（电磁场与微波技术专业论文）多孔光纤的基本特性测试及其分析.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本论文是以作者攻读硕士学位期间参与的课题研究工作为基础，课题来源 于国家自然科学基金项目“具有高双折射率的光予晶体光纤的研制及其保偏特 性的研究”，项目编号：6 0 1 7 7 0 2 6 。本论文在介绍光纤及其测试的有关知识的基 础上，利用研究所现已设计的几种多孔光纤，结合国内外有关多孔光纤设计和 特性测试的研究，制定了对这几种多孔光纤一些基本特性参数的实验测试方案， 并利用实验室条件组建了相关特性的测试系统，对光纤的基本几何特性和传输 特性进行了测试，而且还分析了观测到的一些特殊现象： 第一章绪论主要叙述了本论文的课题来源、研究目的和意义、国内外研究 概况以及本论文的研究内容；第二章主要介绍有关光纤几何特性和传输特性的 一些基本理论和测试方法；第三章主要介绍了多孔光纤的发展概况、特性、设 计分析和研制方法等：第四章主要介绍了利用实验室的现有条件组建的相关特 性测试系统，并分析了这些系统的测试原理。 第五章主要介绍了测得的多孔光纤的几何特性，包括光纤的端面、微结构 区域的几何形状和尺寸，模场分布等。第六章主要研究了多孔光纤的四种传输 特性：首先，测试了多孔光纤的损耗谱，并分析了其宽带单模特性；慕次，测 试了弯曲对多孑l 光纤的损耗谱影响，对常规多孔光纤，当弯曲达到一定的半径 时，发现其弯曲损耗谱在短波长处会出现截止现象，而在长波长处的损耗却很 小，其结果与理论分析得到的结论是一致的；然后利用磁光调制法测量了保偏 型多孔光纤的拍长，结果表明多孔光纤在加入非对称性的结构后，容易实现高 双折射；最后，测试了挤压和扭转应力对常规多孔光纤的双折射的影响，发现 多孔光纤受侧向挤压引起的线双折射比普通单模光纤的要小，而且光纤的气孔 越大，相同的挤压应力引起的线双折射越小，而扭转引起的圆双折射在气孔较 大时几乎与普通单模光纤的相同，这些结论与他人所做的数值分析结果是一致 的。 第七章主要对本论文进行了总结，并对多孔光纤的研究进行了展望。 v 上海大学硕士学位论文 据我们所了解的情况，本文对有关多孔光纤的特性所做的观测和分析研究 工作在国内是先行一步的，这对于多孔光纤的进一步研究和应用具有一定的参 考价值。此外，我们还尝试了把虚拟仪器引入光纤测试研究中，通过实验初步 的使用情况表明，这对于实现光纤测试的智能化和光纤传感的研究都是很有意 义的。 关键词：多孑l 光纤双折射 偏振态谱损耗 v i = 垦塑查兰璧主兰竺丝奎 a b s t r a c t t h j st h e s i si sb a s e do nm yw o r ko nt h er e s e a r c ho fh o l e yo p t i c a lf i b e r s d u r i n gm ym a s t e rs t u d yc o u r s e ，t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 1 7 7 0 2 6 ) n 坞m a i n l yc o n t e n ti sd i v i d e d i n t os e v e n c h a p t e r s ：i nc h a p t e r1 ，t h ep u r p o s e 、t h es i g n i f i c a n c e 、t h ed e v e l o p m e n t a n dt h em a i n l yc o n t e n t so ft h er e s e a r c hp r o j e c ta n dt h i si s s u ea r em s u m p f i v e l y d e s c r i b e d ；i nc h a p t e r2 t h eb a s i cc o n c e p to fo p t i c a lf i b e ri si n t r o d u c e d ；i n c h a p t e r3 ，t h ed e v e l o p m e n t 、t h ep r o p e r t i e s 、t h em e t h o dt oa n a l y s i sa n dt h e f l o w s h e e tt of a b r i c a t et h i sk i n do ff i b e ra r er o u n d l yd e s c r i b e d ；i nc h a p t e r4 i ti s m a i n l ya d d r e s s e dt h ee x p e r i m e n ts c h e m ea n dp r i n c i p l eo ft h em e a s u r e m e n t e q u i p m e n t so nt h ep r o p e r t i e so ft h eh o l e yo p t i c a lf i b e r s ；i nc h a p t e r5 ，t h e g e o m