模交替截止；群速度色散；折射率传感 博士论文 光子晶体光纤双芯耦合及传感机理研究 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em e c h a n i s m so fd u a l c o r ec o u p l i n gi np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ( p c f s ) a r ea n a l y z e da n di t sa p p l i c a t i o n si nn o v e ld e s i g n so ff i b e rc o u p l e r s ，d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i n ga n dr e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n ga r ea l s od i s c u s s e d an e w t y p eo fp a r a t a c t i cs y m m e t r i c a ld u a l - c o r ep c f sb a s e do nt w og u i d i n gm e c h a n i s m s o ft o t a li n t e m a lr e f l e c t i o na n dp h o t o n i cb a n d g a pe f f e c t ss i m u l t a n e o u s l yi sp r o p o s e d ，w h o s e c o u p l i n gp r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e dn u m e r i c a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y t h e r ea r es e v e r a ls p e c i a l c o u p l i n gf 爸a t u r e ss u c ha st h ee x i s t e n c e so fl o c a lm a x i m a ，a l t e r n a t i v ec u t o f f so fs u p e r m o d e s ， m o d ed e c o u p l i n gb e t w e e nt h et w oc o r e sa n ds oo n i ti sf o u n dt h a tt h er e l a t i v ec h a n g e b e t w e e nt h es y m m e t r i e so fs u p e r m o d e sa n di n c l u s i o nr e s o n a n tm o d e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nt h ec o u p l i n g as p l i t t i n gr a t i ot u n a b l ed i r e c t i o n a lc o u p l e ra n dad u a l w a v e l e n g t hc o u p l e r 、i t ht u n a b l e w o r ks t a t i o n sa r ep r o p o s e da n dt h e i rw o r kp r i n c i p l e sa r ei l l u m i n a t e d t h er e l a t i o n sb e t w e e n t h e i rw o r kp a r a m e t e r sa n dt h er e f r a c t i v ei n d e xo fh i 曲一i n d e xi n c l u s i o na r ea l s op r e s e n t e d t h ec o n d i t i o n so fc o m p l e t ec o u p l i n gb e t w e e nl e a k ym o d e si np c f sa r ep u tf o r w a r d b y i n v e s t i g a t i n gt h ec o u p l i n gp r o p e r t