（光学专业论文）光子晶体光纤激光器和超连续光源的研究.pdf

摘要 摘要 光子晶体光纤起源于光子带隙思想，却又随着不断发展而高于带隙理论。 时至今日，它正以极快的速度影响现代科学的多个领域。在基于p c f 的众多新 型光纤器件之中，稀土掺杂光纤激光器件和超连续光源是比较具有代表性的两 种。本文从实验和理论两个角度研究了光子晶体光纤在以上两方面的应用：首 先总结了光子晶体光纤激光器件和超连续光源的研究现状；然后利用有限单元 方法分析了大模面积光纤中的双折射特性；理论和实验研究了稀土掺杂光子晶 体光纤激光器和放大器；利用分步傅里叶方法数值求解非线性薛定谔方程，分 析了宽脉冲泵浦在非线性光子晶体光纤中传输时的光谱展宽过程；利用准连续 连续光源作为泵浦，实验研究光子晶体光纤中的光谱展宽现象并分析了连续谱 的频域和时域特性。主要内容概括如下： 1 详细讨论了有限单元方法的基本思想和求解过程，利用该方法分析了大 模面积光纤中的双折射特性，提出两种结构致双折射大模面积p c f 的设计：( 1 ) 通过在纤芯中引入两个小于包层空气孔尺度的小孔以破坏光纤截面几何形状的 对称性，在有效模场面积大于1 0 0 1 x r n 2 的光子晶体光纤中获得1 0 4 的双折射度； ( 2 ) 在光子晶体光纤的包层中引入两个大尺度空气孔的同时，在光纤纤芯中引入 椭圆形的小空气孔以降低光纤的多重轴对称性。通过这种具有复合不对称结构 的双折射晶体光纤设计，可以使光纤在具有较大模场面积的情况下获得1 0 4 量 级的双折射。 2 理论分析了高折射率b r a g g 光纤的模式特性和色散特性，并讨论了其在 掺稀土光纤激光器件方面的应用。对拉制出的掺e r a + b r a g g 光纤进行了放大特性 的测试，测量了前、后向泵浦方式下放大器的小信号增益和噪声系数。使用环 行器和光栅构成的环行腔结构，得到了1 5 5 3 7 n m 的单波长激光输出。由于这种 掺e r ”的b r a g g 光纤之前未见报道，所以无论在工艺上还是在特性上，都有大 量研究工作尚待继续进行。 3 对掺y b 3 + 双包层光子晶体光纤激光器进行了实验研究。采用前向端面 泵浦方式，选用二向色镜和增益光纤端面构成f p 腔的结构构建了线性腔掺 ) ”光子晶体光纤激光器。激光最大输出功率1 1 6 9 w ，斜率效率8 7 。在此基 摘要 础上，利用g a a s 晶体作为饱和吸收体，进行了被动调q 包层泵浦p c f l 的研 究，获得了脉冲宽度小于9 0 n s 、最大平均功率为5 8 6 w 的激光输出。 4 利用有限单元方法，研究了光子晶体光纤非线性特性的基本理论。系统 地分析了光子晶体光纤有效模场面积、光纤非线性系数和其结构参量的关系， 并讨论了非线性系数随波长的变化。研究表明，利用石英空气大的折射率差， 可以设计具有小模场面积的光纤来提高非线性系数。但是，当纤芯直径过小时， 能量已经不能够很好地被限制在纤芯中，形成泄漏。在此基础上，研究了掺锗 纤芯p c f 增强的非线性特性，计算了掺杂浓度和掺杂区域半径对光子晶体光纤 非线性系数、模场分布和色散等性质的影响。这对于制造具有高非线性系数的 p c f 具有指导意义。 5 利分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程，对低峰值功率、宽脉冲在光 子晶体光纤中的传输特性进行了数值模拟和比较，分析了脉冲传输和演化的非 线性机理和超连续谱展宽特性。通过改变光纤参数和初始入射条件，发现在低 峰值功率、宽脉冲条件下引起光谱展宽的主要因素是调制不稳定性。在光纤反 常色散区，噪声可以作为调制不稳作用的探测波加速入射脉冲的破裂，使之形 成无序的超短脉冲，进而在光纤中继续传输实现光谱的展宽。此外，还分析了 脉冲功率、光纤非线性系数、脉冲宽度等因素对连续谱的影响。 6 以脉冲宽度8 0 p s 的激光输出作为泵浦，通过两极放大器引入自发辐射 噪声，在7 0 m 高非线性p c f 中获得了通信波段的超连续谱。在实验中，观察到 了调制不稳定现象的出现，与第四章的理论分析很好地吻合。此外，还将光纤 拉曼激光器输出的连续光耦合入7 0 m 高非线性光子晶体光纤，在入纤功率为 4 1 4 w 时得到了1 4 5 0 1 6 5 0 n m 的光谱展宽，输出平均功率为2 w 。 7 使用脉宽为0 6 2 n s 的调q 固体激光器和2 0 m 光子晶体光纤，获得了 6 0 0 1 7 5 0 n m 的超宽带连续谱，分析了光谱展宽的机制并测量了连续谱的频域和 时域特性。利用上述宽带光源，测量了全固光子晶体光纤的带隙，并利用高双 折射环境滤波的方式获得了s + c + l 波段的多波长信号源。 