（物理电子学专业论文）微结构光纤的色散与非线性特性的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本论文工作是围绕以下项目展开的：甘肃省自然科学基金项目( 项目编号： 3 z s 0 6 2 b 2 5 0 3 6 ) ；兰州理工大学博士启动基金；兰州理工大学优秀青年教师培养 计划资助项目。 微结构光纤具有普通传统光纤所无法比拟的诸多特性。本论文着重研究微结 构光纤的色散与非线性的数值特性，主要研究内容及创新点如下： 1 对包层空气孔呈正六边形分布的微结构光纤进行了数值模拟，分别计算了 内三层空气孔的直径和空气孔节距对微结构光纤的色散特性和非线性系数的影 响；优化设计了一种低非线性宽带色散补偿微结构光纤，在工作波长1 5 瓤m 处的 色散可达- - 3 2 3 5 8 p s n m k m ，可以实现在以1 5 5 t m 为中心的1 0 0 n m 范围内对相当 于自身长度1 9 0 倍的普通单模传输光纤进行宽带色散补偿( 色散补偿率偏移在 0 5 以内) ，并在此宽带波长范围内保持非线性系数低于5 临。 2 数值分析了包层中第三层之外的空气孔对于微结构光纤的色散和非线性特 性的影响。通过调节优化位于不同层数的空气孔直径和空气孔节距，更加精确地 设计了一种宽带低非线性色散补偿微结构光纤。该光纤在以1 5 5 0 n m 为中心的 1 0 0 n m 宽带波长范围内可以实现对相当于自身长度1 9 0 倍的普通单模传输光纤进 行色散补偿，且可以在此宽带范围内保持非线性系数低于3 丹仇【m 。 3 数值模拟了基于模式耦合的双芯微结构光纤的色散与非线性与其结构的关 系。结果表明通过在包层中移除一层空气孔以形成外纤芯并调整内外纤芯之间的 距离及包层空气孔的占空比，内外纤芯间的模式耦合可以在宽带范围内发生，导 致产生大负色散。 4 对不同结构参量的改进型蜂巢晶格微结构光纤的色散与非线性特性进行 了数值模拟，分析了物理参量色散d 、非线性系数丫与其品格参量之间的关系。分 析结果表明，通过调节该光纤的结构参量可以灵活地调整其色散与非线性特性。 5 根据长周期光纤光栅透射谱的理论分析，以1 0 g h z 重复频率脉冲激光器和 高非线性色散平坦微结构光纤产生的超连续谱为光源，采用周期排列的金属丝实 现可调谐微结构光纤光栅的压力传感实验，测定了透射谱和压力的关系，分析了 可传感的压力范围和灵敏度。实验表明在2 0 6 0 n 范围内，压力和透射谱深度的线 性度达到0 9 9 5 3 ，灵敏度达到0 5 d b n 。 关键词：光通信；微结构光纤；色散；非线性；光纤光栅 微结构光纤的色散与非线性特忭的研究 a b s t r a c t t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef u n do fg a n s up r o v i n c e ( 3 z s 0 6 2 b 2 5 - 0 3 6 ) ，c h i n aa n dt h eo u t s t a n d i n gy o u n gt e a c h e rt r a i n i n gp l a no fl a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , l a n z h o u ，c h i n a c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lo p t i c a lf i b e r s ，m i c r o s t r u c t u r e df i b e r sh a v em a n y u n u s u a lp r o p e r t i e s i nt h i st h e s i s ，t h en u m e r i c a lp r o p e r t i e so ft h ed i s p e r s i o na n d n o n l i n e a r i t yo fm i c r o s t r u c t u r e df i b e r sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，t h em a i nc o n t e n t sa n d i n n o v a t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ed i s p e r s i v ea n dn o n l i n e a rp r o p e r t i e so ft h em i c r o s t r u c t u r e df i b e rw i t h h e x a g o n a l l yd i s t r i b u t e d a i r - h o l e si nt h ec l a d d i n ga r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d a m i c