i e so fp r o p o s e dc o n c e n t r i cd u a l c o r ep c f s ，i ti sp r o v e dt h a t c o m p l e t ec o u p l i n gb e t w e e nl e a k ym o d e si np c f sr e q u i r e sn o to n l ys a t i s f y i n gt h ep h a s e m a t c h i n gc o n d i t i o n ，b u ta l s ot h a tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni m a g i n a r yp a r t so fm o d ep r o p a g a t i o n c o n s t a n ti sl e s st h a nt w ot i m e so ft h ec o u p l i n gs t r e n g t hc o e f f i c i e n t b a s e do nt h ec o u p l i n gi nc o n c e n t r i cd u a l - c o r ep c f s ，an e wd u a l - c o r ep c f 州t ho p t i o n a l m o d ec o u p l i n gi sp r o p o s e d i t sc o u p l i n gm o d e sc a nb es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s ， a n da sh i g ha s - 3 6 0 0 0 p s n m k mn e g a t i v ed i s p e r s i o na n da sl a r g ea s3 4 8l x m zm o d ef i e l da r e a c a nb eo b t a i n e da tt h es a m et i m e t h i sm e r i ti sh e l p f u lt od e c r e a s et h ed i s a d v a n t a g e o u s i n f l u e n c eo fn o n l i n e a re f f e c t sd u r i n gt h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i n g t h ec o n f i n e m e n tl o s so fi n d e x g u i d i n gp c f sw i t hf i n i t eo u t e rc l a d d i n gi sa n a l y z e d i ti s f o u n dt h a tt h e r ea r ec o u p l i n g - i n d u c e dl o s sp e a k sf o rt h ec o r em o d ea n dt h el o c a t i o n so fl o s s p e a k sa r er e l a t e dw i t ht h ed i a m e t e ro fo u t e rc l a d d i n ga n dt h er e f r a c t i v ei n d e xo fe x t e r n a l m e d i u m i ti ss u g g e s t e dt h a tt h er e f r a c t i v ei n d e xo fe x t e m a lm e d i u mc a l lb es u r v e y e db y m e a s u r i n gt h ev a r i a t i o n so fl o s sp e a k so ft h ec o r em o d e t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ef u r t h e rs t u d yo nd u a l - c o r e c o u p l i n gm e c h a n i s m sa n dr e l e v a n ta p p l i c a t i o n s i i i a b s t r a c t 博上论文 k e yw o r d ：p h o t o