（物理电子学专业论文）掺半导体纳米微粒光纤的研究.pdf

北京邮电大学硕上学位论文 掺半导体纳米微粒光纤的研究 摘要 随着人们对信息需求的快速增长，光纤通信技术成为信息高速公路 的核心和支柱，目前光纤网络正朝全光网络方向发展。基于高非线性光 纤四波混频效应( f w m ，f o u r - w a v em i x i n g ) 的全光纤波长变换技术因具有 宽带的多信道同时变换能力以及远大于电子器件速率极限的超高响应速 度等优点，在高速w d m 网络中展示了极为广阔的应用前景。因此，高 非线性光纤逐渐受到了人们的重视，而对于高非线性光纤的研究也随之 成为了功能光纤研究领域的一大热点。 本文首先概述了非线性光纤的研究现状；同时，将纳米技术与光纤 制备技术相结合，选用尺寸在十几个纳米的纳米级i n p 微粒，利用改进 的化学气相沉积法，研制出了新型的掺纳米i n p 微粒光纤，此种光纤较 普通光纤的特殊之处在于：在普通光纤的纤芯中掺入了纳米级i n p 微粒。 通过一系列的实验测定，测得该光纤的纤芯中，i n p 的掺杂浓度为0 1 ， 掺杂纳米微粒的大小约为2 0 n m ，且该光纤具有一定的通光性能。基于以 上实验，根据有限元法分析思想，建立了微粒在纤芯中均匀分布的光纤 纤芯模型，并通过f e m l a b 仿真工具，计算了纤芯中关于电磁场的能量 分布图，并计算了光纤的有效折射率为扎e f f = 1 4 0 0 ，以及其有效面积为 a e f f 1 0 0 1 a n 2 ，说明该光纤已经具有较普通光纤更小的有效模式面积 i 摘要 以及非同寻常的折射率分布。根据以上结果，计算了光纤的非线性系数 约为y 1 0 5 3 w k m ，说明了该光纤具有较强的非线性特性。 基于以上研究，对本课题工作进行了分析总结，得出：一个更加周 期性的掺杂微粒分布以及更小的掺杂浓度会更有利于减小光纤中的传播 损耗以及获得更佳的光控性能，这样也会获得更强的非线性特性，使这 种光纤能更好的应用于各种光电子器件中本课题的工作也为后续的研 究工作指明了方向。 最后，文章对此种非线性光纤的应用前景做出了分析和展望，相信 此种光纤必定会为新型的非线性光纤的研究开辟新道路。 关键词：非线性光纤，纳米材料，有限元法，有效面积，非线性系数 本论文由以下项目资助： 国家自然科学基金：6 0 5 4 4 0 0 2 和6 0 8 7 1 0 8 2 t h er e s e a r c ho fa no p t i c a lf i b r ed o p e dw i t h s e m i c o n d u c t o rn a n o p ar t i c l e s a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dg r o w t ho ft h ei n f o r m a t i o nn e e d sn o w a d a y s ，o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb e c o m e st h ec o r eo ft h ei n f o r m a t i o nh i g h w a y , a n d c u r r e n t l yf i b e ro p t i cn e t w o r k sa r em o v i n gi nt h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n t o fa l l 。o p t i c a ln e t w o r k s t h e 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 nt e c h n o l o g y , w h i c hb a s e do nt h ef w m ( f o u r - w a v e m i x i n g ) t e c h n o l o g yo fh i g hn o n l i n e a r f i b r e ，h a st h ea d v a n t a g e so fb r o a d b a n dm u l t i c h a n n e lt r a n s f o r mc a p a c i t y , u l t r a - h i g hr e s p o n s es p e e dt h a tm o r ee x c e l l e n tt h a nt h ee l e c t r o n i cd e v i c e s r a t e l i m i t ，s h o w st h ew i l du s a g ei nw d mn e t w o r k s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho n h i g hn o n l i n e a rf i b r eb e c o m e sah o ts p o to ft h ef u n c t i o