r o s t r u c t u r e df i b e rf o rb r o a d b a n dd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nw i t hl o wn o n l i n e a r i t yw a s d e s i g n e dt h r o u g hs e p a r a t e l ya d j u s t i n gt h ed i a m e t e r so f t h ei n n e rt h r e ea i r - h o l er i n g sa n d t h el a t t i c ep i t c hi nt h ec l a d d i n g t h ep r o p o s e dm i c r o s t r u c t u r e df i b e rh a sal a r g en e g a t i v e d i s p e r s i o no f - - 3 2 3 5 8 p s n m k ma tt h ew a v e l e n g t ho f1 5 5 # m ，w h i c hc a nc o m p e n s a t e ( t ow i t h i n0 5 o ft h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nr a t i o ) t h ed i s p e r s i o no f1 9 0t i m e sl e n g t h o fs t a n d a r ds i n g l em o d ef i b e ro v e rt h ee n t i r e1 0 0 h mw a v e l e n g t hr a n g ec e n t e r e da t 1 5 5 # m f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p o s e df i b e ra l s oc a n r e t a i nt h en o n l i n e a rc o e f f i c i e n tl o w e r t h a n5 w k i no v e rt h i sw i d ew a v e l e n g t hr a n g e 2 am i c r o s t r u c t u r e df i b e rf o rb r o a d b a n dd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i n gw i t hl o w n o n l i n e a r i t yi na w i d ew a v e l e n g t hr a n g ec e n t e r e da t1 5 5 0 n mi sd e s i g n e d ，t h ee f f e c t so f t h en u m b e ro fa i r - h o l er i l l g s ，t h ea i r - h o l ed i a m e t e ra n dt h el a t t i c ep i t c ho nb o t h d i s p e r s i v ea n dn o n l i n e a rp r o p e r t i e sa r en u m e r i c a l l yd e s c r i b e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h ei n n e rs i xa i r - h o l er i n g sh a v es t r o n g e ri m p a c to nt h ed i s p e r s i v ea n dt h en o n l i n e a r p r o p e r t i e s b yo p t i m i z i n ga n da d j u s t i n gt h ed i a m e t e r so ft h ei n n e r4 t ht o6 t ha i r - h o l e sa n d t h el a t t i c ep i t c h ，t h ep r o p o s e dm i c r o s t m c t u r e df i b e rc a l lc o m p e n s a t e ( t ow i t h i n 0 5 ) t h e d i s p e r s i o no f1 9 0t i m e so fi t sl e n g t ho fs t a n d a r ds i n g l em o d et r a n s m i s s i o nf i b e ro v e rt h e e n t i r e1 0 0 r i mb a n dc e n t e r e da t1 5 5 0 r i