n i cc 巧s t a lf i b e r ；p a r a t a c t i cd u a l - c o r e ；c o n c e n t r i cd u a l c o r e ；h y b r i d g u i d i n gm e c h a n i s m ；l e a k ym o d ec o u p l i n g ；s u p e r m o d ea l t e m a t i v ec u t o f f ；g r o u pv e l o c i t y d i s p e r s i o n ；r e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n g i v 博士论文光子晶体光纤双芯耦合及传感机理研究 图表目录 图1 1 一维( a ) 、二维( b ) 及三维( c ) 光子晶体结构示意图。l 图1 2 几种标志性光子晶体光纤的电子显微扫描图像3 图1 3 多种光子晶体光纤预制棒堆积结构纤芯设计示意图4 图1 4 光子晶体光纤的一般拉制过程示意图5 图1 5 常见的折射率引导型光子晶体光纤6 图1 6 不同结构的光子带隙型光子晶体光纤7 图1 7 光子晶体光纤单模工作参数示意图9 图1 8 光子晶体光纤的色散随空气孔直径的变化关系一1 0 图1 9 不同种类宽带连续谱的亮度对比1 2 图2 1 区域的三角形单元离散化。2 3 图2 2 三角形混合棱边结点单元2 4 图2 3 光波导p m l 边界示意图2 6 图2 4 多极法计算结构示意图2 8 图2 5 中心差分网络结构：3 4 图2 6 折射率引导型光子晶体光纤结构3 5 图2 7 光子晶体光纤基模模场的横向分布。3 5 图2 8 基模等效折射率实部( a ) 和虚部( b ) 随波长的变化曲线3 6 图2 9 双芯光子晶体光纤截面图3 7 图2 1 0 不同波长下双芯光纤内能量的归一化传输曲线3 8 图2 1 1 对应于两种不同方法的耦合长度随波长的变化曲线3 8 图3 1 两根相互靠近且平行的光波导4 1 图3 2 混合导光机制双芯光子晶体光纤结构示意图4 4 图3 3p c f l 中超模等效折射率随人九的变化关系4 5 图3 4p c f l 中超模在人九= 2 5 8 时沿x 轴的归一化电场分布。4 6 图3 5p c f l 中奇偶超模在不同a 九时的模场分布图4 6 图3 6 双芯光纤p c f l 中耦合长度t 随人九的变化关系4 8 图3 7 光纤p c f l 中两纤芯中归一化能量随传播距离的变化4 8 图3 8p c f 2 中超模等效折射率随人九的变化关系4 9 图3 9p c f 2 中超模在人九= 2 5 8 时沿x 轴的归一化电场分布5 0 图3 ，1 0 双芯光纤p c f 2 中耦合长度随人九的变化关系5 1 图3 1 lp c f 2 中奇偶超模在不同a 九时的模场分布图5 1 v i i 图表目录博十论文 图3 1 2 耦合长度厶在不同折射率门下随波长的变化关系5 2 图3 1 3 耦合长度l 在不同空气孔间隔人下随波长的变化关系5 3 图3 1 4 耦合长度三。在不同空气孔直径d 下随波长的变化关系5 3 图3 15 定向耦合器示意图5 4 图3 1 6 耦合器在九= 1 5 5 1 t m 、疗= 1 6 时的归一化能量传输曲线5 5 图3 1 7 分光比暑r 和耦合长度厶在九= 1 5 5 1 x m 时随折射率变化关系一5 5 图3 18 工作状态可调双波长耦合器工作原理图5 6 图3 1 9 双波长耦合器工作状态转换示意图5 7 图3 2 0 并排非对称双芯光子晶体光纤5 8 图3 2 l 两纤芯分别作为独立波导时的基模色散曲线5 8 图3 2 2 耦合波长k 和耦合长度t 随折射率玎的变化关系5 9 图4 1 同轴双芯光子晶体光纤的结构示意图( a ) 及内外纤芯的模场分布图( b ) 6 1 图4 2 泄露模完全耦合时等效折射率的实部( a ) 和虚部( b ) 随波长的变化关系6 3 图4 3 泄露模不完全耦合时等效折射率的实部( a ) 和虚部( b ) 随波长的变化关系6 4 图4 4 泄露模等效折射率的实部( a ) 和虚部( b ) 在不同空气孔下随波长的变化关系6 5 图4 5 反谐振反射带隙光纤的截面结构示意图6 9 图4 6 光纤波导色散在a 不同时随波长的变化关系一7 0 图4 7 光纤波导色散在d 不同时随波长的变化关系一7 l 图4 8 高折射率圈数不同时纤芯基模的波导色散随波长的变化关系7 l 图4 9 在不同的d ( a ) 和玎( b ) 时光纤的波导色散随波长的变化关系。