关键词：光子晶体光纤、微结构光纤、b r a g g 光纤、稀土掺杂激光器、超 连续光谱、调制不稳定、非线性 a b s t r a c t a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ，a l s ok n o w na sm i c r o s t r u c t u r e do rh o l e yf i b e r s ，h a v e r e c e n t l yg e n e r a t e dg r e a ti n t e r e s ti nt h es c i e n t i f i cc o m m u n i t yt h a n k st ot h en e ww a y s p r o v i d e dt o c o n t r o la n dg u i d el i g h t a m o n gt h ev a r i e t i e so fn o v e lp c f b a s e d a p p a r a t u s ，r a r e e a r t hd o p e df i b e r l a s e ra n ds u p e r c o n t i n u u ml i g h ts o u r c ea r e r e l a t i v e l yr e p r e s e n t a t i v e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a p p l i c a t i o n s o fp c ft ot h ea b o v e m e n t i o n e df i e l d sa r et h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d f i r s t l y ，n e w o c c u r r e n c eo nr a r e e a r t hd o p e df i b e rl a s e ra n ds cg e n e r a t i o na r es u m m a r i z e dw i t h t h ef o c u sm a i n l yo np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s p r o p e r t i e so fb i r e f r i n g e n c ei nl a r g em o d e a r e ap c fa r es t u d i e dw i t haf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ：a sf o rp c fl a s e ra p p a r a t u s ，一+ d o p e d b r a g gf i b e rb a s e da m p l i f i e ra n dy b p c f l a r ed e m o n s t r a t e d t h el a s tp a r to f o u rw o r ki sc o n c e n t r a t e do nt h ep r o p a g a t i o no fq u a s i - c o n t i n u o u s c o n t i n u o u sw a v ei n p c fw i t hh i 曲n o n l i n e a r i t y , w h i c hi n c l u d i n gb o t ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e s t h ed e t a i l sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h eb a s i ci d e aa n da n a l y z i n gp r o c e s so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da r ed i s c u s s e d b ym e a n so ft h i sm e t h o d ，b i r e f r i n g e n c ei np c f w i t hal a r g em o d ea r e ai ss t u d i e da n d t w of i b e rd e s i g n sa r ep r o p o s e dt or e a l i z ef o r m i n d u c e db i r e f r i n g e n c e ：( 1 ) ad e s i g no f m i c r o s t r u c t u r ef i b e rc o n t a i n i n gs m a l lc i r c u l a ra i rh o l e si nt h ec e n t e ro ft h es o l i dc o r e i sp r o p o s e & a n di tc a nh a v es t r u c t u r e - i n d u c e db i r e f r i n g e n c ew i t ha no r d e ro f - 10 。