m ，w h i l ea l s oc a l lr e m a i nt h en o n l i n e a rc o e f f i c i e n t l o w e rt h a n3 w k i no v e rt h ew i d ew a v e l e n g t hr a n g e 3 an o v e ld u a l c o r em i c r o s t r u c t u r e df i b e rb a s e do np u r es i l i c af o rb r o a d b a n d d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nw i t hl o wn o n l i n e a r i t yw a sp r o p o s e d t h ei n f l u e n c eo ft h e a i r f i l i n gf r a c t i o ni nc l a d d i n ga n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ei n n e ra n d o u t e rc o r e so nt h e d i s p e r s i o na n dn o n l i n e a rc o e f f i c i e n tw a sn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h es i m u l a t i o n 硕十学位论文 r e s u l t ss h o wt h a tb yi n t r o d u c i n gt h eo u t e rc o r eb yr e m o v i n go n ea i r - h o l er i n gi nt h e c l a d d i n ga n db ya d j u s t i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ei n n e ra n do u t e rc o r e sa n dt h e a i r - f i l i n gf r a c t i o n ，t h em o d ec o u p l i n go ft h ei n n e ra n do u t e rc o r e s 啪t a k ep l a c ei na w i d ew a v e l e n g t hr a n g e ，w h i c hc o u l di n d u c el a r g e rn e g a t i v ed i s p e r s i o n 4 t h ed i s p e r s i v ea n dn o n l i n e a rp r o p e r t i e so fm o d i f i e dm i c r o s t r u c t u r e df i b e r sw i t h d i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，t h er e l a t i o n s h i po fd i s p e r s i o n d ，n o n l i n e a rc o e f f i c i e n t 丫w i t ht h el a t t i c es t r u c t u r ei sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d i s p e r s i v ea n dn o n l i n e a rp r o p e r t i e so ft h ep r o p o s e df i b e rc a nb ef l e x i b l yc o n t r o l l e db y a a j u s t i n gt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s 5 al o n g - p e r i o dg r a t i n gi nm i c r o s t r u c t u r e df i b e rw a si m p r i n t e db ym e c h a n i c a l p r e s s u r eu s i n gf l a tb r o a d b a n ds u p e r c o n t i n u u ma sl i g h ts o u r c ea n dp e r i o d i cm e t a lw i r e s o nw h i c ht u n a b l ep e r i o dc a nb ep r o d u c e d , a n dr e l a t i o n s h i po ft h ed e p t ho fp u l s e t r a n s m i t