7 2 图4 1 0 双芯光纤的结构及其折射率分布示意图7 3 图4 1 1 耦合模等效折射率( a ) 和群速度色散( b ) 随波长的变化关系7 4 图4 1 2 门：不同时耦合模等效折射率( a ) 和群速度色散( b ) 随波长的变化关系7 5 图5 1 有限外包层折射率引导型光子晶体光纤结构示意图7 8 图5 2 纤芯基模损耗特性随外包层半径r 的变化关系8 0 图5 3 纤芯基模损耗在不同的r 下随外部介质折射率n 。的变化关系8 2 图5 4 光纤的损耗谱随外部介质折射率的变化关系8 3 表2 1p m l 的参数取值2 7 表4 1 不同耦合模对应的色散参数。7 6 v i i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 博士论立光子晶体光纤芯耦台驶传感机g 研究 1 绪论 1 1 光子晶体光纤 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 ) ，又称微结构光纤，由于其结构设计的灵 活性和所表现出的独特光学性质，自从上个世纪末问世以来便引起国内外学者的广泛研 究兴趣。一。作为一个研究的热门领域，针对光子晶体光纤的研究，不仅具有重要的理论 价值，而且具有广泛的实际应用价值，其在光纤通信、光纤功能器件、非线性光学及光 纤传感等方面展现出了诱人的应用前景“。 1 1 1 光子晶体简介 半导体技术在二十世纪得到了迅猛的发展，在微电子领域扮演着重要的角色，在推 动人类社会不断向信息时代迈进的过程中发挥着不可替代的重要作用。微处理器、存储 器、半导体激光器等半导体器件己经渗透到生产和生活的各个角落，并在可以预见的将 来继续影响着我们的生活。在半导体中，可以通过对电子能带及带隙结构的合理设计来 实现对电子及空穴运动的有效控制。晶体中原子的有序排列形成了周期性的势场，在周 期性势场的作用下电子能级扩展为能带，在带与带之间可能存在着带隙，电子可以在 导带中传播，却不能在带隙中传播，而电子带隙的位置及大小等相关性质主要由晶体中 的原子类型及晶体结构所决定。光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ，p c ) 作为一种二十世纪末开始 被人们认识的新型带隙材料，具有极大的理论价值和应用前景”“。 ( a ) b ) ( c ) 图11 一维( a ) 、二维( b ) 及三维 c ) 光子晶体结构示意目 光子晶体的概念最早是由e y a b l o n o v i t h ”1 和s j o h 一圳于1 9 8 7 年分别独立提出的，并 预言了光子带隙在二维和三维光子晶体结构中的存在。所谓光子晶体就是不同介电常数 的介质材料在一维、二维或三维空间内组成具有光波长量级的周期性结构，在此晶体中 产生允许光传播的光子导带和禁止光传播的光子带隙。在光子导带频率范围内，光可以 j 下常传播，而处于带隙内的光将不能通过光子晶体。在光了晶体中不阿偏振态的光在 所有方向都不能传播的带隙称为完全光子带隙而光在某些方向可以传播，在另外一些 方向不能传播的带隙称为不完全光予带隙。光子晶体中光于带i ；c c 的存在和性质与电子禁 l 绪论博士论文 带类似，主要取决于介质的类型及其排列方式。通过改变不同介质的排列方式及分布周 期，可以引起光子晶体性质上的许多变化，从而实现特定的功能。根据周期结构的不同， 光子晶体分为一维、二维和三维三类，如图1 1 所示。 如果材料只在一个方向上具有周期结构，光子带隙只能出现在这个方向上，称为一 维光子晶体，如已被广泛研究的多层膜结构，落入带隙频率范围的光波只能在垂直于这 一方向的平面内传播；二维光子晶体只具有二维周期结构，处于带隙的光波只能沿二维 周期结构的垂直方向传播；如果存在三维的周期结构，就可能出现全方向的光子带隙， 落入带隙中的光在任何方向都被禁止传播。与在半导体中进行掺杂的作用相似，当在光 子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子带隙就支持具有一定频宽的缺陷态 或局域态，具有特定频率的光波可以在这个缺陷区域中传播，从而可以控制光在其中的 传播行为乜。 由于在控制光子传播行为方面的独特作用，光子晶体近年来成为物理学及材料科学 领域的研究新热点，并得到了迅速的发展和广泛的应用。可以被看作一维光子晶体的光 纤b r a g g 光栅已经在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用乜”2 ，光子晶体光纤作为一 种含缺陷的特殊二维光子晶体在非线性应用乜7 。1 、通信陋3 2 1 及传感扫3 1 5 1 等领域表现出诱人 的潜力。