（电磁场与微波技术专业论文）基于微结构光纤的全光2r再生研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 基于微结构光纤的全光2 r 再生研究 摘要 本论文工作是围绕以下项目展开的：以任晓敏教授为首席科学家 的国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“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 31 4 9 0 6 ) ；教育部科学技术重大研究项目“基于微结构光纤 的新一代光通信器件及系统”( 项目编号：1 0 4 0 4 6 ) 以及北京市教委 共建项目( 项目编号：x k l 0 0 1 3 0 4 3 7 ) 。 微结构光纤( m i c o r s t r u c t u r e df i b e r , m f ) 通常是沿轴向延伸着多 层空气孔的新型光纤。微结构光纤具有许多不同于传统光纤的特性， 如无限单模传输，可控的色散特性，高双折射等。微结构光纤在非线 性光学、光纤通信等许多领域都具有广阔的应用前景。 本文研究了微结构光纤在全光2 r 再生中的应用，得到了一些有 意义的结论。本文的主要研究成果如下： 理论研究 1 研究了微结构光纤在全光2 r 再生中的应用，详细研究了基于 自相位调制( s p m ) 效应的全光2 r 再生方案。仿真结果表明该方案 简单，易于实现，并具有较好的全光再生效果。 2 研究了光纤参量对基于s p m 效应的全光2 r 再生性能的影响。 研究结果表明色散对再生器的传输特性有重要影响，一定量的正 常色散可以降低由于s p m 效应引起的展宽频谱的震荡，获得较好的传 输特性。 3 针对基于s p m 效应全光2 r 再生方案中存在的波长变化问题， 进行了两阶再生研究。研究结果表明，级联再生器能够将波长进行反 变换，获得较好的光再生效果。 4 研究了滤波器参量对基于s p m 效应的全光2 r 再生性能的影 响。滤波器的参量如滤波器带宽、中心波长偏移量对再生性能有重要 影响。合理调节滤波器的带宽和中心波长，可以获得良好的再生效果。 5 研究了非线性光纤环镜( n o l m ) 的传输特性，分析了光纤 参量对传输特性的影响。此外介绍t n o l m 在脉冲整形中的应用。 二、实验研究 北京邮电大学碗士学位论文 进行了基于自相位调制效应和偏移滤波的全光2 r 再生的实验研 究。实验中采用的微结构光纤非线性系数约为1 1w 。1 k m 一。光纤具有 小的正常色散和平坦的色散特性，在1 5 5 0 n m 波长处色散值约为0 5 8 p s n r l l - 1 k m 1 ，在1 5 0 0 n m 到1 6 5 0 n m 波长范围内光纤的色散值变化小 于1 5 p s n , 1 - 1 k n l - 1 。通过调节入射微结构光纤的功率和可调谐滤波器 的参量可以实现全光2 r 再生。实验结果与理论分析相吻合。 关键词：光纤通信微结构光纤全光再生自相位调制光滤波器 1 1 i 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fa l l o p t i c a l2 rr e g e n e r a t i o n b a s e do nm i c r o s t r u c t u r e df i b e r a b s t r a c t t h e s er e s e a r c hw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u p p o r t t e db yn a t i o n a l b a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ( n o 2 0 0 3 c b 31 4 9 0 6 ) ，t h ek e yg r a n t p r o j e c to fc h i n e s em i n i s t r yo fe d u c a t i o n ( n o 10 4 0 4 6 ) a n d c o c o n s t r u c t e dp r o j e c to fb e i j i n ge d u c a t i o nc o m m i t t e e ( n o x k l0 0 1 3 0 4 3 7 ) m i c r o s t r u c t u r e df i b e r ( m f ) c o m m o n l yc o n s i s t so faf u s e ds i l i c ac o r e s u r r o u n d e db ya na r r a yo fa i rh o l e sr u n n i n ga l o n gt h ef i b e rl e n g t h i th a s m a n yu n u s u a lp r o p e r t i e sc o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lo