e t r yp r o p e r t i e s s u c ha st h es t r u c t u r eo ft r a n s v e r s es u r f a c ea n dt h e m i c r o s t r u c t u r e dr e g i o n ，t h em o d ef i e l d ，a r cd e s c r i b e d ；i nc h a p t e r6 ，t h er e s u l t so f t h em e a s u r e m e n to nt h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e sa r ed e p i c t e da n da n a l y z e di n d e t a i l ：s u c ha st h es p e c t r a lt r a n s m i t t a n c e ，t h em a c r o b e n d i n g 1 0 s s ，t h eb e a tl e n g t h ， t h eb i r e f r i n g a n c ei n d u c e db yt r a n s v e r s ef o r c e sa n dt w i s ts t r e s s w ef o u n dt h a t t h es p e c t r a ll o s si n d u c e db ym a c r o b e n d i n gm a yb el a r g e ri nt h es h o r tw a v e l e n g t h r a n g et h a nt h ec o n v e n t i o n a lo p t i e a lf i b e r , w h i l ei nt h el o n gw a v e l e n g t hr a n g e ， t h e r ee x i s t st h eo p p o s i t ec a s e w ea l s oc o m p a r e de x p e r i m e n t a l l yt h e s t r e s s - i n d u c e db i r e f r i n g e n c eb e t w e e nt h eh o l e yo p t i c a lf i b e ra n dt h e c o n v e n t i o n a lo p t i c a lf i b e r , a n df o u n dt h a tl i n e a rb i r e f r i n g e n c ei nh o l e yo p t i c a l f i b e ru n d e rt h es a m el a t e r a lf o r o ei sl e s st h a ni nt h ec o n v e n t i o n a lo p t i c a lf i b e l w h e r e a st w i s t - i n d u c e dc i r c u l a rb i m f i i n g e n c ei nh o i c yo p t i c a lf i b e ri sa l m o s tt h e s a m ea st h ec o n v e n t i o n a lo p t i c a lf i b e rw h e nt h ea i r - h o l es i z ei sn o ts m a l l t h e s e e x p e r i m e n t a ld a t aa r ec o i n c i d e dw i t ht h en u m e r i c a lr e s u l t sb yo t h e r s a tl a s t i n t h ec h a p t e r7 ，t h em a i nc o n t e n to f t h i sa t t i c l ei ss u m m e du p ，a n dt h ep r o s i ) e c to f t h er e s e a r c ho nt h eh o i c yf i b e ri sv i e w e d k e y w o r d ：h o l e yo p t i c a lf i b e r b i r e f r i n g e n e e ，t h es t a t eo fp o l a r i z a t i o n ， s p e c t r a ll o s s v u 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名： 本论文使用授权说明 日期 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送 交论文复印件允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： i i 虫 白一 肌讲1 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目“具有高双折射率的光子晶体光纤的 研制及其保偏特性的研究”，项目编号：6 0 1 7 7 0 2 6 。 