4 w h i l s tal a r g em o d ea r e ao f10 0 肛n 2 ( 2 ) b yi n t r o d u c i n gt w ob i ga i rh o l e si nt h ef i b e r c l a d d i n gr e g i o na n das m a l le l l i p t i c a lh o l ei nt h ef i b e rc o r er e g i o na tt h es a m et i m e ， t h ec r o s ss e c t i o no ft h ef i b e rs h o w st w o f o l ds y m m e t r ya n dg r o u pb i r e f r i n g e n c eo f - 10 。4c a nb ea c h i e v e d t h e s ef i b e r sc a nb ea p p l i e dt og e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o no f h i g hp o w e r l a s e r 2 m o d a lp r o p e r t i e sa n dd i s p e r s i o np r o p e r t i e so fh i g h i n d e xc o r eb r a g gf i b e ra r e t h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e d i t sa p p l i c a t i o no nr a r e e a r t hd o p e df i b e rl a s e ra p p a r a t u si s a l s od i s c u s s e d u s i n gt h ea c t u a le p + - d o p e db r a g gf i b e r ，w ed e m o n s t r a t e daf i b e r a m p l i f i e ra n di n v e s t i g a t e di t sp r o p e r t i e so fg a i n r e s u l ts h o w si t h a v ep o t e n t i m i i i - a b s t r a c t a p p l i c a t i o ni na u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 3 ah i g hp o w e rc l a d d i n gp u m p e dy b + p c f lh a sb e e nd e m o n s t r a t e du s i n g f a b r y p e r o tc a v i t yc o n f i g u r a t i o n t h eh i g h e s to m p mp o w e ra n dt h es l o p ee f f i c i e n c y a r e11 6 9 wa n d8 7 ，r e s p e c t i v e l y i nt h el a t t e re x p e r i m e n t , ag a a sc r y s t a lw a s i n s e r t e di n t ot h ec a v i t ya c t i n ga sas a t u r a b l ea b s o r b e r p a s s i v eq - s w i t c h e dy b 3 十 p c f lw a sa c h i e v e dw i t hap u l s ew i d t hl e s st h a n9 0 n s 4 t h ef u n d a m e n t a l p r o p e r t i e s o ff i b e r n o n l i n e a r i t y a r e t h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e d 、析t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lf i b e r , t h e e n h a n c e m e n to ft h en o n l i n e a rc o e f f i c i e n ti np c fc a nb ec o n s i d e r e df r o mt w oa s p e c t s o n ei st h ed e c r e a s e dm o d ea r e ab e n e f i tf r o mt h el a r g ei n d e xd i f f e r e n c eb e t w e e n s i l i c aa n d a i r h o w e v e r , t h em o d ea r e ac a l ln o tb er e d u c e du n l i m i t e d l ya n dt h ee n e r g y w i l lp e n e t r a t ei n t ot h ea i rh o l e sw h e nt h ed i a m e t e ro ft h ec o r ei ss u f f i