p t i c a lf i b e r , s u c ha s e n d l e s ss i n g l em o d ep r o p a g a t i o n ，f l e x i b l et a i l o r a b i l i t yo fd i s p e r s i o n ，h i g h b i r e f r i n g e n c ee t c t h e r e f o r em fh a sa l r e a d yf o u n di m p o r t a n ta p p l i c a t i o n s i nn o n l i n e a rf i b e ro p t i c s ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dm a n yo t h e rf i e l d s i nt h i st h e s i s ，t h ef e a s i b i l i t yo fm fi na l l o p t i c a l2 rr e g e n e r a t i o ni s d i s c u s s e da n ds o m ei m p o r t a n tr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d t h em a i n a c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h e o r e t i c a ls t u d y ( 1 ) t h ef e a s i b i l i t yo fm fi na l l o p t i c a l2 rr e g e n e r a t i o ni sd i s c u s s e d a n ds p m b a s e da l l o p t i c a l2 rr e g e n e r a t i o ni ss t u d i e di nd e t a i l ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss c h e m eh a sm a n ya d v a n t a g e s ( 2 ) t h ee f f e c to ff i b e rp a r a m e t e r so ns p m - b a s e da l l - o p t i c a l2 r r e g e n e r a t i o np e r f o r m a c ei si n v e s t i g a t e d a l l o p t i c a l 2 r r e g e n e r a t i o n c a nb er e a l i z e d b yu s i n g a m i c r o s t r u c t u r e df i b e rw i t hn o r m a ld i s p e r s i o no ram i c r o s t r u c t u r e df i b e r w i t ha n o m a l o u sd i s p e r s i o n b u tf i b e rd i s p e r s i o nh a sg r e a ti n f l u e n c eo n t h er e g e n e r a t o rp e r f o r m a n c e am o u n to fn o r m a ld i s p e r s i o nd e c r e a s e st h e o s c i l l a t o r ys t r u c t u r ei nt h eb r o a d e n e ds p e c t r aa n dab e t t e rr e g e n e r a t o r t r a n s f e rf u n c t i o ni sa c h i e v e d ( 3 ) a ni m p r o v e ds c h e m eo fo p t i c a lr e g e n e r a t i o nb yu s i n gt w o s t a g e 北京邮电大学磺士学位论文 r e g e n e r a t o ri sp r o p o s e di no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fw a v e l e n g t h c o n v e r s i o nc a u s e db yt h es p m b a s e da l l o p t i c a l2 r r e g e n e r a t i o n r e s u l t s s h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et w o - s t a g er e g e n e r a t o