n a lf i b r er e s e a r c hf i l e d f i r s to fa l l ，t h i sa r t i c l es t a t e st h eo v e r v i e wo fn o n l i n e a ro p t i c a lr e s e a r c h t h e nc o m b i n e dt h en a n o t e c h n o l o g yw i t ht h ef i b r ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e i n pp a r t i c l e sa tn a n o - s c a l ei sc h o s e nt of a b r i c a t et h en o v e lo p t i c a lf i b r ed o p e d w i t hi n pt h r o u g ham o d if i e dm c v d ( m o d i f i e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yo p t i c a lf i b e r , t h i sf i b r ei ss p e c i a lt h a ti th a si n p p a r t i c l e sd o p e di ni t sc o r e t h r o u g he x p e r i m e n t ，t h ec o n s i s t e n c yo fi n pi s 北京邮f 乜人学顾i j 学位论文a b s t r a c t i i a p p r o x i m a t e l y o 1 i nt h ec o r e ，a n dt h ep a r t i c l e ss c a l ei sa b o u t2 0 n m ，a n dt h e f i b r eh a sa ne x c e l l e n tw a v e g u i d ec h a r a c t e r i s t i c b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，a c o r em o d e lt h a tt h ep a r t i c l e su n i f o r m l yd i s t r i b u t e di ni sb u i l t ，a n do b t a i n e dt h e e f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e x n e ff = 1 4 0 0 a n dt h ee f f e c t i v ec o r ea r e a a e 盯1 0 0 1 a n 2 t h a ti sl e s st h a no r d i n a r yf i b r ea n dd i f f e r e n tw i t ho r d i n a r y r e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l ta b o v e ，t h en o n l i n e a r c o e f f i c i e n ty 1 0 5 3 w k mi sg o t ，a n dt h i sr e s u l tr e f l e c t st h a tt h i sn o v e l o p t i c a lf i b r eh a sas t r o n gn o n l i n e a r i t y b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，w eg o tt h i sc o n c l u s i o nt h a t ，am o r ec y c l i c a l d i s t r i b u t i o na n dl e s sd e n s eo ft h ep a r t i c l e si nt h ec o r ew i l lh a v eal e s s p r o p a g a t i o nl o s s ，ab e t t e rl i g h tc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，a n dah i g h e rn o n l i n e a r i t y , s ot h a ti tc a l lb ee a s i l yu s e di nm u l t i p l eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s t h i sr e s e a r c h l e a d saw a yf o rc o n t i n u o u sr e s e a r c h a tl a s