1 2 课题研究的目的和意义 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 ) 是特种光纤研究领域一个新的热 点课题，不仅具有较高的科研价值，而且还具有极大的应用开发价值。p c f 通 常采用包层截面上蜂窝状分布的微孔来实现( 见图1 ) ，通过全内反射和光子带 隙效应对光波进行导引。通过合理设计包层中微孔的大小和分布，可以对光予 晶体光纤的色散、非线性和双折射特性进行有效调控，研制开发色散补偿器件、 短波长光孤子传输系统、高功率宽带光纤光源及放大器等，在光纤通信、光纤 传感等方面有广阔的应用前景。值得指出的是，某些具有非对称性微孔结构的 p c f ( 参见图2 ) ，可以形成较强的双折射【啦】，其拍长可以达到熊猫或领结型保 偏光纤的量级，这在光纤陀螺和全光纤大电流传感器方面具有非常重要的实用 价值。同样，基于光子晶体光纤的各种光纤无源和有源器件也具有较好的温度 稳定性，使用性能也会大为改善。可以预见，随着光子晶体光纤制造工艺水平 的不断提高和成熟，光通信及相关产业对多孔光纤的需求，会里跳跃增长的趋 势，基于光子晶体光纤具有的诸多优点，它在未来光电子的发展中将具有重要 上海大学硕士学位论文 的意义：可以把它用在相干光通讯系统中，使群时延的影响大大降低3 ，4 】：由于 光子晶体光纤奇异的非线性，可用它来进行非线性光纤光学研究 s , 6 1 ：也可以把 它应用于光纤传感，新型超宽带激光器光源【5 1 以及新型光纤器件等研究领域n 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 近年来对光子晶体( p h o t o n i c c r y s t a l ) 的研究已成为光电子研究中一大热点， 这种首先由y a b l i n o v i t c h 8 ) 1 9 8 7 年提出的具有折射率周期性结构的材料，能如人 所愿地控制光子的运动，具有比电子晶体材料许多更吸引人的特性，给光通信 技术的发展和应用带来了新的生机和活力。1 9 9 6 年英国b a t h 大学的t a b i r k s 等人首次研制出了第一根光子晶体光纤( 由于在周期性结构中引入了缺陷，从而 形成波导来导光1 【9 1 ，给光纤制造和应用带来了又一次的革命，近几年来有关的 理论和试验研究成果更是层出不穷。 以前，研究者把很多精力放在周期性结构的设计上。2 0 0 0 年，t m m o n r o 等人对随机包层分布的光子晶体光纤研究表明，这种光子晶体光纤同样具有周 期性结构的光子晶体光纤的诸多特性，从而对设计和制造带来了很大的可控空 间【1 0 】。现在，新型的光子晶体光纤及其应用的研究已经是不断深入了。 多孔光纤( h o l e yo p t i c a lf i b e r , h o f ) 是在传统的孔光纤( h o l l o wf i b e r ) 和光 予晶体光纤的基础上发展起来的一系列的新型光纤：如光子带隙光纤，大模场 多孔光纤【3 1 ，高值微孔光纤等等。最近研究较多的有双包层多孔光纤，这种 光纤通过掺杂来形成内包层，主要用于激光器和光放大器上【5 】：还有非线性多 孔光纤，它的微结构包层和纤芯之间具有很高的折射率差，对导模有很大的限 制性，其对应的有效模场小这有利于产生非线性，同时这种波导结构能够 产生大范围可调的波导色散【3 ，4 1 。每种光纤都有其不同的微孔大小、几何形状和 分布，也都具有其独特的光学性能和潜在应用价值，一般把具有微结构包层和 光子晶体光纤效应的孔光纤通称为多孔光纤。 目前英国和丹麦的几所大学和科研机构已初步研制出几种结构的h o f 产 2 上海大学硕士学位论文 的意义：可以把它用在相干光通讯系统中，使群时延的影响大大降低1 3 , 4 ；由于 光子晶体光纤奇异的非线性，可用它来进行非线性光纤光学研究i s , q ；也可以把 它应用于光纤传感，新型超宽带激光器光源嘲以及新型光纤器件等研究领域 7 1 。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 近年来对光子晶体( p h o t o n i c c r y s t a l ) 的研究已成为光电子研究中一大热点， 这种首先由y a b l i n o v i t e h i 目1 9 8 7 年提出的具有折射率周期性结构的材料，能如人 所愿地控制光子的运动，具有比电子晶体材料许多更吸引人的特性，给光通信 技术的发展和应用带来了新的生机和活力。1 9 9 6 年英国b a t h 大学的ta b i r k s 等人首次研制出了第一根光子晶体光纤( 由于在周期性结构中引入了缺陷，从而 形成波导来导光1 唧，给光纤制造和应用带来了又一次的革命，近几年来有关的 理论和试验研究成果更是层出不穷。 以前，研究者把很多精力放在周期性结构的设计上。