c i e n t l ys m a l l t h u sa n o t h e rw a yf o rn o n l i n e a r i t ye n h a n c e m e n ti sd i s c u s s e d ，a n dp c f 埘m g e - d o p e dc o r ei ss t u d i e di nd e t a i l s 5 b a s e do nt h en l s ea n ds p l i t s t e pf o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o d ，t h e p r o p a g a t i o no fl o n gp u l s ei np c f w i 廿1l o wp e a kp o w e ri ss i m u l a t e d w h i c hs h o w s t h a tt h em o d u l a t i o n i n s t a b i l i t y d e r i v e df r o ms p md o m i n a t e st h e s p e c t r u m b r o a d e n i n g i nt h ea n o m a l o u sd i s p e r s i o nr e g i o n ，w h i t en o i s ec a nb ei n t r o d u c e da st h e m ip r o b ef o rs p e e d i n gu pt h eb r e a ko ft h el o n gp u l s e t h u su n o r d e r l yu l t r a - s h o r t p u l s e sc o m ei n t ob e i n ga n di t sf u r t h e rp r o p a g a t i o ni np c fr e s u l ti ns cg e n e r a t i o n t h ea f f e c t i o no fp e a kp o w e r , f i b e rn o n l i n e a rc o e f f i c i e n ta n dp u l s ew i d t ho ns c s p e c t r u ma r ea l s oi n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y 6 p u m p i n g7 0 ml o n gp c f 谢t l la n8 0 p sp u l s eo m p m ，s cg e n e r a t i o nc o v e r i n g c o m m u n i c a t i o nw i n d o w si sd e m o n s t r a t e d i nt h ee x p e r i m e n t ，t w oo r d e r so fa m p l i f i e r a r eu s e da st h en o i s es o u r c ea n dm ii so b s e r v e d i ti si ng o o da g r e e m e n tw i mt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s i na n o t h e re x p e r i m e n t ，t h ec o n t i n u o u sw a v ef r o mar a l t l a nf i b e r l a s e ri su s e dt op u m pt h es a m ep c f , s cg e n e r a t i o nw i t hh i g ha v e r a g ep o w e ri s a c q u i r e dw i t h i naw a v e l e n g t hr a n g eo f1 4 5 0 - 1 6 5 0 n m 7 t h eo u t p u to fa nn d ”d o p e dq s w i t c h e dl a s e rw i t hh i g hp e a kp o w e ri s l u n c h e di n t oa2 0 mp c ff o rs cg e n e r a t i o n p r o p e r t i e so fs cb o t hi nf r e q u e n c y d o m a i na n dt i m ed o m a i na r em e a s u r e da n da n a l y z e d b yu s eo ft h eu l t r aw i d es c - 垒空! ! 