t e ds p e c t r u mv st h ep r e s s u r ew a si n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tw h e nt h ep r e s s u r ev a r i e sb e t w e e n 2 0 - 6 0 n ，t h el i n e a d t yd e g r e eo ft h e p r e s s u r e - t r a n s m i s s i o np e a ka t t e n u a t i o nc u r v ei sa sm u c ha s0 9 9 5 3a n dt h es e n s i t i v i t yi s o 5 d b n k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ；m i c r o s t r u c t u r e df i b e r ；d i s p e r s i o n ；n o n l i n e a r i t y ； f i b e rg r a t i n g 微结构光纤的色散j 非线性特性的研究 插图索引 图2 1 文献 4 所报道的首个实芯微结构光纤空气孔直径为3 0 0 姗， 空气孔间距为2 私m 5 图2 2 文献 1 8 所报道的首个空芯微结构光纤的横截面结构， 其空气孔直径为1 4 跏m ，空气孔间距为4 鼽m 5 图2 3( a ) 改进的全内反射型微结构光纤；( b ) 光子带隙型微结构光纤6 图2 4 文献 2 4 所报道的微结构光纤截面图， 人为孔间距，d i ( i = l 一- n ) 是第i 层空气孔环的空气孔直径7 图3 1 低非线性色散补偿微结构光纤截面图1 1 图3 2 盔对微结构光纤( a ) 色散和( b ) 非线性系数的影响1 3 图3 3d ，对微结构光纤( a ) 色散和( b ) 非线性系数的影响1 4 图3 4 d 3 对微结构光纤( a ) 色散和( b ) 非线性系数的影响1 5 图3 5 节距a 对微结构光纤( a ) 色散和( b ) 非线性系数的影响1 5 图3 6 所设计的微结构光纤的色散补偿率曲线1 6 图3 7 三到十二层空气孔中每一层对于色散特性的影响1 7 图3 8 四到七层空气孔中每一层对于非线性系数的影响1 8 图3 9 每一层空气孔对于1 5 5 0 n m 处色散和非线性系数的影响1 9 图3 1 0 第四层空气孔直径对于色散的影响1 9 图3 1 11 5 5 0 n m 处的色散和相对色散斜率随第四层空气孔直径的变化2 0 图3 1 2 第四层空气孔直径对于非线性的影响2 0 图3 1 3 第五层空气孔直径对于色散的影响2 1 图3 1 41 5 5 0 n m 处的色散和相对色散斜率随第五层空气孔直径的变化2 1 图3 1 5 第五层空气孔直径对于非线性的影响2 1 图3 1 6 第六层空气孔直径对于色散的影响2 2 图3 1 7 第六层空气孔对于非线性的影响2 2 图3 1 81 5 5 0 n m 处的色散和相对色散斜率随第六层空气孔直径的变化2 3 图3 1 91 5 5 0 n m 处的色散和相对色散斜率随人的变化2 3 图3 2 0 色散补偿率随波长的变化2 3 图3 2 1 具有最佳结构设计参数的微结构光纤的模式反交叉2 4 图3 2 2 最佳结构参数和同时具有1 ，2 的结构参数扰动 的微结构光纤的( a ) 色散补偿与( b ) 非线性特性2 5 图4 1 双芯微结构光纤的横截面图2 8 图4 2d c m f 的( a ) 色散和( b ) 非线性曲线随内外纤芯间距离的变化2 9 i v 硕士学位论文 图4 3d c m f 的( a ) 色散和( b ) 非线性曲线包随层占空比的变化3 0 图5 1 改进型蜂巢晶格结构m f 截面图3 2 图5 2d 对( a ) 色散和( b ) 非线性系数的影响3 2 图5 3d l 对( a ) 色散和( b ) 非线性系数的影响3 3 图5 4d z 对( a ) 色散和( b ) 非线性系数的影响3 3 图5 5d 3 对( a ) 色散和( b ) 非线性系数的影响3 4 图6 1 高非线性微结构光纤的截面图3 6 图6 2 施压装置图3 6 图6 3 机械压力产生长周期光纤光栅的实验装置3 7 图6 4 光栅周期为1 2 m m ，加压为n x l 0 0 0 9 + 2 4 1 9 时的光栅透射谱3 8 图6 5 光栅周期为1 2 m m ，压力逐渐变大时的透射谱3 9 v 微结构光纤的色散与1 f 线性特件的研究 附表索引 表6 1 压力传感实验结果分析3 9 v i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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。除了文中特另| j 加以标注弓| 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。 