2 0 0 0 年，tm m o r t r o 等人对随机包层分布的光子晶体光纤研究表明，这种光子晶体光纤同样具有周 期性结构的光于晶体光纤的诸多特性，从而对设计和制造带来了很大的可控空 剐“。现在新型的光子晶体光纤及其应用的研究已经是不断深入了。 多孔光纤( h o l e yo p t i c a lf i b e r , h o f ) 是在传统的孔光纤( h o l l o wf i b e r ) 和光 子晶体光纤的基础上发展起来的一系列的新型光纤：如光子带隙光纤，大模场 多孔光纤【3 l ，高a 值微孔光纤等等。最近研究较多的有双包层多孔光纤，这种 光纤通过掺杂来形成内包层，主要用于激光器和光放大器上pj ；还有非线性多 孔光纤，它的微结构包层和纤芯之间具有很高的折射率差，对导模有很大的限 制性，其对应的有效模场小这有利于产生非线性，同时这种波导结构能够 产生大范围可调的波导色散p 州。每种光纤都有其不同的微孔大小、几何形状和 分布，也都具有其独特的光学性能和潜在应用价值。一般把具有微结构包层和 光子晶体光纤效应的孔光纤通称为多孔光纤。 目前英国和丹麦的几所大学和科研机构已初步研制出几种结构的h o f 产 目前英国和丹麦的几所大学和科研机构已初步研制出几种结构的h o f 产 上海大学硕士学位论文 品，美国n e w p o r t 公司2 0 0 4 年为他们代销的多孔光纤，每米价格平均在5 0 0 美 元以上。关于其工艺制造技术，国外虽然公开了一些相关专利【l “，但由于具体 制造方法可以灵活多样，许多关键技术尚需进行深入系统的探索，才能使多孔 光纤的制造工艺趋于成熟实用。而且，其结构参数仍有很大的变化范围可供探 索。通过合理的设计和配置，可以对光纤的各种传输特性进行有效调控，这给 设计者提供了很大的创新空间，目前国际上尚未形成多孔光纤通行的技术标准。 美国“光波技术杂志”发表文献【1 2 】对具有椭圆微孔包层结构的光纤的偏振和色 散特性进行了分析研究，该光纤虽然具有一定的双折射，但其模斑形状不规则， 周边有杂斑，与常规光纤接续损耗较大。这也是目前多孔光纤需要改进完善的 难点。最近m l e h t o n e n 等人在高双折射多孔光纤进行了超连续光谱产生实验， 不仅得到了从4 0 0 h m 到1 7 0 0 h m 都较平坦的超宽连续光谱，而且发现超连续光 谱的产生与泵浦激光的偏振态和波长等参数有直接的依赖关系l i ”。 1 3 2 国内研究概况 在国内，上海光机所光子技术国际合作实验室己初步确立一套可靠的结构 设计、预制棒制备和多孔玻璃光纤拉制全过程的实验技术，并以铷离子掺杂玻 璃为纤芯，以空心玻璃棒阵列为包层制成的预制棒，成功地拉制出芯径达4 0l l m 的大芯径单模多孔光纤，这种光纤可以用于大功率单模铷玻璃光纤激光器。 此外，该实验室以不掺杂的玻璃棒为纤芯，也拉制出了可用于大功率单模激光 器产生的大芯径多孔玻璃光纤。 燕山大学红外光纤与传感研究所，利用他们实验室的自身条件拉制出了一 种非均匀气孔分布的多孔光纤，并利用飞秒脉冲激光与这种多孔光纤相互作用 产生的超连续白光对这种多孔光纤的双折射性质进行了研究和分析。 上海大学光纤研究所作为国内一个专门从事光纤研究的机构，这些年来在 该方面也作了很多相关方面的工作。由本课题负责承担的国家自然科学基金项 目“具有高双折射率的光子晶体光纤的研制和保偏特性的研究”，对h o f 的制 作工艺进行了探索研究【1 4 i5 1 ，是国内较早开展h o f 实验研制工作的课题组之 一，目前我们已经能够制造出如图1 和图2 截面结构的光纤。所研制的图1 型 上海大学硕士学位论文 的多孔光纤在1 5 5 0 n m 至6 3 2 8 n m 波长范围内，均可单模传输，尤其在长波长区， 其光谱透射率具有很好的抗弯曲扰动性能。所研制的图2 型多孔光纤具有较高 的双折射率，拍长可达2 m m ，具有很好的温度稳定性和保偏能力。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间参与的课题研究工作为基础。在实验中， 我们利用研究所现已设计的几种多孔光纤，结合国内外有关多孔光纤设计和特 性测试的研究，制定了对这几种多孔光纤一些基本特性的实验测试方案，并利 用实验室条件组建了相关的测试系统，对光纤的基本几何特性和传输特性进行 了测试，对实验中观测到的一些特殊现象还进行了分析。作者有幸在两年半的 时间内跟随导师参与了多孔光纤的特性测试和分析等方面的研究，在本论文中 将对所做的有关工作进行总结。本论文分为七个部分： 第一章绪论主要叙述了本论文的课题来源、研究目的和意义、国内外研究 概况以及本论文的研究内容；第二章主要介绍有关光纤几何特性和传输特性的 一些基本理论和测试方法；第三章主要介绍了多孔光纤的发展概况、特性、设 计分析和研制方法等；第四章主要介绍了利用实验室的现有条件组建的相关特 性测试系统，并分析了这些系统的测试原理； 第五章主要介绍了测得的多孔光纤的几何特性，包括光纤的端厦、微结构 区域的几何形状和尺寸，模场分布等；第六章主要研究了多孔光纤的四种传输 特性：首先，测试了多孔光纤的损耗谱，并分析了其宽带单模特性；其次，测 试了弯曲对多孔光纤的损耗谱影响，对常规多孔光纤，当弯曲达到一定的半径 时，发现其弯曲损耗谱在短波长处容易发生截止，而在长波长处的损耗却很小， 其结果与理论分析得到的结论是一致的；然后利用磁光调制法测量了保偏型多 孔光纤的拍长，结果表明多孔光纤在加入非对称的结构后，比普通单模光纤更 容易实现高双折射；最后，测试了挤压和扭转应力对常规多孔光纤的双折射的 影响，发现多孔光纤受侧向挤压引起的线双折射比普通单模光纤的要小，而且 光纤的气孔越大，相同的挤压应力引起的线双折射越小，而扭转引起的圆双折 射在气孔较大时几乎与普通单模光纤的相同，这些结论与他人所做的数值分析 4 上海大学硕士学位论文 结果是致的。 