另外，光子晶体在抑制原子分子的自发辐射b 6 “、制备单模发光二极管胁1 、波 分复用器b 、小型微波天线基底、光波导k ”、低阈值激光器 4 “、压缩激光脉冲1 、光学 开关m 1 等方面具有广泛的应用前景。随着人类对光子晶体认识的发展和制造水平的不断 提高，光子晶体将会在更多领域得到更加广泛的应用。 1 1 2 光子晶体光纤的出现 自从光子晶体中光子带隙的概念提出以来，寻找和设计能够产生光子带隙的光子晶 体结构迅速成为了人们研究的热点。在对二维光子晶体的研究中，人们最初主要关注电 磁波在周期结构的平面内传播时的光子带隙情况，经过研究发现，要在六角形晶格的光 子晶体中产生完全光子带隙的两种介质的折射率之比不得低于2 6 6 1 ，这一限制对光子 晶体的材料及结构选择提出了较高的要求。p s t j r u s s e l l 于1 9 9 1 年提出了一种新设想， 利用二维光子晶体作为光纤包层，把光波束缚在中空的纤芯里沿光纤轴向传播，这一想 法主要考虑光波在二维光子晶体周期结构的平面外传播情形，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 , p c f ) 的概念就此产生了。 由于光子晶体光纤利用光子带隙效应实现对纤芯光波的束缚，使得利用单一材料拉 制空气中工作的光纤称为可能。其实，用单一材料制造包层中存在精细结构的微结构光 纤的工作早上世纪7 0 年代已经开展4 ”，但当时的工作不是基于对光子带隙效应的认识 而进行的。贝尔实验室的k a i s e r 等人认为纤芯的掺杂会引起散射及包层与纤芯界面处的 应力等不利效应，进而影响光纤损耗的进一步降低，并且给出了一种由单一材料制成的 2 博士论女光于晶体光纤职芯耦台及传黪机理研究 光纤，其纤芯是由两个玻璃网壁支撑的细玻璃丝形成，借助玻璃与空气间的全反射机制 导光。由于m c v d 光纤制造技术的成熟，微结构光纤的研制在当时没有引起人们的持 续关注。 对于光子晶体光纤的研究在1 9 9 5 年取得了重大的进展，通过数值计算的手段对麦 克斯韦方程组进行求解，结果显示在由石英和空气构成的二维光子晶体中，对于斜入射 的光波确实存在光子带隙叫，这为空心光纤的研制奠定了理论基础。而“堆- 拉”技术的 引入可以实现对光子晶体光纤结构的精确控制，为光子晶体光纤的诞生提供了很好的 技术手段。 1 9 9 6 年，jc k n i g h t 等人“慨功拉制出世界上首根光子晶体光纤，该光纤完全由熔 石英制成，包层中的空气孔按三角分布均匀排列，纤芯也由熔石英组成。然而，实验发 现该光子晶体光纤中并没有出现期望的光子带隙效应，它是靠全内反射导光的。与传统 阶跃折射率光纤中纤芯折射率高于包层折射率类似，由于包层中空气孔的存在，该光子 晶体光纤中纤芯的折射率高于包层的等效折射率，其导光机理被称为改进的全内反射， 该光纤也被称为折射率引导型光子晶体光纤。虽然期待的光子带隙效应并没有出现，但 这种类型的光子晶体光纤具备前所未有的新特性无尽单模传输特性”，向人们昭示 出光子晶体光纤的诱人前景。1 9 9 8 年，j c k n i g h t 等人嘲又利用空气孔呈蜂窝形分布的 结构制造出基于光子带隙效应导光的光子晶体光纤，蜂窝形结构极大地增加了光子带隙 的宽度，由于在纤芯处引入了一个额外的空气孔而形成缺陷，使得纤芯的有效折射率小 于包层，从而不满足全反射条件，光波被光子带凉效应限制在纤芯空气孔附近的区域内。 1 9 9 9 年，m e c r e g a n 等人叫又制造出了光在空气纤芯中单模传播的光子晶体光纤，这种 光纤利用光子带隙效应把大于9 8 的光能量限制在了低折射率的空气纤芯中，首次把 r u s s e l l 最初的设想变为了现实。图1 2 为几种标志性光子晶体光纤的电子显微扫描图像。 抽) 世界首根折射率引导型光子晶体光纤”1 ( b ) 世界首根光于带隙型光子晶体光纤叫；( c ) 世界茸根空 心光子带隙型光于晶体光纤。” 图12 几种标志性光子晶体光纤的屯子显微扫描图像 在光子晶体光纤初期研究非常成功的基础上，各种类型的光子晶体光纤不断涌现， 有特别适合于高功率光传输应用场合的大模场光纤吲，便于色散控制的色散平坦光纤嘲 及色散补偿光纤叫，具有高双折射的偏振保持光纤吲，适用于耦合器件设计、光学滤 博十论i 波嘲及多维传感叫等应用的多芯光纤，以及可作为非线性光学的理想研究介质的高非线 性光纤”。随着制作工艺和需求的迅猛发展，研究者们所设计的光纤已经不仅仅局限于 空气孔周期排列的光子晶体光纤，而是打破了周期性结构设计出空气孔随机分布的光子 晶体光纤；同时光纤的材料也不再仅仅局限于空气和石英两种介质，而是根据需要设 计出了聚合物光子晶体光纤“”、全固体光子晶体光纤“1 和在空气孔纤芯内填充液晶等材 料的新型光纤”“。 