作者签名却右差巍 隰年6 月，曰 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，即：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电子版，允许论文 被查阅和借阕。本人授权兰州理王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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：一l 口年易月s 日 蜀期：彬f ，年男f 嚣 巍棋孕b健尚 辫依 名名签签者师作导 硕士学位论文 第1 章绪论 本论文工作是围绕以下项目展开的：甘肃省自然科学基金项目“新一代可调 谐微结构光纤b r a g g 光栅特性及在光传感中应用的研究 ( 项目编号： 3 z s 0 6 2 b 2 5 0 3 6 ) ；兰州理工大学优秀青年教师培养计划资助项目；兰州理工大学 博士启动基金项目。 结合本课题组所承担的研究项目，本文对微结构光纤的色散与非线性特性进 行了深入的理论探讨和数值分析，并取得了多项研究成果。在绪论部分，我们就 课题的研究背景和意义以及本论文的主要研究工作做扼要介绍。 1 1 研究背景和意义 从2 0 世纪7 0 年代第一根低损耗( 2 0 d b k m ) 单模光纤的预言和实现【l j ，到 由损耗低达0 2d b k m 的光纤所构建的先进的全球通信网络系统【2 】，光纤及光通讯 技术的研究和应用取得了令人瞩目的进展。随着人们对全内反射导引光波这一基 本原理长时间的深入了解，形成了一定的制造能力，如把石英( 二氧化硅) 制成 纯净、微小且具有相当长度的细线。这使得科学家和工程师们有可能优化标准光 纤设计，并降低色散和损耗等不利因素的影响。然而，令人惊讶的是，1 9 世纪以 来光纤物理的基础理论研究却相对滞后。由于在光纤的损耗、色散、非线性及偏 振效应之间存在着相互制约的关系，近代光纤在这些因素之间作出了精细平衡。 传统普通光纤在通信和非通信方面的应用效果都很好，但其结构决定了它存在一 系列固有的局限性。光纤设计具有非常严格的原则和要求【3 l ：为了得到单模传输， 就要受到限定芯径、模的截止波长、有限的材料选择( 芯材玻璃与包层材玻璃的 热特性必须相同) 等诸多方面的限制。经过近3 0 年的深入研究，光纤系统的能力 和制作技术几乎达到了极限。在2 0 世纪9 0 年代早期就已明确，二氧化硅的本征 性质是进一步提高单模光纤特性的基本限制，也就是说，二氧化硅的特性已发挥 到了极致。因此，必须在光纤的结构和理论上有一个突破性进展，全球的研究人 员和工程师正致力于寻找具有革命性变化的光纤设计。 微结构光纤( m i c r o s t r u c t u r e df i b e r ) ，又称为光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a l f i b e r ) 或多孔光纤( h o l e yf i b e r ) ，它的出现是光纤技术的新革命。微结构光纤是由 充满一直延伸到其整个长度方向的空气孔的石英材料形成的周期性结构。从光纤 端面看，它存在周期性的二维结构，若其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺 陷，光就能够在缺陷内传导。广义上来说，微结构光纤可以定义为芯和包层区由 微结构组成的光纤，而并非由均匀材料组成。微结构光纤的概念在1 9 9 2 年被首次 提出，其实用样品“无限长的单模微结构光纤 则发布于1 9 9 6 年的光纤通信会议 ( o f c ) 【4 1 。从那时起，一系列的微结构光纤技术得到了突破性进展，从而使其性 微结构光纤的色散与非线性特件的研究 能从根本上得到了增强。基于微结构光纤具有的普通传统光纤所无法比拟的诸多 特性【5 】，如奇异的色散、无尽单模传输、极大的模场面积、高非线性、高双折射等， 微结构光纤技术的科学研究和技术应用得以广泛而深入地开展起来。由电讯领域 开始，其研究范围不断深入并拓展到度量、光谱、天文、生态、传感、显微镜和 微加工领域。 微结构光纤有两个基本特性是与传统光纤十分不同的。首先是其微结构的二 维特性，其次是其结构中两种物质相( 石英和空气) 的折射率对比度比传统光纤 技术中的对比度约高两个数量级。传统光纤局限于很小的芯区与包层的折射率差 ( 约1 4 8 ：1 4 6 ) ；而对微结构光纤而言，这种折射率差则很大( 约1 0 0 ：1 4 6 ) 1 6 1 ， 并且可以任意组合以适应特殊应用。正是由于这种灵活性，才得以大大改进微结 构光纤的性能，并有可能在更大程度上控制光纤波导的特性。 到目前为止，已经研制出两种不同形式的微结构光纤n 修正的全内反射型导 波光纤和光子带隙型导波光纤。 修正的全内反射型微结构光纤类似于标准的全内反射传导在实芯中传导光 波，但是它并不存在中心孔的实芯成为高折射率的芯，而是由结构上的高折射率 “缺陷 形成了光纤的芯。从围绕芯的周期结构中发出的光波，只能沿着光纤的 芯传导。