t ，t h i sa r t i c l eg i v e sab r i l l i a n tf u t u r eo ft h i sf i b r ea n db e l i e v e st h a t t h i sk i n do ff i b r ec a no p e nu pn e wr o a d si nn o n l i n e a rf i b r ef i e l d k e yw o d s ：n o n li n e a ro p t i c a lf i b r e ，n a n o m a t e r i a l ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， e f f e c t i v ec o r ea r e a ，n o n l i n e a rc o e f f i c i e n t i v 独创性( 或创新性) 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，论文中不包含其他入 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。 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。 z 本人签名：鳞雹盔 日期： 也五杰丝 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 痒噬 日期： 垃呈壬。2 导师签名：主运丕同期：玉吐受。碰 北京邮电大学硕十学位论文第一章绪论 1 1光纤的发展历程 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代，一项最重要的技术发展便是光纤通信成为了一个主要的国际性 产业。用光纤敷设总长度可以表明其发展程序。据估计，到1 9 8 7 年底，仅美国的光 纤敷设总长将达3 2 0 万公里，其中9 0 以上是在1 9 8 2 - 1 9 8 7 年间敷设并开通的，而 长途干线占其中的主要地位，约为光纤总长的9 5 。 虽然现在人们对光纤的兴趣主要在于通信，但早期发展纤维光学，即光纤的目的 却并不在此。上世纪5 0 年代初，研究人员制造出第一根具有涂层玻璃光纤时，并不 想用于通信，而是想利用他们传送内窥镜需要的成像光束，直到1 9 6 6 年英籍华人高 锟( c k k a o ) 博士和h o c k h a m 发表了那篇著名的论文，建议将低损耗光纤用于通信【l 】， 光纤才真正走入通信的大门。 可以说，光纤的发展与光通信的发展密切相关，所谓光通信就是利用光波来载送 信息，实现通信的技术。早期的光通信是利用光在空气中直线传播的特点，进行大气 传输光通信，不需要任何线路，简单、经济【2 】。 1 9 7 0 年l o 月第一根低损耗( 2 0 d b k m ) 石英单模光纤在美国康宁公司问世了。虽 然这一成果当时在研究领域确实引起了极大的关注，但这种光纤距离通信所要求的条 件还相差甚远：每公里2 0 d b 的损耗对于长途通信系统仍然是太大了；光纤易断裂， 必须寻找保护方法；没有合适的光源等等【3 4 】。尽管如此，在此之后，世界各国纷纷 开展光纤研制和光纤通信的研究，通信用光纤的研制先后经历了0 8 5 9 m 短波长多模 光纤和1 3 0 岬长波长多模光纤( i t u tg 6 5 1 ) 、1 3lg m 普通单模光纤( i t - tg 6 5 2 ) 、 1 5 5 i m 色散位移单模光纤( i t u tg 6 5 3 ) 、1 5 5 m 非零色散位移单模光纤( i t u tg 6 5 5 ) 等重要发展阶段，从而形成了如今的通信革命的伟大局面。 目前，光纤的种类繁多，其分类方式也各不相同。按折射率分布情况分：阶跃型 光纤和渐变型光纤。按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模光纤。按照制造光 纤所用的材料分：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤 和氟化物光纤。按最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。 按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤【5 】。 1 2 未来光通信中热点技术光纤的非线性 伴随着各种光纤的产生，其自身巨大的传输容量和优越的传输性能已经越来越完 善的展现给世界，已成为光通信中的主要传输媒介【6 j 。在过去的4 0 多年中，光通信 的迅速发展使网络传输容量产生了质的飞跃，使通信网络的面貌发生了翻天覆地的变 化，光纤通信已成为信息基础设施的重要支撑技术，是骨干传送网和城域网中信息传 输的主要方式，对人类社会的信息化产生长久、深远的影响。随着因特网的迅速普及 以及宽带业务的兴起，人们对信息的需求日益增长，几乎是每半年翻一番的速度增长 【7 1 。在这样的背景下，信息高速公路建设受到人们的广泛关注。