1 1 3 光子晶体光纤的制作 与传统光纤的制作过程类似，光子晶体光纤的制作过程大体上也可以分为两个步 骤，首先是光子晶体光纤预制棒的制作，然后将预制棒拉制成光子晶体光纤。不同方式 的气相沉积工艺在传统光纤预制棒制各过程中的应用已经相当成熟，但结构复杂的光子 晶体光纤对预制棒的制备提出了新的要求，传统的气相沉积工艺已经不能满足要求，经 过各国科研工作者的努力，已经有多种方法被提出来用于光于晶体光纤预制棒的制作， 其中照早采用且应用晟广泛的是毛细石英管“堆一拉”技术。 鬯 ( a ) 双折射纤芯；( b ) 空心纤芯；( c ) 固体纤芯：( d ) 掺杂纤芯 图13 多种光子晶体光纤预制棒堆积结构纤芯设计示意图 在利用“堆一拉”技术制作光纤的过程中，首先将直径约为2 0 m m 的高纯度石英管 及石英棒拉制成外径l m m 左右的毛细石英管，然后将毛细管及石英棒加工成长度为i m 左右的小段以各后续堆砌之用。根据不同的需要，厦初石英管的内外径之比一般在 03 加8 之间，这一比例将主要决定最终光纤的d a 值，而毛细石英管直径的一致性及形 状的圆规则性必须控制在管径的1 以内，以保证制成的光纤符合设计的要求。在毛细 管准备好之后，把它们按三角形堆积在一起，再根据需要抽取数根毛细管或用实心棒等 替换毛细管，晟后将这些堆积好的毛细管放到尺寸合适的薄壁石英套管中，利用毛细管 将外围空隙填满，并使毛细管和石英套管的两端熔在一起以使结构固定。这样就制成了 光子晶体光纤预制棒。此外，根据需要可以对预制棒进行酸处理或热处理，以去除预制 棒表面的裂纹，使表壁变得光滑。毛细管的“堆一拉”技术为光子晶体光纤结构设计灵 活特点的实现提供了便利条件，如图1 3 所示为多种光子晶体光纤预制棒堆积结构纤芯 博士论文光子晶体光纤飘芯耦台及传感机理研究 设计示意图嘲，纤芯结构不同的预制棒可以拉出职折射光纤、空心光纤及纤芯掺杂光纤 等多种光子晶体光纤。 随着光子晶体光纤的需求及制造材料的多样化，光纤预制棒新的制作方法也相应地 丰富了起来。挤压法嘲通过挤压熔融光纤材料来制作光子晶体光纤预制棒，主要适合于 “堆一拉”法难以制造的结构和熔点比较低的材料。挤压法首先将石英粉碎成碎片或者 石英粉，然后将碎片或石英粉放入电热炉中加热，该炉体底部有根据需要而设计的模具。 当温度达到一定时，在电热炉的项部施加一定的压力，使熔融石英从底端挤出来而形成 雏形。最后将预制棒放入尺寸合适的玻璃管外套中，这样就可以拿到光纤拉制塔中进行 拉制了。混合石英、聚合物及硫化物等都可以通过挤压法制成光纤预制棒，且棒中空气 孔的形状、大小及间隔可以得到灵活的控制。除了以上两种方法之外，还有溶胶一凝胶 铸造法州、腐蚀法叫和钻孔法等方法被用于光子晶体光纤预制棒的制各。 在预制棒完成以后就可以将其放入光纤拉丝塔中进行光纤的拉制。在光纤的拉制 过程中，由于熔融材料流动的粘滞性、表面张力及压力等因素的影响，光纤的结构会发 生变形，导致最终的光纤与设计光纤存在极大的偏差。为了保证光纤的拉制质量，需要 对光纤的拉制温度、预制棒的供给速度、拉丝速度及气流的流速等参数进行严格的控制。 对于最常用的纯石英，温度一般控制在1 8 0 0 2 0 0 0 之间，低于传统光纤的拉制温度 是为了防止空气孔的塌缩，光子晶体光纤的一般拉制过程示意图如图1 4 所示。 谴 2 0 m m2 0 m m 1 0 m m 幕翠睾。 圈14 光子晶体光纤的一般拉制过程示意图 目前，光子晶体光纤的制造技术日趋成熟，c r y s t a lf i b e r a s 、b l a z e p h o t o n i c s 、l u c e n t 和c o m i n g 等几家公司在光子晶体光纤研究和产品化方面都作出了重要的贡献，并相继 推出一系列满足不同需求的商业化产品。国内的科研院所，包括燕山大学、北京交通大 学、烽火科技及中电2 3 所等多家单位陆续开展了光子晶体光纤的研制工作，并取得了 可喜的进展。 1 1 4 光子晶体光纤的分类 光予晶体光纤的概念最初是由光子带隙理论发展而来，自从光予晶体光纤问世以 博十论文 来，随着理论与应用研究的不断发展，光子品体光纤所涵盖的范围不断扩展，光子晶体 光纤家族的成员也不断丰富。光子晶体光纤通常是由纯石英或聚合物为基底材料构成， 空气孔或其他材料的柱体沿光纤长度方向不变在光纤横截面内按一定规则排列，在纤 芯处引入一个缺陷用于光传输。