ra r e e v e nb e r e rt h a nt h a to fs i n g l e s t a g eo n e ( 4 ) t h ee f f e c to ff i l t e rp a r a m e t e r so f fs p m - b a s e da l l o p t i c a l2 r r e g e n e r a t i o np e r f o r m a c el si n v e s t i g a t e d t h ef i l t e rp a r a m e t e r sh a v em u c hi n f l u e n c eo no p t i c a lr e g e n e r a t i o n i no r d e rt oa c h i e v eo p t i c a lr e g e n e r a t i o n ，f i l t e rc e n t e rw a v e l e n g t ha n df i l t e r b a n d w i d t hn e e dt om e e tc e r t a i n r e q u i r e m e n t b yo p t i m i z i n gt h o s e p a r a m e t e r s ，ab e t t e rr e g e n e r a t i o nr e s u l tc a nb eo b t a i n e d ( 5 ) t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a ro p t i c a ll o o p m i r r o r ( n o l m ) a r es t u d i e d t h ee f f e c to ff i b e rp a r a m e t e r so nt h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e d a n da p p l i c a t i o no fn o l mi n a 1 1 o p t i c a l2 rr e g e n e r a t i o ni sd i s c u s s e d 2 e x p e r i m e n t a ls t u d y e x p e r i m e n t a ls t u d yo fa l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o nu s i n gac o m b i n a t i o n o f s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ( s p m ) e f f e c t s a n do f f s e t f i l t e r i n g i n m i c r o s t r u c t u r e df i b e ri sp r e s e n t e d a n8 0 m l o n gm i c r o s t r u c t u r e df i b e r w i t h d i s p e r s i o no fo 6 p s n m k ma n dn o n l i n e a r i t yo f7 = 1 1w - i k r n oa t 15 5 0 n mi su s e da st h en o n l i n e a rm e d i u m t h ed i s p e r s i o ni sa b o u t 0 5 8 p s n m k m la t l5 5 0 n m a n di tv a r i e sl e s st h a n1 5 p s a m k m - b e t w e e n 15 0 0a n d16 5 0 n m b ya d j u s t i n gt h ei n p u tp o w e ri n t ot h em i c r o s t r u c t u r e d f i b e ra n dt h ep a r a m e t e r so ft h et u n a b l ef i l t e r ，a l l o p t i c a l2 rr e g e n e r a t i o n i sa c h i e v e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sm a t c hw e l l t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n m i c r o s t r u c t u r e df i b e r , a l l o p t i c a lr e g e n e r a t i o n ，s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ，o p t i c a lf i l t e r v 北京邮电大学磺士学位论文 声明 声明 独创性声明 本入声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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傲的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：碰i 。