而作为信息高速公路 的核心和支柱的光纤通信技术更是成为研究的重点。 目前光纤网络正朝全光网络方向发展。但全光网络的实现还依赖于相应光电器件， 例如：全光光开关和光转换单元( o u t ，o p t i c a l t r a n s l a t o ru n i t ) 等的发展。目前基于非 线性效应的光开关等光器件也开始应用于光通信系统中。利用材料的三阶非线性特性 的全光开关对实现未来全光通信是很有吸引力的【引，同时基于高非线性光纤四波混频 效应( f w m ，f o u r - w a v em i x i n g ) 的全光纤波长变换技术因具有宽带的多信道同时变换 能力以及远大于电子器件速率极限的超高响应速度等优点，在高速波分复用( w d m ， w 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 g ) 网络中展示了极为广阔的应用前景【9 】。因此，基于 新材料基质和新结构的高非线性光纤成为研究者关注的领域。 1 3光纤的非线性特性 1 3 1 非线性研究的历史 早在1 9 7 2 年，已有人研究了单模光纤中受激拉曼散射( s r s ，s t i m u l a t e dr a m a n s c a t t e r i n g ) 和受激布里渊散射( s b s ，s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 1 0 j ，这些工作促进 了诸如光感应双折射、参量四波混频和自相位调制等其他非线性现象的研究】。1 9 7 3 年，有人提出了“通过色散和非线性效应的互作用将会导致光纤产生类孤子脉冲”这 样一个重要结论【l 列。随后的1 9 8 0 年，实验室中观察到光孤子，并在2 0 世纪8 0 年代 导致了超短光脉冲的产生和控制方面的一些成就【i3 1 。另一个同样重要的进展是将光纤 用于光脉冲压缩和光开判1 4 】。1 9 8 7 年，利用光纤非线性效应的压缩技术已产生了短 到6 f s 的脉冲【l5 1 。关于光纤非线性的研究在2 0 世纪9 0 年代得到巨大发展：光纤光栅 始造于1 9 7 8 年，到2 0 世纪9 0 年代发展成为光波技术不可分割的一部分，自1 9 9 6 年以来，光纤光栅和光子晶体光纤的非线性引起了广泛的关注。很显然，光纤非线性 2 北京邮电大学硕 j 学位论文第一章绪论 的研究将会在2 l 世纪继续得到发展。 1 3 2 产生光纤非线性的机理 在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。从其 基态能级看，介质非线性响应的起因与施加到他上面的场的影响下束缚电子的非谐振 运动有关，结果导致电偶极子的极化强度p 对于电场e 是非线性的，通常满足的关 系式是 p = e ：0 ( z c l ) e + z ( 2 ) ：e e + x ( 3 ) ie e e + ) ( 1 1 ) 式中，勖是真空中的介电常数，z o q = l ，2 ，) 为_ ，阶电极化率，考虑到光的偏振效 应，z ( ，) 是p 1 阶张量。线性电极化率0 1 ) 对尸的贡献是主要的，它的影响包含在折射 率刀和衰减常数0 【内。- - 阶f e 极化率0 2 ) 对应于二次谐波的产生、和频运转等非线性效 应。然而，x ( 2 ) 只在某些分子结构非反演对称的介质中才不为零。因为s i 0 2 分子是对 称结构，因而对石英玻璃) c ( 2 ) 等于零。所以，光纤通常不显示二阶非线性效应，然而 电四极矩和磁偶极矩能产生弱的二阶非线性效应，纤芯中的缺陷和色心在某些条件下 也对二次谐波的产生发生影响【1 6 】。 1 3 3 非线性折射率对光纤非线性的影响 光纤中的最低阶非线性效应起源于三阶电极化率0 孙，它是引起诸如三次谐波产生、 四波混频以及非线性折射等现象的主要原斟1 7 】。然而，除非采取特别的措施实现相位 匹配，牵涉到新频率产生的非线性过程在光纤中是不易发生的。因而，光纤中大部分 非线性效应起源于非线性折射率，而折射率与光强有关的现象是由0 3 引起的，即光 纤的折射率可表示成 元h 2 ) = n ( 功+ 7 1 2 lel2(1-2) 式中，以倒是折射率的线性部分，ie i2 为光纤内的光强，蚴是与x 3 有关的非线性折 射率系数 n 2 = 三( x 黜x ) ( 1 - 3 ) 8 n r e n 2 = 一 l x 激x j 式中，r e 表示实数部分，并且假设光场是线偏振的，因而四阶张量只有一个分量x 慰) c 对折射率有贡献。z ( 3 ) 张量的特性能通过非线性双折射影响光束的偏振特性。 折射率对光强的依赖关系导致了大量有趣的非线性效应：其中研究得最广泛的是 自相位调制( s p m ，s e l f - p h a s em o d u l a t i o n ) 和交叉相位调制( x p m ，c r o s s p h a s e 3 北京邮电人学硕i ：学位论文第一帝绪论 m o d u l a t i o n ) 。