第七章主要对本论文进行了总结，并对多孔光纤的研究进行了展望。 据我们所了解的情况，本文对有关多孔光纤的特性所做的观测和分析研究 工作在国内是先行一步的，这对于多孔光纤的进一步研究和应用具有一定的参 考价值。此外，我们还尝试了把虚拟仪器引入光纤测试研究中，通过实验初步 的使用情况表明，这对于实现光纤测试的智能化和光纤传感的研究都是很有意 义的。 1 c k e r b a g e ，a n db _ j e g g l a t o n ， n u m e r i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a ld e s i g no ft u n a b l e b i r e f r i n g e n c ei nm i c r o s t r u c t u r e do p t i c a lf i b e r ，川o p g c se x p r e s s ，v 0 1 1 0 ，n o 5 ，p p 2 4 6 - 2 5 5 ， 2 0 0 2 2 b j e g g l e t o n , p s w e s t h r o o k , e t a , c l a d d i n g - m o d e - r e s o n a n c e s i na i r - s i l i c a m i c r o s t r u c t u r eo p 廿e a lf i b e r s ，” j 】j = l i g h t w a v et e c h ，v 0 1 1 8 ，n o 8 ，p p 1 0 8 4 _ 11 0 0 ，2 0 0 0 3 b z s i g r i ，c p e u e h a r e t , m d n i e l s e n ，a n dp j e p p e s e n , ”t r a n s m i s s i o no v e l 5 6k ml a r g e e f f e c t i v ea r e aa n dl o w - l o s s ( 1 7d b & m ) p h o t o n i cc r y s t a lf i b r e ”，me l e c t r o n i c sl e t t e r s ，v 0 1 3 9 p p 7 9 6 - 7 9 8 ( 2 0 0 3 ) 4 c p e u e h e r e t b z s i g r i , p a a n d e r s e n , k s b e r g ，a t e r s i g n i ，p j e p p e s e n ，k p h a m a n ， a n dm d n i e l s e n , ”4 0g b i t st r a n s m i s s i o no v e rp h o t o n i cc l - y s t a lf i b r eu s i n gm i d - s p a n s p e c t r a li n v e r s i o ni nah i g h l yn o n l i n e a rp h o t o n i cc r y s t a lf i b r e ”，【j 】e l e c t r o n i c sl e t t e r s ，v 0 1 3 9 ，p p ，9 1 9 - 9 2 1 ( 2 0 0 3 ) 5 k f u r u s a w a , a m a l i n o w s k i ，j h v p r i c e ，t m m a n t a ，e t 口f c l a d d i n gp u m p e d y t t e r b i u m d o p e df i b e rl a s e rw i t hh o l e yi n n e ra n do u t e rc l a d d i n g 【j 】印te x p r e s s ，v 0 1 9 ： 7 1 4 7 2 0 ，2 0 0 1 6 a i s i a h t o ，l k o x e n l o w a ，k s b e r g ，a t c l a u s e n ，p a a n d e r s e n ，c p e u c h a r e t , a 上海大学硕士学位论文 t e r s i g n i ，p j e p p e s e n ，k p h a n s e n ，a n dj r f o t k e n b e r g ”ah