根据导光机制的不同，光子晶体光纤可以分为两大类： 一类是折射率传导型光子晶体光纤可以用全内反射机n f t o 谢i n t e m a lr e t i e c t i o n ，t i r ) 来解释光的传导；另一类是光子带隙型光子晶体光纤，其包层横截面的折射率具有规则 的周期分布，出现的光子带隙效应( p h o t o n i cb a n d g a p ，p b g ) 把频率位于带隙内的光约束在 纤芯中。 一、折射率引导型光子晶体光纤 图15 为几种较为常见的折射率引导型光子晶体光纤，它们通常由未搀杂的纯石英 或聚合物单一材料构成，空气孔按一定的排列方式分布在光纤的包层区域纤芯为去除 一个或多个空气孔的实芯。根据等效折射率理论1 ，含有空气孔包层的等效折射率可以 用无限大包层的空问填充基模的有效折射率柬描述，空间填充基模的有效折射率由于空 气孔的存在而小于纤芯的折射率，从而使得光可以像传统阶跃光纤一样以仝内反射方式 被束缚在坌t 芯中，因此折射率引导型光于晶体光纤也被称为全内反射型光子晶体光纤。 尽管导光机制与传统阶跃光纤类似，但折射率引导型光子晶体光纤由单材料构成，并 且其结构参数具有很大的设计自由度，使其具备了一些全新的特性以满足不同的需求。 幽15 常见的折射率引导型光子晶体光纤 通过对折射率引导型光子晶体光纤包层宅气孔分布的合理设计，町以获得不同类型 的光纤。包层的有效折射率由光的模场在空气孔和石英基底中分布所占比例决定，减小 字气孔的闻距或增大空气孔的直径都可以增加空气孔所占的比例，进而减小包层的有效 折射率，纤芯和包层间折射率差的大幅增大可以极大地减小光纤的弯曲损耗；通过光纤 6 博论文光子晶体光纤职芯耦台及传瞄机理研究 整个横截面内或仅纤芯附近的两个正交方向上空气孔的不对称排列，可咀产生结构双折 射用于设计出高双折射的保偏光纤嚏“，甚至只有一个偏振模式的单模单偏振光纤”刊； 通过设计包层空气孔的直径和纤芯形状，可以获得大模场面积光纤帆“以及无限单模光 纤“；在大模场面积光纤外再增加一层太空气孔，并在纤芯掺入有源材料，制成用于包 层泵浦高功率激光器的双包层光子晶体光纤；利用空气和石英之间折射率差大的特 点，减小光纤模场面积，从而获得高非线性光纤；通过在光纤中引入两个或更多的纤 芯，实现多芯光纤，可用于传感域方向耦合器“；只保留光纤包层中最里面一层的 空气孔，井使其直径尽可能大，制造出了柚子光纤，在柚子光纤的空气孔中填充温度敏 感或电场敏感材料，可以制成可调谐光纤器件哪：通过严格控制光纤包层里不同层空气 孔的大小，可以获得短波长反常色散光纤慨“及超平坦色散光纤陋“。由等效折射率理论 可以知道，全内反射对包层中空气孔的分布是否具有周期性并没有严格的要求，这使得 折射率引导型光子晶体光纤的设计具有更大的设计灵活性，空气孔随机分布的光子晶体 光纤已有报道删。 二、光子带隙型光子晶体光纤 光子带隙型光子晶体光纤的导光机制不同于折射率引导型光子晶体光纤，通常其纤 芯折射率低于包层的等效折射率，因而不能依靠全内反射来导光，它是靠包层内空气孔 周期性排列产生的光子带隙效应效应来实现对纤芯光波的束缚。理论和实验证明这种光 子晶体光纤的传输具有极强的波长依赖性，仅有位于带隙内的光能够在纤芯内传输，而 其他波长的光具有极大的泄露损耗，沿光纤传输极短的距离就会泄漏掉。随着光子带 隙型光子晶体光纤的发展，多种不同结构的带隙型光纤不断出现，如图1 6 所示。 图16 不同结构的光子带隙型光子晶体光纤 空芯光子带隙光纤是一种纤芯为空气的带隙型光子晶体光纤，光能量可以在空气纤 7 i黪国 l 绪论 博士论文 芯中传播。1 9 9 8 年，英国巴斯大学k n i g h t 等人首先制造出蜂窝包层结构的光子带隙光 纤侧，这种光纤包层具有蜂窝型空气孔排列的结构，纤芯处通过引入一个额外的空气孔 形成缺陷，使纤芯的有效折射率小于包层，光被光子带隙效应限制在纤芯空气孔周围呈 环形的石英区域中。由于这种光纤包层空气填充率低，纤芯空气孔较小，纤芯传输模的 大部分能量分布在石英中而不是空气中，基模模场呈环形分布，存在不便与其它器件耦 合的不足，没能满足空气纤芯传输大部分能量的愿望，但它首次向人们证明了光纤中光 子带隙导光的可能性。真正的空芯光子带隙光纤于1 9 9 9 年由c r e g a n 等人制造成功暗”， 在拉制过程中去除中心7 个毛细管形成一个大的空气孔缺陷作为纤芯，其包层具有三角 形排列的空气孔结构，足够高的空气填充率保证了光子带隙的产生，实现了大于9 8 的 光能量在低折射率空气纤芯中的传输。由于空气的非线性系数比石英低3 个数量级，因 此空芯光纤具有超低的非线性和很高的破坏阈值，非常适合于高功率激光的传输阳：它 还是研究气体非线性隋1 及光与物质相互作用的理想选择怕“；空芯光纤理论上具有比实芯 光纤更低的损耗。