s p m 指的是光场在光纤内传输时光场本身引起的相移，它的大小可以 通过记录光场相位的变化得到 咖= 宄恐o l = ( 7 l + 礼2 ieiz ) k o l ( 1 4 ) 式中，k o = 2 7 f f x ，三是光纤长度。与光强有关的非线性相移咖n l = 7 1 2 k o liei 是由s p m 引起的。在其他方面，s p m 与超短脉冲的频谱展宽有关，而在光纤的反常色散区与 光孤子的存在有关。 x p m 指的是由不同波长、传输方向或偏振态的脉冲共同传输时，一种光场引起 的另一种光场的非线性相移。它的起源可以通过方程( 1 1 ) 中给出的总电场e 来解释。 f = 2 e 1 e x p ( - i c o l t ) + 易e x p ( - i c 0 2 t ) + c c 】( 1 5 ) c c 表示复共轭，当两个频率分别为幼和c 0 2 ，x 方向偏振的光波同时在光纤内传输时， 频率为幼的光场的非线性相移为 咖n l = 1 2 k o l ( i 毋2 + 2i 岛iz ) ( 1 6 ) 由于相位失配的关系，这里忽略了频率c 0 1 和c 0 2 以外产生极化的所有项。方程( 1 6 ) 右 边的两项分别由s p m 和x p m 引起。x p m 的一个重要特征是，对相同强度的光场， x p m 对非线性相移的贡献是s p m 的两倍。在其他方面，x p m 与共同传输光脉冲的 不对称频谱展宽有关。 1 3 4 受激非弹性散射对光纤非线性的影响 由三阶电极化率x ( 3 ) 决定的非线性效应，在电磁场和电介质之见无能量交换这个意 义上来说是弹性的。二阶非线性效应起因于光场把部分能量传递给介质的受激非弹性 散射。光纤中有两个重要的非线性效应属于受激非弹性散射，它们都和石英的振动激 发态有关，这就是众所周知的受激拉曼散射和受激布里渊散射，它们也是最早研究的 光纤中的非线性效应【l 引。二者的主要差别是：在s r s 中参与的是光学声子，而在s b s 中参与的是声学声子。一幅简单的量子力学图像对s r s 和s b s 都是适用的。一个入 射场的光子的湮灭，产生了一个下移斯托克斯频率的光子和保持能量与动量守恒的另 一个具有恰当能量与动量的声子。当然，如果能吸收一个具有恰当能量和动量的声子， 也可能产生具有更高能量的光子，称为反斯托克斯频率。尽管s r s 和s b s 在起因上 多么相似，由于声子和光子不同的色散关系，导致它们两者之间一些基本的差别，其 中最根本的区别在于光纤中的s b s 只发生在后向，而s r s 在两种方向均能发生，主 要是前向的。 4 北京邮电人学硕士学位论文第一章绪论 虽然光纤中s r s 和s b s 的完整的描述是相互牵连的，但斯托克斯波最初的发展 可由简单的关系式来描述，对s r s ，此关系式为 j ， i u i $ = 踟易b ( 1 - 7 )，l a n 一| ，一o、一。， 式中，五为斯托克斯光强，厶为泵浦光强，积为拉曼增益系数。对s b s 有类似的表达 式，用布里渊增益系数助代替积即可。对石英光纤，助和黝可通过实验测得，测得 的拉曼增益谱非常宽，带宽约为3 0 t h z ；泵浦波长在1 5 p , m 附近时，峰值增益 鲰7 1 0 - 1 4 m w ，斯托克斯频移约1 3 t h z 。相反，布里渊增益谱相当窄，带宽仅 约为1 0 0 m h z ，泵浦波长在1 5 1 a m 附近，在斯托克斯位移约1 0 g h z 处产生峰值布里 渊增益谱。对窄带宽泵浦，峰值增益约6 1 0 - 1 1 m w ；对宽带宽泵浦，其峰值增益 应除以唧因子，这里唧为泵浦光带宽，是布里渊增益带宽。 s r s 和s b s 的一个重要的特征是，它们都表现出了类似阈值的行为，例如，只有 当泵浦光强超过一定的阈值时，才发生从泵浦能量向斯托克斯能量的有效转移。对 s r s ，在口l 1 的单模光纤中，泵浦强度阈值为 舻1 6 ( c t g a )( 1 8 ) ，字典型值约为1 0 0 m w c m2 ，在泵功率约为1 w 时能够观察到s r s 。对于s b s ，类似 的计算表明，其阈值泵浦光强为 i 笋2 1 ( a l g a )( 1 9 ) 因为布里渊增益系数g 矗较黝大两个数量级，故s b s 的阈值典型的约为l m w 。 1 3 5 光纤非线性效应的重要性 最近测得的石英光纤中的非线性折射率系数1 2 值在( 2 2 - , - 3 4 ) 1 0 _ 2 0m 2 w 范围 内，它取决于纤芯的成分及光纤中输入的偏振态是否能保持。这个值较其他非线性介 质至少小两个数量级。类似的，在石英光纤中，拉曼和布里渊增益的测量结果表明， 他们的值也比大多数其他非线性介质小两个数量级以上【1 9 】。尽管石英光纤中固有的非 线性系数值较小，但光纤中的非线性效应在相对较低的功率水平下就能观察到，这是 由单模光纤的两个重要特性在1 0 1 a m 一1 6 9 m 波长范围内具有小光斑尺寸( 模场直 径小于1 0 p m ) 和非常低的损耗( 小于l d b k m ) 所决定的。 在块状介质中，非线性过程的效率是由和。f r 的乘积儿。f r 来表示的，这里，是 光强，c f r 是互作用区的有效长度。