全内反射是由微结构中空气孔区的较低有效折射率产生的，而之所以将 此全内反射型导波机制称为“修正的 是由于其包层折射率并非一个常数，而是 随着波长变化的。 光子带隙型微结构光纤由光子带隙效应传导光波。该效应使得光波无法在微 结构包层区传导，只能沿着低折射率的芯传导。包层具有的特殊的周期结构的衍 射效应与光栅衍射相似，只有满足布拉格条件的模才能在光纤中传播，因此，在 低折射率芯中形成光波的传输。由于有一定角度的光子带隙结构阻止了其他模式 的传输，所以可以得到单模传输。由于包层的周期结构，如具有某一能量或波长 的光波处于包层的带隙内，它将不能再包层中传播。光纤的物理特性决定了这些 带隙结构，因此可以制造出满足特殊要求的光纤。 微结构光纤的色散特性早在1 9 9 8 年已有报道【8 , 9 】，随后国内外对微结构光纤的 色散特性做了大量的数值和实验研究。这些研究揭示了微结构光纤具有区别于普 通单模光纤的色散特性【1 0 1 。在不同的光纤结构参数条件下，可以通过构造不同的 微结构光纤实现不同的色散特性【1 1 】。基于微结构光纤独特的色散特性，将其用于 色散补偿、脉冲压缩、光孤子形成和受激喇曼散射的增强等方面的研究已成为热 点。 通过理论和实验的研究，人们发现微结构光纤中光场能被高度集中，从而可 以极大地提高非线性光学相互作用的效率【1 2 1 。微结构光纤的无限单模特性和低损 耗特性使其成为很好的非线性介质。因此，对微结构光纤中各种非线性效应，如 2 硕十学位论文 自相位调制、交叉相位调制和受激喇曼散射等的理论研究和实验分析就具有重要 意义。在分析微结构光纤中各种非线性效应的产生机理及解释光纤的非线性效应 与色散、偏振演变等复杂的相互作用的时候，难以避免地要用到微结构光纤的非 线性长度和其他物理参量，如色散长度、走离长度之间的比较1 1 3 l ，其中非线性长 度与光纤的非线性系数有着直接的关系。而微结构光纤的非线性系数与其结构参 量有关，因此，计算结构参量与非线性系数之间的定量关系有助于对微结构光纤 非线性特性的研究，并且对基于微结构光纤各种非线性效应原理的全光纤器件的 设计也有着重要的理论指导意义。 利用在可变的周期或非周期结构中排列不同大小的空气孑l 的技术，可以构造 出具有更加复杂的折射率结构的微结构光纤【1 4 l ，并可通过专门设计来满足多种用 途：如在宽波段范围内实现单模效果；支持更大的模场直径；满足特殊散射要求； 增强或减弱非线性效应；产生高双折射以改善偏振控制；扩展光通信的波段；用 作色散补偿、脉冲压缩、短波孤子传输以及超宽连续谱发生等。微结构光纤技术 已经显露出是一种很有前途的技术，它开辟了一个前所未有的新领域。 1 2 论文的主要工作 本论文的主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 设计了一种新的低非线性宽带色散补偿微结构光纤，数值模拟了包层中 空气孔层数、空气孔直径和空气孔节距对于其色散和非线性特性的影响。 ( 2 ) 数值分析了基于模式耦合的双芯微结构光纤和改进型蜂巢晶格微结构光 纤的色散与非线性特性与光纤结构的关系。 ( 3 ) 采用超连续谱做宽带光源和金属丝施加周期性压力，在高非线性微结构 光纤上产生了长周期光纤光栅，测定了脉冲透射谱深度和压力的关系。 本论文的结构如下： 第一章为绪论。 第二章为微结构光纤基础。 第三章给出对微结构光纤的色散与非线性特性进行数值分析的过程，并设计 了一种不仅可以实现宽带色散补偿而且具有低非线性效应的微结构光纤。 第四章给出对基于模式耦合的双芯微结构光纤的色散和非线性特性与包层占 空比和内外纤芯空之间空气孔层数的关系进行数值分析的过程。 第五章给出对不同结构参量的改进型蜂巢晶格微结构光纤的色散与非线性特 性进行数值模拟的过程。 第六章讨论采用l o g 重复频率的脉冲超连续谱做宽带光源和金属丝施加周期 性压力，在微结构光纤上产生了长周期光纤光栅，并测定了透射谱和压力的关系。 3 微结构光纤的色散与非线性特性的研究 第2 章微结构光纤基础 2 1 由传统光纤向微结构光纤的发展演变 以短的光脉冲形式在超高速、长距离光通信系统中传输信息的光纤技术是二 十世纪最为重要的科技进步之一。除了电讯，光纤的应用范围更是拓展到了诸如 医疗、传感、机械、生物等技术领域。尽管近代的光纤在损耗、色散、非线性和 偏振等因素之间实现了较好平衡，但是人们经过近3 0 年的不断探索后发现光纤制 作和光通信系统的能力都已经达到极限。 2 0 世纪8 0 年代，物理学家就已经认识到具有波长尺度( 即小于珈m ) 的结构 材料很有可能发展成一种新型光学材料，这就是光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 。1 9 8 9 年，y a b l o n o v i t c h 等【1 5 】证明了类似于半导体能带理论的光子带隙的存在。半导体中， 自由电子的运动与由材料中粒子的排列而形成的周期性电场有关；然而在光子带 隙结构中，光子的运动则与周期介电常数有关。制作这些材料的关键是周期性排 列的元胞须有波长数量级【1 6 1 。