坚塑 l i g h ts o u r c e ，w em e a s u r e dt h eb a n dg a pm a po fa l la 1 1 s o l i dp b gf i b e r a n di tc a n a l s ob eu s e df o rp r o v i d i n gm u l t i w a v e l e n g t hs i g n a l sb ym e a n so ff i l t e r i n g k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , m i c r o s t r u c t u r ef i b e r , b r a g gf i b e r , r a r e e a r t h d o p e df i b e rl a s e r , s u p e r c o n t i n u u mg e n e r a t i o n , m o d u l a t i o ni n s t a b i l i t y , n o n l i n e a r v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各 项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论 文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为 目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 切移青占豸 加矽年岁月纺e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 切确巧 妙孑年岁月诏e l 第一章绪论 第一章绪论 光纤作为光通讯的基础载体，其爆炸性发展始于二十世纪七十年代。时至 今日，光纤已经不再单纯以一个细小圆柱玻璃的形式展现在人类面前，其构成 材料和结构形式越来越多样化。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 ) ， 又称多孔光纤( h o l e yf i b e r ) 或微结构光纤( m i c r o s t r u c t u r ef i b e r ) ，以其独特的 光学特性和灵活的设计吸引了学术界和产业界的广泛关注，成为光纤光学研究 领域的一个新亮点。本章概括介绍了光子晶体光纤的发展、制作技术、光学特 性以及应用领域，并说明了本论文的选题意义、研究内容和创新点。 第一节光子晶体光纤的发展 光纤作为光信号的物理传输媒质，不仅广泛地应用在通信领域，还在医学 诊断、汽车自控、工业加工、照明、传感等领域有着重要的应用。随着高新技 术的不断发展和生产力的不断提高，科技进步对现有光纤提出了更高的要求， 光子晶体光纤正是基于光子晶体思想发展起来的下一代光纤技术。在外观上， 它与传统的单模光纤非常相似，但在微观上却表现出复杂的孔阵结构。正是这 些结构特点，赋予了光子晶体光纤独特的性能，使得其在光传输和光器件的应 用领域中表现出许多诱人之处。 1 1 1 光子晶体光纤的基本概念和分类 1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 在研究抑制自发辐射时，提出了光子晶体的概念【l 】。 几乎同时，s j o h n 在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念【2 】。光子晶体是指 折射率在空间周期性变化的介电结构，其变化周期和光的波长为同一数量级。 在光子晶体中，由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变 化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波经散射后，某 些波段的电磁波强度呈指数衰减，无法在系统内传递。这些被禁止的频率区间 称为光子带隙( p h o t o n i cb a n dg a p ，p b g ) ，频率落在禁带中的光是被严格禁止传 播的。如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方 1 第章绪论 向；如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙。 光子晶体虽然是个新名词，但在自然界中却早就存在天然的光子晶体结构， 比如蛋白石的表面、蝴蝶的翅膀以及吉丁虫的身体表面等，电子显微镜揭示它 们由一些周期性微结构组成，见图11 。它们之所以可以呈现美丽的色彩，正是 由于在不同的方向上，有不同频率的光被散射和透射。然而，这些天然物质并 不具有绝对带隙。虽然只有完美的光子晶体才可能拥有绝对能隙，但从应用的 角度来看，科学家们似乎对不完美的光子晶体更感兴趣。在二维或三维的光子 晶体中加入或移去一些介电物质以产生杂质态或缺陷态，那么在原来作为“禁区” 的能隙中可以获得一线生机”，这为引导电磁波提供了可能，光子晶体光纤正是 二维缺陷态光子晶体的重要应用之一。 图ii 两种天然光子晶体的实物与微观图 1 9 9 2 年，英国b a t h 大学的r u s s e l l 等人首次提出了光子晶体光纤的概念。 它是在纤芯周围沿着轴向规则排列着微小空气孔，光纤的纤芯由一个破坏包层 周期性的缺陷构成，这个缺陷可以是大的空气孔或实心的石英。