若光聚焦成半径为0 0 的光斑，则j = p ( t r v 5 ) ，p 为入射光功率。很显然，把幼聚焦到很小，i 值将大大提高；然而，这将导致有较小 的l 。f f ，因为聚焦去的长度随聚焦程度减小。对高斯光束，l e f t o j 0 2 x ，i 与e 仃的 5 北京邮r 乜人学硕i j 学位论文第一章绪论 积为 ( i l e f f ) b u l k = ( 劫- 砌7 k 妻( 1 - l o ) 它不依赖于光斑尺寸。在单模光纤中，光斑尺寸幼由纤芯半径0 【决定。进而，由于介 电波导在整根光纤长度内保持同样的尺寸，其互作用长度毋只受光纤损耗0 【的限制。 利用，( z ) = l o e x p ( - a z ) ，这里，o = p ( n 0 ) ，p 为耦合到光纤中的光功率，可得尼酊 积为 ( i l e f f ) 疗b e r = c ，( z ) d z = 片志e 一昭d z - 而p 下l _ e - a t ( 1 - 1 1 ) 比较方程( 1 1 0 ) 和( 1 i i ) 口- - 以看出，光纤中非线性过程的效率通过下述因子得到改 善 糕= 三r t z o t ( 1 - 1 2 ) ( i l e f f ) b u l k 、7 这里假定a l 1 。在可见光区，当2 = 0 5 3 1 t m ，幼_ 2 岬，仅= 2 5 1 0 5 c m l ( 1 0 d b l a n ) 时，得到增强因子约1 0 7 ；在最小损耗波长1 5 5 t m 附近，口= 5 1 0 7 c m 一1 ( 0 2 d b k m ) ， 增强因子达1 0 9 。光纤中非线性过程效率的巨大的增强因子，使得光纤称为合适的非 线性介质，用于在相对较低的功率水平下观察各种非线性效应。在一些需要较短光纤 ( 小于0 i k m ) 的应用中，石英相对较弱的非线性成为一个新的话题。现在可用n 2 值比 石英大的非线性材料制造光纤，用硅酸铅制造的光纤其刀2 值约提高1 0 倍，在硫化物 玻璃光纤中甚至具有更大的值2 = 4 2 x l o 1 8 m 2 m 这些光纤在制作放大器、开关、光 栅等光纤器件方面正引起极大关注，并且可能对非线性光纤光学的发展起更加重要的 推动作用【2 0 1 。 1 4光纤非线性的研究进展 目前高非线性光纤的种类主要有三类：1 ) 多组分玻璃基质( 包括硫系玻璃、硅铅玻 璃、铋酸盐玻璃等) 的非线性光纤；2 ) 基于石英基质的光子晶体光纤( p c f ，p h o t o n i c c r y s t a lf i b e r ) ；3 ) 掺杂量子点的石英光纤。 1 4 1 多组分玻璃基质非线性光纤 在普通光纤中进行掺杂以改变光纤的特性是获得特殊光纤的常用手段之一，如掺 铒放大光纤，掺钕保偏光纤等等2 。受此启发，通过在普通光纤中掺杂高非线性材料， 改变光纤的材料特性，由此来获得有较高非线性的光纤，这便是具有较高非线性的多 组分玻璃基质光纤。 6 北京邮电大学硕十学位论文第一章绪论 目前，为了得到高非线性系数光纤，其掺杂元素主要为稀土元素，如铒、镱等； 半导体元素，如锗；另外还有磷、硫等，获得了较普通光纤高非线性的光纤。其中铋 酸盐玻璃光纤作为一种新型多组分玻璃光纤，是目前报道的具有最高非线性系数 “= 1 3 6 0 w _ 1 k m ) 的光纤，其研究进展和实用化进程发展相对较快【2 2 1 。 但是，多组分玻璃基质光纤其本身损耗以及和石英光纤熔接损耗过高，严重影响 着其在实际中的应用。以铋酸盐玻璃光纤为例，根据报道，铋酸盐玻璃光纤在1 5 5 1 t m 通信波段目前最低损耗系数约为0 8 d b m ，与石英光纤的平均熔接损耗约为3 - - 8d b 。 1 4 2 光子晶体非线性光纤 随着光子晶体光纤的兴起，其特殊的纤芯结构，如可调的纤芯直径、包层空气孔 直径、包层空气孔直径之间距离，使得利用光子晶体光纤成为另一种获得高非线性光 纤的途径。 2 0 0 3 年，英国s o u t h a m p t o n 大学的p e t r o p o u l o s 等人报道了一种小芯径铅硅酸 盐多孔p c f ，其在1 5 5 0 n m 的通信波长处非线性系数高达6 4 0 w j 触【2 3 】；2 0 0 4 年， h e i k ee b e n d o r f f - h e i d e p r i e m 等人报道了一种材料的非线性折射率高达2 0 2 1 0 。1 9 m 2 w 氧化铋玻璃p c f ，其在1 5 5 0 r i m 波长处的非线性系数高达11 0 0 w 1 k m ，且 传输损耗小于3 d b m ，成为迄今为止非线性系数最高的光子晶体光纤，是普通光纤非 线性系数的上百倍【2 4 1 。 但是，光子晶体光纤的制备技术中存在设备昂贵、工艺复杂，与普通光纤对接很 难，不适合大批量生产等问题。在我国，目前具备高水平研制光子晶体光纤能力的单 位又为数很少，其关键技术和产品受制于人，无法在技术和产品上与发达国家相抗衡， 主要依靠进口来进行科研研究，而进口的光子晶体光纤的价格很昂贵，也阻碍了我们 对基于光子晶体光纤高非线性的应用研究。 