但是，空芯光纤光子带隙的存在不仅要求包层中空气孔的分布具有良 好的周期性，还要求达到非常高的占空比，目前空芯光子带隙光纤包层占空比通常达到 9 0 以上，这些要求显著增加了空芯光子带隙光纤的制备难度。 反谐振反射式光子带隙型光子晶体光纤岫7 1 是一种新型的带隙型光纤，与空芯光纤的 最显著差别在于其光子带隙不是由包层中周期性分布的空气孔产生的，而是由取代包层 中空气孔的高折射率柱产生的。在包层空气孔中填充上聚合物、液晶及其他高折射率材 料后，包层的等效折射率就会高于纤芯的折射率，全内反射机制不能保证纤芯模的存在， 理论和实验研究表明，反谐振反射式光子带隙光纤中纤芯模的传导可以用反谐振反射光 波导( a n t i r e s o n a n tr e f l e c t i n go p t i c a lw a v e g u i d e ，a r r o w ) 模型进行解释怕。当高折射率柱处 于谐振波长时，纤芯模会离开纤芯而泄露进包层高折射率柱中；而当工作波长远离高折 射率柱的谐振波长时，高折射率柱可以对纤芯模进行有效的反射，进而维持纤芯模的传 播，这一效应表现出对光波长的强烈敏感性，光子带隙效应便由此产生。填充材料的折 射率随温度或电场等物理量发生变化时，光纤光子带隙的中心频率和相对宽带会随之变 化，可以利用这种特性设计可调谐光纤器俐”1 。2 0 0 5 年，a r g y r o s 等人利用制作传统光 纤的两种材料，折射率差仅为1 的纯石英和掺锗石英研制出全固体反谐振反射式光子 带隙光纤，实现了光子带隙传掣删。与空芯光子带隙光纤相比，全固光子带隙光纤具有 拉制工艺简单，与传统光纤熔接容易等优点，但也存在工作带宽受环境影响大及弯曲损 耗较大等问题，需要进一步的研究来解决。 b r a g g 光纤是另外一种纤芯由多层折射率不同、沿光纤径向周期性分布的环形介质 层包围的带隙型光纤，其纤芯可以是空气断1 ，也可以是实心材料b 司，多层介质对特定波 长范围光波的b r a g g 反射产生了光子带隙效应，把光波束缚在纤芯传播。虽然这种光纤 的损耗较小，但需要折射率不同的两种材料具有较好的热学相容性，在材料的选择上存 8 博士论文光子晶体光纤双芯耦合及传感机理研究 在较大的限制。 三、混合导光机制光子晶体光纤 通过选择合适的光纤纤芯及包层的结构，可以使得全反射导光和光子带隙导光两种 导光机制共同对纤芯模进行有效的束缚。2 0 0 6 年c e r q u e i r a 等人报道了一种混合导光机 制的光子晶体光纤b 割，在这种光纤的包层中同时含有三角分布的大量空气孔和沿某一直 径方向分布的一行高折射率柱，光纤的纤芯为实芯，纤芯的折射率大于含空气孑l 包层区 域的等效折射率，而小于含高折射率柱包层区域的等效折射率，空气孔产生全内反射， 高折射率柱产生光子带隙效应，实验结果表明光纤中存在两种导光机制。2 0 0 7 年p e r r i n 等人泓1 通过理论分析指出，带有空气间隙孔的全固体带隙光纤中同时存在两种导光机 制，空气间隙孔的存在极大地扩展了光子带隙的宽度。混合导光机制光纤可以同时发挥 两种导光机制的优势，为新型特殊功能光纤的实现提供更大的设计自由度。 1 1 5 光子晶体光纤的传输特性 ( 1 ) 无尽单模特性 在传统阶跃折射率光纤中，纤芯内传输模式的数量可以用归一化频率k 来衡量b 司： k ：孚2 2 2 4 0 5 ( 1 1 ) 几 式中，九为光在真空中的波长，为纤芯的折射率，为包层的折射率，a 为纤 芯半径。只有当归一化频率k 2 4 0 5 时，光纤才能维持单模传输。由于在传统光纤中， 和只与材料色散有关，随波长变化较小，k 值近似与波长成反比。因此，总能找 到一个截止波长九，只有波长大于九的光波才能在光纤中实现单模传输，而当波长小于 九时，光纤中将会出现高阶模。 图1 7 光子晶体光纤单模工作参数示意图 光子晶体光纤的无尽单模特性是指所有波长的光波在折射率引导型光子晶体光纤 中都可以实现单模传输“1 ，其单模工作参数如图1 7 所汞蚓。对于光子晶体光纤，其单模 条件与传统光纤类似，可以表示为b 引： 9 l 绪论博士论文 = 竿吃+ 砖；q小山 3 混台导光机$ i 光f 晶体光纤并排日芯耦台研究 博士论文 场逐渐变为谐振模，越来越多的超模能量转移到高折射率柱中，导致超模等效折射率的 迅速增大，引起折射率曲线发生分裂。而与谐振模对称性相反的超模没有截止，能量依 然主要集中在纤芯中，不会引起超模等效折射率的剧烈变化，其等效折射率曲线没有发 生分裂。 幽3 4p c f l 中超模在 x = 25 8 时沿x 轴的归一化电场分布 o d d e v e n 图35p c f l 中奇偶超模在不同a n 时的模场分布图 图35 为光纤中超模随正规化频率a