这一发现说明介电介质中的微结构可产生光子带隙 【1 7 】，并引起了从集成光学到新型光纤光学的新研究热潮。 为了理解光波在光子晶体中的传播行为，可把它与半导体内的电子和空穴的 运动做比较。例如在硅晶体中，原子按金刚石晶格结构排列。周期电场对在晶格 中运动的电子产生作用，并导致了允许或禁止能态的形成，即导带和禁带。在无 杂质和缺陷的硅晶体中没有电子出现在禁带中；然而实际物质却情况不同，因为 晶体中总有杂质和缺陷存在。如果晶格周期被缺损了的硅原子和占据着硅原子位 置的杂质原子破坏，那么电子将在能隙中具有一个能量状态。现在考虑当光子穿 过一块含有一些排列成晶格结构的细微空气孔的透明介电材料时的运动：也就是 说，光子要穿越的光学结构是带有空气孔的低折射率区域散布于高折射率区中。 对光子而言，这种折射率的差异恰似电子穿越硅晶体的周期电势的经历。如果两 个区域的折射率差异较大，那么光波将被限制在电介质材料或空气孔内。该限制 引起禁区中容许能量区的形成，并成为光子带隙。由于波长与能量成反比，具有 有序序列排列的介质材料将允许其他波长自由通过，而阻挡位于光子带隙中的波 长。可以通过改变材料中的少量空气孔的尺寸的方法在光子带隙中生成不同能级， 这相当于在单晶硅晶格中打破理想周期结构。在这种情况下，空气孔直径和整个 材料中的折射率差异的对比度成为关键参数。光子带隙结构亦可通过在高折射率 材料中植入低折射率介质的方法制备。 1 9 9 6 年，jck n i g h t 等【4 l 首次报道了采用光子晶体结构的光纤。尽管这是一个 有趣而重要的研究进展，然而这第一根微结构光纤却并不拥有空芯结构，如图2 1 所示。该光纤并不是依赖于光子带隙来实现光能量的限制的。实际上，在1 9 9 5 4 酗2 2 文献 1 8 3 所报道的首个空芯微结构光纤的 横截面结构其空气孔直径为1 4 轴m ，空气孔间距为4 9 , u i l l 年j c k n i g h t 所在的研究小组就已经可以制各出具有必要的晶格结构的光纤但是 却因为空气孔太小以至于无法得到实现光子带隙所需要的大占空比。实际测量表 明，该实芯光纤形成了一个可以在宽带范围内传导基模的单模波导。此外，由于 该光纤中降低了掺杂成分，且其纤芯相当于传统单模传输光纤的纤芯的十倍大小， 因此使得光能量大大增强。此后，微结构光纤的制造技术进展迅速。1 9 9 9 年，英 国b a t h 大学的研究人员首次报道了基于二维光子带隙的单模空芯光纤，如图22 所示。他们发现，光学材料中光子带隙的存在从本质上意味着光子与电子具有共 性。因为在这些区域内电磁场无解，因此以特殊方法设计的微结构材料就可以起 到以前传统光波导中从未实现过的导波作用。 2 2 导波机制 根据微结构光纤的传导机理的不同，可以将其分为改进的全内反射型微结构 光纤”i ( 如图2 3a ) ) 和光子带隙型微结构光纤f 捌( 如图2 3b ) ) 。 璺茎垒耋耋暨耋彗三2 ：塑兰：曹2 ： 圈2 3a ) 改进的全内反射型微结构光纤；b ) 光子带隙型微结构光纤 改进的全内反射型微结构光纤的导波机制与传统光纤相类似，这种光纤对包 层中空气孔的形状及周期性并没有严格的要求：中间空气孔区缺失引起缺陷，中 间的缺陷区域和外围的周期性区域出现了有效折射率差使得光波得咀传输。缺 陷区域相当于纤芯，而外围的周期性区域则相当于包层。纤芯折射率高于周围多 孔介质的有效折射率，由此形成全内反射型波导结构，光在纤芯中以全反射的形 式传播，全内反射是由微结构中空孔区的较低有效折射率产生。由于包层中含有 空气孔，这与传统光纤的“实芯”熔融硅包层不同，因而称其为“改进的全内反 射”。 光子带隙型微结构光纤的导光机制则与上述不同，这种光纤对包层空气孔的 形状和排列规则有着很严格的要求：它是由于光纤包层横截面的折射率的规则周 期型分布导致了光子带隙效应，从而把某些频率的光j ；匣制在纤芯中传输。根据传 统光纤理论，芯区的折射率低于包层的折射率时根本不可能传导光波。然而由 于包层的周期性结构，若具有某一能量或波长的光波处于包层带隙中，它将不能 在包层中传输。可以把此情形下的包层想象为特定波段的三维光栅不沿轴向传 播的光能量就会反射回到光于晶体的芯【4 】。由于大部分光波在空气中传播，这些空 芯光纤具有标准光纤难吼达到的优势，例如由材料的吸收或散射所产生的损耗要 低得多。然而空芯光纤仍处于早期发展阶段，当前其低损耗性能仍旧比不上优化 后的传统光纤川。 利用在可变周期或非周期结构中排列不同大小的空气孔的技术，可以构造出 更加复杂的折射率结构。此外，还可以制造具有高纯度非对称芯的光纤，从而使 其具有高双折射率；该技术还可能制造出高非线性光纤，以用于产生超连续光1 2 “。 2 3 色散特性 光纤的基本参数之一是色散d ，其定义为l 矧 。一小一i 硼d a = 鑫等 眩。， 其中，m 是频率，k 是导波模的群速度- 光纤中的非嘱啾脉冲展宽是与脉冲 中心频率处d 的大小成正比，因此在光通信系统中对色散的控制十分重要。 一 一一：j ， 图2 4 文献 2 4 所报道的微结构光纤截面闰， 为孔 间距，正( i = 1 n ) 是第i 层空气孔环的空气孔直径 由于石英和空气的折射率对比度很大，气孔的大小和捧列方式可以灵活地变 化。