1 4 3 掺杂量子点非线性光纤 量子点材料因具有尺寸效应、禁阻效应、库伦阻塞效应等特性使其在生命科学、 单电子器件、生物等领域有着广阔的应用前景；同时，量子点玻璃的高透明性、化学 稳定性、热稳定性、短的响应时间和较高的三阶非线性极化率使其在光子开关与器件 的实用化以及现有光学装置的改进等方面显示出较强的优势。 目前基于量子点光纤的研究主要有p b s 半导体量子点光纠2 5 】，c d s e s 量子点玻璃 光纤1 2 6 】等，他们的研究引导了在量子点领域对非线性光纤的研究。 7 北京邮l 乜人学硕l ：学位论文第一章绪论 1 5本文内容及意义 第一章，绪论。介绍了光纤的发展历程，简要概述了在未来光通信中非线性光纤 所起到的作用，同时着重介绍了光纤的非线性特性，尤其是现阶段国内外研究者基于 光纤非线性方面的研究，同时给出了论文的结构和意义。 第二章，掺杂纳米级i n p 内包层光纤的制备。首先介绍了所掺杂的半导体材料i n p 的物理性质和相关的光学性质，同时对目前光纤预制棒的制备技术进行了详细的阐述， 最后重点描述了本课题中研制的掺半导体纳米i n p 微粒光纤的实验设备和改进的实 验方法。 第三章，实验部分。对掺半导体纳米i n p 微粒光纤进行通光性测试，验证其光波 导特性；全谱直读等离子体发射光谱仪( i c p a e s ，i n d u c t i v ec o u p l e dp l a s m a - a t o m i c e m i s s i o ns p e c t r o m e t r y ) 测掺半导体纳米i n p 微粒光纤中掺杂i n p 浓度；在扫描电镜下观 察纤芯的截面微结构形貌。同时基于以上实验测定结果，分析掺杂纳米微粒对光纤非 线性带来的影响。 第四章，理论仿真部分。根据实验部分对光纤纤芯结构的认识，构建了一个掺杂 微粒在光纤纤芯中具有周期性规则分布的参考模型，并利用有限元法，分析了纤芯中 电磁场的模场分布，并根据此结果，计算了光纤的有效折射率和非线性系数，从理论 上验证说明了此种光纤具有高非线性，同时指出，一个更具有规律和周期性掺杂分布 对产生高非线性具有积极意义。 第五章，掺半导体纳米i n p 微粒光纤的应用前景。针对未来光通信的发展方向， 分别从超连续谱和慢光系统等领域对所研制的光纤的应用前景进行概述。 s 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 参考文献 【1 】k k a o ，g h o c k h a r n d i e l e c t r i cs u r f a c ew a v e g u i d e sf o ro p t i c a lf r e q u e n c i e s p r o c i e e e 1 9 6 6 ，1 3 3 【2 】韩一石，现代光纤通信技术，科学出版社，2 0 0 5 3 】i p a l e o e k , a i f e r g u s o n ，d c h a n n ac ta 1 ，m o d e - l o c k i n go fam e o d y m i u m - d o p e d m o n o m o d ef i b e rl a s e r , e l e c t r o n l e t t ，19 8 6 ，2 2 ( 5 ) ：2 6 8 - 2 6 9 【4 】s h i q u a ny a n g , e v g u e r da p o n o m a r e va n dx i a o y ib a o ，8 0 - g h zp u l s eg e n e r a t i o nf r o m ar e p e t i t i o n - r a t e - d o u b l e df m m o d e - l o c k i n gf i b e rl a s 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 ，17 ( 2 ) ：3 0 0 3 0 2 5 】z h i h o n gl i ，c a i y u nl o u ，k a mt a ic h a ne ta 1 ，an o v e la c t i v e l ya n dp a s s i v e l ym o d e l o c k e df i b e rl a s e rw i t hd i s p e r s i o n - i m b a l a n c e dl o o pm i r r o r , o p t c o m r n u n ，2 0 0 0 ， 1 8 6 ：1 7 3 1 7 6 【6 】h c h i e n ，c y e h ，k l a ie ta 1 ，s t a b l ea n dw a v e l e n g t h - t u n a b l ee r b i u m d o p e df i b e r d o u b l e - r i n gl a s e ri ns - b a n dw i n d o wo p e r a t i o n ，o p t c o m m u n ，2 0 0 5 ，2 4 9 ：2 61 - 2 6 4 7 】s “，c l o ua n dk t c h a n ，r a t i o n a lh a r m o n i ca c t i v ea n dp a s s i v em o d e l o c k i n gi na ， f i g u r e o f - e i g h tf i b e rl a s e r , e l e c t r o n l e t t ，19 9 8 ，3 4 ( 4 ) ：3 7 5 3 7 6 【8 】施纯峥，廖延彪，赖淑蓉硫系光纤的非线性特性及其在全光开关上的应用激光 杂志，2 0 0 1 ，2 2 ( 5 ) ：1 4 【9 】刘艳，谭中伟，傅永军，等基于高非线性光纤四波混频的全光纤波长变换半导体 光电，2 0 0 3 ，2 4 ( 2 ) ：1 1 0 - 1 1 6 【io r s t o l e n ，e i p p e n ，a t y n e s r a m a no s c i l l a t i o ni ng l a s so p t i c a lf i b e r s a p p l p h y s l e t t 19 7 2 ，2 0 ：6 2 - 6 4 1 1 r s t o l e n ，j b j o r k h o l m ，a a s h k i n p h a s e m a t c h e dt h r e e w a v em i x i n gi ns i l i c af i b e r o p t i c a lw a v e g u i d e s a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s 2 0 0 3 ，2 4 ：3 0 8 1 2 1 a h a s e g a w a et a p p e r t ，a p p l p h y s l e t t 1 9 7 3 ，2 3 ：1 4 2 【13 a g o u v e i a n e r o ，a g o m e s ，j t a y l o r f e m t os o l i t o nr a m a ng e n e r a t i o n q u a n t u m e l e c t r o n i c s ，i e e ej o u r n a lo f 19 8 8 ，2 4 ( 2 ) ：3 3 2 - 3 4 0 【14 】m f a r r i e s ，d p a y n e o p t i c a lf i b e rs w i t c he m p l o y i n gas a g n a ci n t e r f e r o m e t e r a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s 19 8 9 ，5 5 ：2 5 15 r f o r k ，c c r u z ，p b e c k e r , e ta 1 c o m p r e s s i o no fo p t i c a lp u l s e st os i xf e m t o s e c o n d s o 北京邮i 乜大学硕十学位论文第一章绪论 b yu s i n gc u b i c p h a s ec o m p e n s a t i o n o p t l e t t 19 8 7 ，12 ( 7 ) ：4 8 3 - 4 8 5 【16 n b l o e m b e r g e n n o n l i n e a ro p t i c s w o r l ds c i e n t i f i c ，19 9 6 【17 y s h e n t h ep r i n c i p l e so f n o n l i n e a ro p t i c s n e wy o r k ：j o h nw i l l e y & s o n s 19 8 4 ， 3 0 7 18 je p i p p e na n dr h s t o l e n ，s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n gi no p t i c a lf i b e r s ，a p p l p h y s l e t t ，19 7 2 ，2 1 ：5 3 9 5 4 1 【19 a l f a n o ，r r t h es u p e r c o n t i n u u ml a s e rs o u r c e ：f u n d a m e n t a l sw i t l lu p - d a t e d r e f e r e n c e s s 1 】：s p r i n g e r , 2 0 0 6 2 0 m o r i ，a ，yo h i s h i ，t k a n a m o r i ，a n ds s u d o o p t i c a la m p l i f i c a t i o nw i t h