i g h - s p e e dd e m u l t i p l e x e r b a s e do nan o n l i n e a ro p 矗c a ll o o pm i r r o rw n hap h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , ”明i e e e p h o t o n i c st e c h n o l o g y l e t t e r s ，v 0 1 1 5 ，1 1 4 7 1 1 4 9 ( 2 0 0 3 ) 7 k g h o u g a a r d ，j b r o e n g ，a n da b j a r k l e v ，l o wp u m pp o w e rp h o t o n i cc r y s t a l f i b r e a m p l i f i e r s 【j 】e l e c t r o n i c sl e t t e r s ，v 0 1 3 9 ，p p 5 9 9 6 0 0 ，2 0 0 3 8 y a t o n o v i t e he i n h a b i t e ds p o n t a n e o u se m i s s i o ni ns o l i d - s t a t ep h y s i c sa n de l e c t r o n i c s j 】 p h y s r e v l e t t ，1 9 8 7 ，v 0 1 5 8 ：2 0 5 9 - 2 0 6 2 9 j c k n i g h t , ta b i r k s ，p s t r u s s e l le ta l , 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 rw i t h p h o t o n i cc r y s t a lc l a d d i n g 【j 】o p t l e t t ，1 9 9 6 ，v 0 1 2 1 ：1 5 4 7 1 0 tm m o m o p j b e n n e t te ta l ，h o l e yf i b e r sw i t hr a n d o mc l a d d i n gd i s t r i b u t i o n s - q o p t e n ，2 0 0 0 ，v 0 1 2 5 ：2 0 6 - 2 0 8 11 k e n b ih a s e g a w a m i c r o s t r u c t u r eo p t i e a if i b e ra n di t sm f g m e t h o d p a t e n tn o 1 4 4 7 1 3 6 ， d a t e ：2 0 0 3 - 1 0 - 0 8 1 2 m j s t e e l p o l a r i z a t i o na n dd i s p e r s i v e p r o p e r t i e so fe l l i p t i c a l - h o l ep h o t o n i cc r y s t a l f i b e r s ”，j l i g h t w a v e t e e h v 0 1 1 9 ，n o 4 ，p p 4 9 5 5 0 3 ，2 0 0 1 1 3 m l e h t o n e n g g e n t y ，h l u d v i g s e n , m i ( a i v o l aa n dj r j o n s o n “s u p e r c o n t i n u u m g e n e r a t i o ni nh i g h l yb 加e f r i n g e n tp h o t o n i cc r y s t a l f i b e r ”阴a p p p h y l e t t ，v o l 8 2 ，p p 2 1 9 7 - 2 1 9 9 ，m a r 2 0 0 3 1 4 朱燕杰，董小鹏，石志东“时域有限差分法在分析光子晶体光纤中的应用”，全国第十 次光纤通信暨第十一届集成光学学术会议( o f o i o 2 0 0 i ) 论文集中国上海2 0 0 1 年1 0 月第3 6 4 - - 3 6 6 页 1 5 s h iz h i d o n ge t a l f a b r i c a t i o na n ds i m u l m i o no f p h o t o n i ec r y s t a lf i b e r ，p r o c e e d i n g so f p r o g r e s si ne l e c t r o m a g n e t i c sr e s e a r c hs y m p o s i u m ，m i t , c a m b r i d g e ，u s a - 2 0 0 2 6 上海大学硕士学位论文 第二章有关光纤特性测试研究中的 基本概念与原理 任何一个光纤系统中最重要的元件之一就是光纤，因而光纤的传输性能对 于整个系统的性能起着最关键的作用。