杰日期：五丑至 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：趔 导师签名： 叫敞 同期：地z 互至 e t i g i ： 盖! = 2 ：主：型 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本论文工作是围绕以下项目展开的：以任晓敏教授为首席科学家的国家重点 基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“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 6 ) ；教育部科学技术重大研究 项目“基于微结构光纤的新一代光通信器件及系统”( 项目编号：1 0 4 0 4 6 ) 以及 北京市教委共建项目“高速光纤系统中若干重要技术的研究”( 项目编号： x k l 0 0 1 3 0 4 3 n 。 在任晓敏教授、黄永清教授、张霞副教授和徐永钊博士生的精心指导下，笔 者对基于微结构光纤的全光2 r 再生进行了大量深入的理论和实验研究，并取得 了多项研究成果。 1 1 研究背景和意义 近些年来。随着全球通信业务量的飞速增长，业务形式日趋多样化，高速大 容量的宽带综合业务网络已成为现代通信网络的发展趋势。远程教育、电子商务、 电子图书馆以及视频点播、可视电话等新型、高速信息浏览业务，大容量信息存 储业务等，刺激了全球通信业务的高速增长。随着人们对信息量的需求不断激增， 促使光网络的传输速率不断的提高，带宽持续地扩展”硝。 目前提供光纤线路的传输容量一般采用以下几种方法【5 】：一是不断提高单信 道的传输速率。从6 0 年代光纤通信开始发展到现在，光通信系统的单信道速率持 续提高，1 9 9 5 年2 5 g b i t s 的系统实现商用化，1 9 9 7 年又推出了l o g b i t s 的系统， 目前人们正在研相 4 0 g b i t s 的系统。但由于受到电子速率瓶颈的影响，单信道的 速率要继续提高有较大的困难，并且使系统的制造成本大大增加。二是在同一路 径埋设新的光纤。这是原来对系统线路扩容常用的一种方法，但无论是埋设光缆 还是架空光缆，都需要较高的成本，特别是在城市地区。三是在一根光纤中同时 传输多个信道，即波分复用( w d m ) 技术。波分复用技术是在八十年代开始研究， 并在九十年代中后期，随着掺铒光纤放大器技术的成熟，利用这种技术扩容的潜 力大，在对色教进行有效控割的条件下，密集波分复用( d w d m ) 的传输容量可达 t b i t s ，成本也相对较低，所以波分复用技术成为目前系统扩容的主要方式。 但随着信道数目的增加和单信道传输速率的提高，传输距离的延长，再加上 目前各种光器件的性能还不是很理想，网络节点结果设计还有待于完善等因素， 传输信号在传输过程中质量下降，造成这种传输限制的因素1 6 , 7 j 主要有：光信号 损耗、色散、自发辐射噪声及光纤的非线性效应，即自相位调* 0 ( s p m ) 、交叉相 北京邮电大学硬士学位论文 第一章绪论 位调制( x v m ) 、四波混频( f w s o 与群速度色散( g v d ) 的联合作用会导致光信号脉 冲的形状和频谱发生畸交，脉冲定时抖动积累，所有这些因素造成了信号的严重 损伤，限制了网络节点级联的能力，最终限制了系统和网络的传输速率和距离。 因此只有及时地对光信号进行再生，才能保证信息传输的可靠性。传统的光 电再生方法把光信号转变为电信号后，在电域中对信号进行再生后再转换为光信 号。这种方法使系统结构复杂、成本高、难以集成化，无法满足对传输速率和数 据格式透明性等要求。此外，网络传输与交换设备严重依附于信号的速率、格式 等因素，在网络升级时不可避免地要替换原有的大量设备，造成投资的大量浪费， 提高了网络升级的成本，对通信网的发展形成了相当大的经济方面的阻力。因此 人们提出了全光3 r 再生的方案，即在光域中对信号进行再放大、再整形、再定时 的技术 8 , 9 1 。该技术可以克服上述弊病，大大提高了网络级联能力和传输距离， 是保持光信号质量的有效方法。 1 2 全光再生原理概述 全光再生是指在光域中对输入的信号进行再放大、再整形、再定时，即全光 3 r ( r e a m p l i r y i n g ，r e s h a p i n g ，r e t i m i n g ) 再生。全光3 r 再生技术的发展，就其 技术实现的过程可分为三个阶段，即1 r 、2 r 和3 r 再生【l o l 。 l r 再生是指再放大过程，补偿光信号在传输过程中损耗的光功率。