与传统普通光纤相比，微结构光纤能够在更大范围内对色散进行控制田i 。通 常的微结构光纤中，色散可以通过包层中直径相同的空气孔柬实现控制。而采用 这些以往的常规设计，难以在宽带范围内实现对色散斜率的控制。k u n i m a s as a i t o h 等1 2 4 1 报道了一种折射率导波型微结构光纤，可以实现同时对色散和色散斜率进行 控制如图2 4 所示。该光纤结构为五层空气孔环，为了在宽波长范围内对色散和 色散斜率同时实现控制，孔间距离是非常重要的参数。此外，沿径向增加空气孔 的直径可使得包层有效折射率减小，并使色散曲线平坦。 群速度色散给出了光纤中的群速如何随波长而变化，所以它是短脉冲传播时 脉冲多快被展宽的一个度量。微结构光纤的群速度色散特性和常规光纤的群速度 色散十分不同。在典型单模光纤中群速度色敝决定于块状石英的色散，对1 3 # m 以下的波长是正常负色散，对长波长为反常色散。对于其他常规光纤如色散位移 光纤或非零色散位移光纤，零色敝值略有不同，典型值在1 3 15 却m 之间。短波 ( 例如8 0 0 a m ) 处，这些光纤由很大的正常色散约为一l o o p 咖r a k m 。通过适当 设计微结构光纤空气孔的参数，可以使得很宽波段的色散平坦并且色散曲线的中 心波长可移，从而实现宽带范围内的色散补偿 2 4 j 。人们由此可以很容易地设计出 在整个可见光范围内具有反常色散的光纤结构。通过精细控制光纤中空气孔的太 微结构光纤的色散与非线性特性的研究 小和孔间距离，就可以设计出各种令人惊异的色散曲线效果。 2 4 非线性特性 石英一空气型微结构光纤的另一个性质是：增加空气孔和( 或) 减小光纤直径 迫使光进入空气孑l 中，可以获得比常规光纤大得多的有效折射率比。这种方法可 以实现很强的模式限制，芯区的强场会导致非线性效应增强。另外，许多非线性 实验对光纤的色散有特定要求，因此微结构光纤特别适合于制作非线性光纤器件， 这也是微结构光纤当前最重要的应用之一i l 。 光纤的有效非线性系数可以表示为陋j ： ，2 薏 2 ) 其中，如为光纤包层的折射率，为光场的中心频率，厶为光纤的有效纤 芯面积，c 为真空中的光速。从上式可以看出，光纤的非线性系数反比于光纤的有 效纤芯面积厶，而4 依赖于光纤参数，如纤芯半径a 和纤芯包层折射率差。 在全内反射微结构光纤中，增加包层的空气占空比可增大光纤的纤芯包层折射率 差，从而减小光纤的有效纤芯面积，并极大提高光纤的非线性系数：普通光纤的 非线性系数典型值为2 w k i n ，而微结构光纤非线性系数在1 5 5 t m 通信波长可以 达到6 2 w k i n 。 具有大非线性系数的微结构光纤非常有利于各种非线性效应的发生，诸如自 相位调制，交叉相位调制，受激喇曼散射，受激布里渊散射，以及四波混频等， 并可以使超短脉冲在很短距离内展宽为很宽的光谱【2 5 1 ，其中一个应用就是产生超 连续谱【2 1 1 。2 0 0 4 年初，b l a z ep h o t o n i c 公司曾发布了一款新型的微结构光纤，该 光纤是针对传统的n d 3 + 微芯片激光器特别优化设计的，可产生超连续谱：该光谱 可以横跨一个倍频程( o c t a v e ) ，并可在单模光纤上产生一个宽带输出。 此外还有一种具有大空气孔的高非线性微结构光纤结构l 冽，该光纤的纤芯直 径为1 7 比m ，空气孔直径为0 8 t m ，包层空气孔中心的距离为1 2 m 。由于这种微 结构的尺度非常小，红外波段的光波能够穿透进入气孔；而孔结构以外则环绕着 大面积的固体石英( 光纤外径为标准的1 2 5 9 m ，以便和其他光纤衔接) ，于是光波 沿光纤传播时导模就会逐渐泄露到外石英区域。这种损耗机制是常规阶跃型光纤 所没有的。减少这种所谓的泄露损耗需要包层中具备多层空气孔环的结构，这增 加了光纤制造的复杂性。 2 5 制造技术 微结构光纤的制造使用具有内部周期结构的充满空气的毛细管拉制而成光 8 硕上学位论文 纤，最终形成六角形晶格。光波可以通过光纤晶格结构的缺陷传播。缺陷是通过 清除一个或多个中心毛细管实现。不管用何种玻璃或何种结构，制作微结构光纤 的基本方法都是多次拉细。用此方法，微结构光纤可以按照以下几个步骤制备1 2 7 1 。 首先，制备成批的毛细管。可以采用不同的直径、壁厚、横截面( 圆形、六 边形、方形) 、玻璃材料( 石英、硅酸盐、多元氧化物等) 。接着，用手工方式把 多根毛细管排列成具有所要求对成型的预制棒。在拉伸塔内充满氩气的熔炉温度 高达1 8 0 0 摄氏度一即石英晶体的融化温度。这样，预制棒在炉内溶化后在光纤拉 伸塔钟被拉伸到直径为几个毫米的中间预制棒。中间预制棒熔融在一起继续拉伸 为直径为几百分之一毫米含有空气孔的光纤。 成品光纤中空气孔间距小到只有1 m ，而气孔本身直径只有0 0 2 5 比m 。光纤制 作过程中，特地在排列时引入一些缺陷，而光波正是在缺陷中传导。缺陷包括用 实芯玻璃棒代替玻璃管，或将一些玻璃管去掉。制作过程极为灵活。最简单的一 种排列是玻璃管排列在等边的三角形的角上，在光纤芯区部分形成近似圆形的区 域。可设计出更为复杂的微结构光纤，包括直接引入多个缺陷或气孔