与光纤有关的问题有：1 光纤具有什么 样的结构；2 光在光纤中如何传播：3 光纤是由何种材料制作的：4 光纤是 如何制造的；5 多根光纤是如何组装成光缆的；6 光纤中信号的损耗机理是什 么；7 信号在光纤中传输时为什么会有失真，以及信号失真的度量。 纤维光学技术涵盖了光的发射、光的传输、和光的检测等多方面的知识。 由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优点，现已成为通信系统的 重要传输介质之一。光纤特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。结构 特性主要指光纤的几何尺寸( 芯径等) ；光学特性包括折射率分布、数值孔径等； 传输特性主要是损耗及色散特性。本论文将探索多孔光纤的这些相关问题。 2 1 光纤中光的偏振特性 2 1 1 偏振态( s o p ) 及其表达式： 光的偏振态变化是指光在传播中的电矢量e 的变化，波动光学研究表明， 光是一种横波，其电磁矢量e 、h 是在垂直于传播方向上一个横截面上变化的， 一般可分为线偏振光、圆偏振光以其更普遍的椭圆偏振光，而且这三种偏振光 都可以分解为一对正交的线偏振光： _斗 e ( t ，k y ，z ，t ) = 巳乓oc o s ( c o ，+ k x z ) + e ，e v oc o s t + 七。= + 6 ) ( 2 1 1 ) 其中：k 。、k y 是两个正交方向的波数，在双折射光纤中两者大小不同，造成两 个方向的光传播速度也不一样；6 是两个正交偏振态之间的相位差。其实，通 过数学变换，我们知道这两个正交的偏振态通过矢量合成可以表达为一个椭圆 方程，即任何一个偏振态都可以表达为一个椭圆方程，而线偏振和圆偏振只是 其中的一种特殊情况： 上海大学硕士学位论文 ( 惫) 2 + ( 每 2 一z ( 去 ( 去 c o s s = s m 2 s c 2 t z ， 舭矗黼殿篡= 表鍪 触2 口：样了乏7 = ，( 2 一， e ：；一e i ，乡。j ” 2 柏二芝黜：掌卜 ，0 枷ft g jl 了，。f ” 1 2 引起偏振态变化的因素： 。k 。】 从上面研究可见，光的偏振态有两个方面的决定因素：振幅和相位。振幅 的大小一般我们通过光强来表示和测量，相位是一个与时间和传播距离都有关 的量，而在双折射光纤中，我们主要研究正交方向的传播矢量膏不同而引起的 相位差的变化。 能够引起光纤中两个正交方向的振幅和相位差变化的因素很多，既有内部 的难以改变的因素，也有外界的人为可以调控的因素。其中，引起振幅变化的 因素有5 ，6 】： 1 ) 、光纤的本征损耗：包括光纤的材料吸收损耗、散射反射损耗、辐射损耗， 这不仅与光纤的结构有关，还与光纤的材料分布均匀性有关，研究表明：一般 材料分布均匀的光纤中损耗较小，而且不同的掺杂材料的吸收损耗也是不同的， 材料的各向异性容易形成两个正交方向的损耗大小不一致，从而影响出射光的 偏振态。由于本课题研究的是外部的可控制因素，这部分的研究不是本课题的 上海大学硕士学位论文 内容： 2 ) 、光纤两个正交偏振态之间的耦合：耦合就是能量从一个地方转移到另一 个地方，在光纤中指的是两个正交偏振态之间的能量交换，研究表明：光纤的 两个正交偏振态之间的耦合度与双折射的大小有关，一般是双折射越大，耦合 度越低，高双折射保偏光纤就是利用这一点来实现保偏作用的； 3 ) 、外界环境因素：如对单模光纤作用的机械应力引起的弯曲损耗、挤压损 耗，不但比较大，而且在不同的方位引起的两个正交方向的偏振损耗是不一样 的。对这方面的理论研究，目前还没有完整解释方案，本课题将在机械扭转和 挤压、弯曲引起的损耗方面作一定研究。 引起相位差变化的因素有： 1 ) 、光纤双折射的大小：光纤双折射与偏振态相位变化的关系将在下面论述： 2 ) 、两个正交偏振态之间的耦合：耦合不仅可以引起光强的变化，还会引 起反过来影响双折射的大小，从而引起相位差的变化。 总之，引起光纤中光的偏振态变化的因素很多，但所有因素可以总结为各 向异性的损耗和双折射。对于一段光纤输出光的偏振态的变化，可以认为是一 个随机的过程，尤其是长途的光纤通信链路。所以进行偏振态控制是很有必要 的。 2 1 3 利用琼斯矩阵来研究偏振态及其变化： 利用矩阵来研究光纤的偏振态及其变化有着诸多好处，前面研究表明，光 纤中的光偏振态都可表示为两个正交方向上，而且可以分解为正交的线偏振、 左右旋圆偏振或椭圆偏振光( 从数学的角度看，任意的两个正交线偏振、椭圆 偏振也可合成) 7 1 ： 三 = ： + b ： = 圭。+ 归 二， + 吉。一归) ； ( 2 1 - - 5 ) 当以任意偏振光为例研究其沿光纤传输时，偏振态的变化可以表示为： f 主：z ：= p 。一，】p 。一：】 l 。