八十年 代末掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术的成熟，实现了在光域中直接对信号的放大， 使1 r 功能得以实现，光纤通信因此进入了一个崭新的发展阶段。e d f a 光放大的 范围在c 波段( 1 5 3 0 1 5 7 0 n m ) 约4 0 t t m 。目前人们正致力研究拉曼光纤放大器 ( f r a ) ，其放大带宽可达1 0 0 n m 以上，从而可以实现在全光波段放大光信号， 以满足信道不断扩展的要求。拉曼放大技术的突破和应用也将极大的推动光通信 的发展。e d f a 和f r a 放大技术与传输速率与数据格式无关，可以同时放大多个 w d m 信道。但级联的e d f a 的自发辐射噪声( a s e ) ，随传输距离增加而不断累 积，加重了传输中的嗓声和串扰。全光2 r 再生可以明显抑制信号的幅度噪声 提高信号的消光比，但由于没有再定时功能，定时抖动的积累最终限制了其级联 能力。全光3 r 再生是解决上述问题的最有效方法。 2 r 再生通常是指再敖大和再整形技术，整形的功能可由光判决f 寸1 1 来实现。 光判决门即为非线性的光开关，其非线性传输特性可有效地抑制噪声的积累和串 扰。只有足够能量的光信号可通过光开关，而噪声不能通过光开关，所以噪声被 滤掉。光开关的窗口应略大于时钟脉冲宽度，以避免了注入信号噪声和波形失真 加载到再生信号上。 光开关的非线性传输特性具有对信号进行再整形和抑制输入信号幅度抖动 2 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 的能力，因此光开关可用做全光再生中的光判决门。光判决门的例子有：利用光 纤非线性k e r r 效应的非线性光纤环镜( n o l m ) ，基于s o a 的马赫一曾德干涉仪 ( s o a - - m z i ) 或迈克尔逊干涉仪( s o a - - m i ) ，电吸收调制器( e a m ) 和基 于自相位调制效应的再生技术等。 3 r 是在2 r 的基础上增加了再定时功能，当时问抖动的积累严重时，再定时 成为必要。传输信号的时间抖动主要是i i w d m 系统中的非线性效应或脉冲边缘 失真引起的。通过时钟提取单元，提取出损伤信号的同步无抖动的时钟信号。 全光3 r 的原理图如图1 一l 所示。入射的损伤信号在进入再生器之前被分成 两路，一路信号进入时钟提取单元以提取定时信号。提取出的时钟信号具有稳定 的幅度和时钟信息。另一路信号经过e d f a 放大后，与时钟信号脉冲一同注入光 判决门，从而实现对光信号的全光3 r 再生。 输 号 图l l全光3 r 再生结构简图 基于光纤器件的光再生方案对光传输具有透明性，与信号速率和信号格式无 关，而且其响应时间很短，可以达到飞秒量级，在下一代全光网中具有广阔的应 用前景。因此这方面的研究引了人们的极大的兴趣。特别地，由于微结构光纤【1 2 ，1 3 】 具有可控的色散特性和高或低的非线性特性1 1 4 - 1 7 】，研究基于微结构光纤的全光再 生非常有意义 m 0 】。 本论文主要对基于微结构光纤的全光2 r 再生进行了研究，得出了一些很有 价值的结论和观点，为今后进一步展开相关工作奠定了基础。 1 3 论文结构安排 第一章为绪论，介绍了全光再生的研究背景、意义和原理。 第二章详细介绍了微结构光纤的概念、分类、基本特性和应用等。 第三章介绍了全光2 r 再生的技术和实现方案，研究了n o l m 在脉冲整形中 的应用和传输特性。 第四章研究了基于微结构光纤自相位调制效应的全光2 r 再生。分析了光纤 参量和滤坡器参量对再生器性能的影响。并针对该方案存在的波长变换问题提出 了两阶再生的改进方案。 第五章进行了基于自相位调制效应和偏移滤波的全光2 r 再生的实验研究。 3 北京揶电大譬硪士学位论文第一章锚论 参考文献 【l 】c a b r a c k e t t ，d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gn e t w o r k s ：p r i n c i p l e sa n d a p p l i c a t i o i l s ，i e e ejs e l e c t a r e a sc o m m u n ，1 9 9 0 ，8 ：9 4 8 9 6 4 【2 1h ，t a g a , l o n gd i s t a n c at r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t su s i n gt h ew d mt e c h n o l o g y , j o u r n a lo f l i g h t w a v et e c h n o l o g y ，1 9 9 6 ，1 4 ：1 2 8 7 1 3 0 8 【3 】b m u k h e r j e e ，w d mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ：p r o g r e s sa n dc h a l l e n g e s ， i e e ej o u r n a lo ns e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u me l e c t r o n i c s 2 0 0 0 ，1 8 ( 1 0 ) ：1 8 1 0 1 8 2 2 【4 】m i c h a e l ，s b o r e l l a , j a s o np j u e ，o p t i c a lc o m p o n e n t sf o rw d ml i g h t w a v e n e t w o r k s , p r o c e e d i n g so f t h ei e e e ，1 9 9 8 ，8 5 ( 8 ) ：1 2 7 4 - 1 3 0 7 【5 】顾碗仪等，光纤通信系统，北京邮电大学出版社，1 9 9 9 【6 1gp a g r a w a l ，n o n l i n e a rf i b e ro p t i c s ，n 1 r de d i t i o n ，a c a d e m i cp r e s s , 2 0 0 2 【7 】o k e i s e r ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n , t h i r de d i t i o n ，m c g r a w - h i l lc o m p a n i e s 【8 】s i m o njc ，b i l l e sl ，d u p a sa ，e ta 1 a l l - o p t i c a lr e g e n e r a t i o n ，m a d r i d ，s p a i n p r o c e c o c 9 8 ，1 9 9 8 ，2 0 ：4 6 7 4 6 9 【9 】l a v i g n eb ，f u l lv a l i d a t i o no fa no p t i c a l3 rr e g e n e r a t i o na t2 0 0 b i t s ，p r o c ，o f o f c 2 0 0 0 ，2 0 0 0 ：9 3 9 5 【1 0 】b s a r t e r i u s ，c b o m h o l d t , 0 b r o x ，e ta 1 m u l t i s e c t i o nd f bl a s e r sf o rh i 曲 s p e e ds i g n a lp r o c e s s i n g r e g e n e r a t i o n ，p r o c ，0 f c 2 0 0 2 ，a n h e i m ，c a l i f o r n i a , u s a ，2 0 0 2 【1l 】k r i s t i a nes ，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r - b a s e da l l - o p t i c a lg a t ef o rh i g h s p e e do p t i c a lp r o c e s s i n g j s e l t o p i c si nq e 2 0 0 0 ，6 ( 6 ) ：1 4 2 8 1 4 3 5 【1 2 】k n i g h tjc ，b i r k sta ，r u s s e l lp ，a t k i nd m a l l s i l i c as i n g l e - m o d eo p t i c a lf i b e r w i t hp h o t o n i ec r y s t a lc l a d d i n g ，o p t l e t t , 1 9 9 6 ，2 1 ( 1 9 ) ：1 5 4 7 1 5 4 9 【1 3 】r u s s e l lp ，p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ，s c i e n c e 2 0 0 3 ，2 9 9 ：3 5 8 3 6 2 ， 【1 4 1l o us h u - q i n g , w a n gz h i ，l 毯nc m o - b i n , e ta 1 p o l a r i z a t i o np r o p e r t i e so f e l l i p t i c a lc o r ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , j o u r n a lo fo p t o e l e c t r o n i c s l a s e r ( 光电 子激光) ，2 0 0 4 ，1 5 ( 9 ) ：1 0 2 1 1 0 2 5 ( i nc h i n e s e ) 1 5 】uy a h f e n g ，h um i n g - l i e ，w a n gq i n g - y u s u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t e df r o m p h o t o n i