2 y j阱阱阱蹦 上海大学硕士学位论文 一般光纤我们都认为既具有线双折射又具有圆双折射，为了研究的简单化，在 不考虑损耗的情况下，可以把出射光表示为： 斟= 匕腓：i ：37 ( 2 1 - - 7 ) 其中： 二s ( 詈) + ，科詈) ( 2 1 8 ) b ：i 2 qs i i l ( 2 1 9 ) 2 由l p 一叫 由= q + 一) 一l 【6 z + ( 2 q ) 2 他， ( 2 1 1 0 ) 由是左旋与右旋椭圆偏振波之间的相移；而分别2q 和6 表示左右旋圆偏振波 之间的相移和线偏振波之间的相移： 2 q = 0 r 一1 3 l ) ， ( 2 1 1 1 ) 8 = q ，一旦，) ， ( 2 1 1 2 ) 当然，实际的光在光纤中传输远比以上讨论的要复杂得多，但这种分析仍然使 我们认识到光纤的双折射对光的偏振态的影响是明显的。 2 1 4 可以用来控制偏振态的方法： 由前面的讨论可见，引起偏振态变化的因素很多，一种方法是改变两个正 交方向的振幅；另一种方法是改变正交偏振态之间的相位差。这些因素有的是 外界因素，有的是内部因素，而能够改变的只是外部因素。此外，在振幅控制 中引入太大的损耗并非最佳选择，通过改变光纤链路中的双折射是最好的，它 不但可以引起耦合度的变化来改变两个正交方向的光强的变化，还可以实现两 者的相位差的变化( 当然，是改变了线双折射还是圆双折射或者两者都有，不 同的改变双折射的方法是不同的) 。 能够改变光纤中的双折射的外部因素有【4 9 1o 1 1 1 ： 1 ) 光纤的热效应：在高双折射保偏光纤中，温度的变化是保偏特性劣化的一 1 0 上海大学硕士学位论文 个重要因素，有些光纤温度传感器就是利用这一点制成的。 2 ) 机械应力作用：机械扰动对于低双折射光纤的偏振态影响尤其严重，而相 对而言，高双折射光纤的影响就要小得多。而诸如扭转、弯曲、挤压、拉伸等 机械扰动的作用又是不同的： 弯曲： * 羔 侧向挤压 b ，* 去( 1 - - c o s 2 。，s i n o v ) ( 2 1 1 4 ) 拉伸张力：b ，= 0( 2 1 1 5 ) 扭转： 吃a c 由， ( 2 1 1 6 ) 3 ) 光纤的电磁效应：其中由于横向电场引起的电光效应( k e r r 效应) 与双 折射关系为： b = j z ； ( 2 1 1 7 ) 由磁场引起的法拉第效应与双折射的关系为： 8 ：三由，：型 b 。i 由r2 詈= 2 2 光纤中的信号劣化机理 信号损耗是光纤最重要的特性之一，因为它在很大程度上决定了在无需信 号放大和再生的条件下，光发射机和光接收机之间所允许的最大距离。由于光 放大器和光中继器的制造、安装以及维护的费用非常昂贵，因而光纤中信号损 耗的程度就直接影响到整个系统的成本。与信号损耗同等重要的还有信号的失 真，它的作用效果是使光纤中传输的光脉冲随着传输距离的增加而展宽。如果 传输的距离足够长，光脉冲就有可能展宽到与相邻的脉冲相重叠，从而导致接 收机的错误判决，因而信号失真就限制了光纤系统的信息承载容量【l ”。 上海大学硕士学位论文 2 2 1 光纤中的损耗 形成光纤损耗的原因很多，其损耗机理复杂，计算也比较复杂( 有些是不 能计算的) 。降低损耗主要依赖于工艺的提高和对材料的研究等。光纤损耗的原 因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善和诸多外界因素影 响【1 3 】。 2 2 1 1 光纤的损耗系数 尽管引起光纤损耗的原因有多种，但在定义其损耗系数时，只考虑输入和 输出光纤的光功率之比。若用p i 表示输入光纤的功率，p 。表示输出光功率，则 在传输线中的损耗可定义为： a = 1 0 l g 詈 ( 船) ( 2 2 1 ) 若该损耗在长为l ( k m ) 的传输线上传输，且损耗均匀，则单位长度传输线的损 耗即损耗系数为： 旷兰= 竽- 暗c 蛳、亿：、 2 2 1 2 吸收损耗 物质的吸收作用将造成光功率的损失。吸收损耗有三个原因，一是本征吸 收，二是杂质吸收，三是原予缺陷吸收【1 2 1 3 , 1 4 1 。 光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。对于石 英( s i 0 2 ) 材料，固有吸收区在红外区域和紫外区域，其中，红外区的中心波长 在8um 1 2 um 范围内，对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗， 对于长波长光纤引起的损耗小于t d b k m 。紫外区中心波长在0 1 6pm 附近，尾 部拖到1um 左右，己延伸到光纤通信波段( 即0 8 i | m 1 7 1 tr n 的波段) 。在短 波长范围内，引起的光纤损耗小于l d b k m 。在长波长范围内，引起的光纤损 耗小0 1 d b l ( i n 。 由于一般光纤中含有铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属和水的氢氧 根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。降低光纤材料中过渡金 上海大学硕士学位论文 属的含量可以使其影响减小到最小的程度。为了使由这些杂质引起的损耗小于 i d b k m ，必须将金属的含量减小到1 0 4 以下。目前，光纤中杂质吸收主要由于 水的氢氧根离子的振动，图2 一l 给出了某一多模光纤的损耗谱曲线，其上的三 个吸收峰就是由于氢氧根离子造成的。 原子缺陷吸收是由于