cc r y s t a lf i b e ra n di t sa p p l i c a t i o n s j o u r n a lo fo p t o e l e e t r o n i c s l a s e r ( 光电 子激光) ，2 0 0 3 ，1 4 ( 11 ) ：1 2 4 0 - 1 2 4 3 ( i nc h i n e s e ) 【1 6 】b r o d e h c kn g1 l m o n r otm ，b e n n e t tpj , e ta 1 n o n l i n e a r i t yi nh o l e y o p t i c a l f i b e r s ：m e a s u r e m e n ta n df u t u r eo p p o r t u n i t i e s ，o p tl e n ，1 9 9 9 ，2 4 ( 2 0 ) ：1 3 9 5 1 3 9 7 ， 【1 7 】k n i g h tjc , a r r i a g aj ，b i r k sta ，e ta 1 a n o m a l o u sd i s p e r s i o ni np h o t o n i cc r y s t a l 4 北京邮电大学硕士学位论文第一章结论 f i b e r , i e e ep h o t o nt e c l m o ll c t t ，2 0 0 0 ，1 2 ( 7 ) i ：8 0 7 8 0 9 【1 8 】a n d e r s e npa ，t o k l et ，g e n gyc ta 1 w a v e l e n g t hc o n v e r s i o no fa4 0 o b s r z - d p s ks i g n a lu s i n gf o u r - w a v em i x i n gi nad i s p e r s i o n f l a t t e n e dh i g h l y n o n l i n e a rp h o t o n i c c r y s t a lf i b e r , i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 l e t t ，2 0 0 5 ，1 7 ( 9 ) ： 1 9 0 8 1 9 1 0 【1 9 】z h a n gx i a , y a n gg u a n g - q i a n g ，h u a n gy o n g - q i n g 。c ta 1 r e s e a r c h e so n a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni nh i 曲l yn o n l i n e a rm i c r o s t r u c t u r e df i b e r s ， j o u r n a lo fo p t o $ 1 e c t r o n i c s l a s e r ( 光电子激光) ，2 0 0 5 ，1 6 ( 1 0 ) ：1 2 1 1 1 2 1 3 ( i n c h i n e s e ) 2 0 】a h e d i nks ，n o n l i n e a ro p t i c a ll o o pm i r r o rw i t hh i g h l yb i r e f r i n g e n tp o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n gp h o t o n i cc r y s t a lf i b e rf o rw a l k o f ff r e ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o no v e r 1 5 0r t l l l ，l a s e r sa n de l e c t r o o p t i c s , 2 0 0 4 ，2 ：1 6 - 2 l 5 北京邮电大学硕士论文第二章徽结构光纤的基本特性及应用 第二章微结构光纤的基本特性及应用 2 1 微结构光纤概述 微结构光纠n ( m i e r o s l r u e m r e x lf i b e r ，简称m f ) 是上世纪八十年代末出现 的一种新型光纤。关于m f 的研究和制备的报道始于1 9 9 5 年，英国南安普顿大学 光电研究中心的j c k n i g h t ，t a b i r k s t 2 l 等人组成的课题组和丹麦技术大学电 磁系的s t i ge b a r k o u ，j e s b r o e n g 等人组成的课题组进行了m f 的研究。随后，j c k n i g h t 于1 9 9 6 年在o f c 上报道了第一个m f 样品。 睁圈 ( a ) 理想模型 图2 - 1m f 截面图 ( b ) 实际截面图 m f 是在其二维长度方向上制造缺陷，从而成为能够导光的波导，如图2 1 所示。光纤包层为空气和石英的周期结构，周期常数( 或晶格常数) 为波长量级。 光纤纤芯是破坏了这种周期结构的缺陷，这种缺陷可以是空气，也可以是石英。 与普通单模光纤不同，m f 可以仅由一种材料构成，缺陷处的折射率可以大于也 可以小于包层的折射率。通过改变m f 中空气孔的排列方式和空气孔的尺寸，可 以灵活设计m f 的传输特性。 2 2 微结构光纤分类 微结构光纤分为两类：改进的全内反射( m t i r ，m 0 d 讯e d t o t a li n t e r n a l r e f l e c t i o n ) 型微结构光纤和光子带隙( p b g ，p h o t o n i eb a n d g a p ) 型微结构光纤。 第一根报道的微结构光纤实现光传输的原理为全内反射。传统光纤通过掺杂 使得纤芯折射率高于包层的折射率从而实现全内反射。实芯的微结构光纤仅由一 种材料构成，包层为空气孔和石英所形成的微结构，其有效折射率低于纤芯的折 射率，因而能够满足全内反射原理 图2 - 2 ( c ) 。这种机理被称为改进的全内反射， 6 北京郎电大学磺士论文第二章徽结构光纤的基本特性及应用 相应的光纤称为折射率引导型微结构光纤或改进的全内反射微结构光纤。 与空芯波导不存在全内反射 图2 - 2 ( a ) 不同，理论上具有光子带隙效应的微 结构光纤能够在低折射率的纤芯内实现低损耗的光传输 图2 - 2 ( b ) ，这种光纤称 为光子带隙型微结构光纤。 下面我们分别对这两种光纤来做介绍 图2 - 2 微结构光纤导光机制 2 2 1 改进的全内反射型微结构光纡 改进的全内反射型微结构光纤是由纯石英纤芯和具有石英一空气基质的包 层材料组成，包层与纤芯相比具有较小的有效折射率。其导光原理与传统光纤一 样也是基于全内反射效应。这种结构实现起来相对简单，目前大多数的研究和应 用都是针对这种类型的光纤。 此外，与传统实芯s i 0 2 不同，改进的全内反射微结构光纤包层含有气线，且 具有一些传统全内反射光纤所不具备的特性，如图2 3 所示。 空气包层区域的折射率由空气和玻璃的比率决定，可用有效折射率i l c f 珠代 表，由于1 1 c r 小于纤芯玻璃的折射率，所以能形成全内反射传输。包层区域具有 周期性折射率调制和六角形对称性( 如图2 3 ( a ) 所示) ，当满足定条件时就可以 形成光子禁带，具有增强纤芯的光传导能力的作用。其缺点是：由于实芯的吸收 作用。其传输功率受到了限制；由于纤芯和包层之闻的有效折射率差比较小，使 得光纤的损耗对弯曲较敏感。 光纤包层的折射率是硅和空气的体平均折射率，因而空气孔排列的周期性并 7 北京邮电大学硬士论文第二章徽结构光纤的基奉特性及应用 不起作用对于包层中无规则排列的空气孔的情况。同样可以在很宽频谱范围内 实现单模传输。从导光方式来看，这种光纤与普通光纤相似，也是通过全内反射 来传输光。但传统的光纤是通过在玻璃中掺杂不同物质来控制包层和纤芯之间的 折射率差，其折射率差值不大。而改迸的全内反射微结构光纤完全可以由一种材 料构成，其纤芯和包层的折射率差值可以通过改变空气孔在包层中所占的比率来 控制，折射率差值可以傲到很大。 图2 3 ( a ) 改进的全内反射型微结构光纤截面图和( b ) 某光纤包层局部放大 2 2 2 光子带隙型微结构光纤 光子带隙型微结构光纤【3 】与全内反射型微结构光纤最大的不同就是纤芯引 入了折射率低于包层材科的空气孔缺陷( 圉2 一够，嚣此光的传导就不是由于全反 射原理的导光机制，而是由于光子禁带效应。微结构光纤利用包层中高度有序排 列的空气孔形成光子带隙，纤芯则是在光子带隙中引入缺陷，使光仅能以缺陷态 在纤芯中传播。很明显，从理论上讲这种空芯光纤的结构克服了传统单模光纤传 输光脉冲的损耗与色散等缺陷。由于光脉冲是在空气中传输，则作为材料属性的 吸收、色散，以及非线性效应已经不复存在，这样，光纤对于传输信号的损耗以 及失真的影响都非常小，这对于光纤通信研究领域无疑是一种福音。 8 ( a ) 光纤截面图( b ) 中心局部放大 图2 - 4 光子带隙型微结构光纤截面圈和其中心局部放大图 北京邮电大学硕士论文 第= 章徽结构光纤的基本特性及应用 光子带隙型徼结构光纤在外观上和传统的单模光纤非常相似，但微观上与传 统单模光纤的横截面完全不同。其横截面由非常微小的孔阵列组成，类似于晶体 中的晶格。实际上这些小孔是一些直径为光波长量级的毛细管，平行延伸在光纤 中。可以通过改变空气孔大小、甸距、排列形状以及向空气孔中填充不同介质等 方法来设计具有不同性质的光子带隙微型结构光纤。图2 5 给出了四种最重要的 光子带隙型微结构光纤横截面结构示意图【4 l ，下面分别介绍它们的结构特点： a 蜂窝状光子带隙型微结构光纤 在微结构光纤的发展中，真正利用p b g 效应实现光导入是在1 9 9 8 年由k n i g h t 等人完成的一蜂窝结构的微结构光纤，如图2 - 3 ( a ) 所示。这种蜂窝结构的包层可 以在小尺寸的空气孔基础上获得光子带隙，这一特性在早期制作光纤时是非常重 要的。蜂窝状光子带隙型微结构光纤中，能量场主要集中在硅材料的区域中，并 且非线性耦合系数相当大。与全内反射型微结构光纤相比，在空气孔中有相对较 大的能量传输，其色散特性也不尽相同。 b 空芯光子带