这样从光纤的 端面看，存在周期性的二维光子晶体结构，并且在光纤的中心有缺陷态，光便 可以沿着缺陷态在光纤中传输。1 9 9 6 年，k n i g h t 等人采用毛细管堆砌的方法首 次制造了具有光子晶体包层的光子晶体光纤【3 】。该光纤以未经掺杂的石英玻璃作 为基底材料，包层空气孔呈三角形栅格周期分布，在纤芯处通过缺失一个空气 孔引入缺陷。虽然光被局限在石英纤芯中传导，但是进一步的研究表明，这种 光纤不存在光子带隙，包层中存在的空气孔使包层的有效折射率低于纤芯，从 而形成类似于普通光纤的传导机制，称为改进的全内反射机制( m o d i f i e dt o t a l i n t e r n a lr e f l e c t i o n ，m t i r ) 。虽然此类光纤中不存在光子带隙效应，并不是真正 意义上的光于晶体光纤，却表现出普通光纤所不具备的奇异特性，比如无截止 单模传输特性i ，灵活设计的色散特性m7 i ，增强的数值孔径特性口9 峰。而且 由于其包层结构不受完美周期性的制约，大大增加了这类光纤的可设计性，也 第一章绪论 降低了对制作工艺的要求。因此，随着研究工作的不断深入，逐渐发展成为光 子晶体光纤中重要的一类，即折射率引导型光子晶体光纤。在随后的报道中， 各种类型的折射率引导光子晶体光纤被设计和制作出来，并得到了广泛的应用 1 0 - 2 9 1， o 另一类重要的光子晶体光纤则是真正利用带隙效应导光的光纤，称为带隙 型光子晶体光纤。1 9 9 8 年，r u s s e l l 研究小组的k n i g h t 等人又首先报道了蜂窝包 层结构的光子带隙光纤 3 0 】。这种光纤包层中的空气孔呈蜂窝型结构排列，纤芯 处引入一个额外的气孔形成低折射率纤芯。但是，在早期研究中，由于包层空 气填充率较低，被带隙效应限制的光集中在纤芯空气孔周围呈环形分布。由于 不易与其它器件耦合，所以并没有得到广泛应用。次年，c r e g a n 等人实现了第 一根真正在空气中导光的带隙光子晶体光纤，这在光子晶体光纤的发展史上具 有重要的意义【3 1 1 。2 0 0 1 年，报道的最长样品仅1 5 m ，衰减高达1 0 0 0 d b k m 3 2 1 。此 后，科研人员将很大一部分精力放到如何减小光纤损耗上来。在研究过程中， 人们发现，增大占空比和工作波长都可以有效地减小光纤的损耗。到2 0 0 5 年，一 种1 9 芯的带隙光纤在1 6 2 0 n m 处损耗已降至1 2 d b k m t 3 3 】。最近b l a z ep h o t o n i c s 公司又制造出在1 5 5 0 n m 处损耗接近l d b k m 的带隙型光子晶体光纤【3 4 】。在带 隙型光纤中，光被局限在空气芯中传播，不受硅芯光纤中本征吸收和瑞利散射的 影响，理论上应当具有非常小的损耗。而光在气体芯中传播可以大大减小光纤 的非线性，从而提高拉曼散射、布里渊散射和色心效应等非线性效应的激发阈 值，使它在能量传输和避免非线性效应方面具有很大的应用潜力。值得一提的 是，当折射率引导型光子晶体光纤中空气孔填充材料的折射率大于基底材料的 折射率时，光纤的导光机制可发生变化，实现从全内反射到带隙导光的转变【3 5 1 。 这也为我们研究非空气纤芯的带隙光子晶体光纤提供了一种思路。2 0 0 5 年， a r g y r o s 等人利用掺锗的石英棒代替三角形包层结构中的空气孔，研制了低折射 率对比度的全固体光子带隙光纤m 3 ，使全固光子晶体光纤的发展又踏出了新的 一步。 1 1 2 光子晶体光纤的制备 光纤的制备是影响光子晶体光纤实用化进程的重要因素。最早的光子晶体 光纤是采用堆砌法( s t a c ka n dd r a w ) 制造的，这也是目前比较常用的方法【3 1 。 第章绪论 该方法一般包括两个步骤：首先是完成预制棒的设计和制作，预制棒里己包含 想要得到的结构；然后将预制棒放在光纤拉制塔中，利用普通光纤的拉制方法 在更精密的温度和速度控制下来拉制成符合要求的光子晶体光纤。圈12 简单介 绍了光子晶体光纤的典型拉制过程。由于在堆砌过程中毛细管和石英捧的排 列方式可以灵活选择，也可以掺入其他离子，所以可以很方便地制造出各种结 构的光子晶体光纤p ”。需要注意的是，炉子温度、拉制速度、堆积时的紧密度 和排布均匀性等都可能对最终的光纤结构产生严重的影响因此在拉制过程中， 需要不断地根据光纤的结构来调整拉制温度和拉制速度，直到结构稳定。 图12 堆砌法拉制光子晶体光纤过程示意图 值得关注的还有其他一些预制棒的制作方法，例如b i s e 等人采用溶胶一凝胶 铸造的方法制造了带隙光子晶体光纤p 8 】；对于软玻璃材料可以采用直接冲压成 形的技术”；对聚合物材料利用堆叠、冲压和钻孔的方法构造预制棒m l ；或在 石英玻璃中插入可腐蚀的玻璃材料构造预制棒待成型之后利用酸腐蚀掉不需 要的部分形成气孔峰。在研究工作开展过程中，科学工作者也试图将这种微 结构扩展到其他材料的应用中去。比如化合物玻璃材料、硫化物玻璃、卤化物 玻璃和重金属氧化物玻璃等【| “。虽然化合物玻璃具有很大的应用潜力，但是鉴 于损耗还维持在较高水平，因此并未得到广泛应用。此外，还可以使用聚合物 材料制作光子晶体光纤。与石英光纤相比，这种光纤的制造更加容易，结构设 匍誊 第一章绪论 计更加灵活，成本和制作工艺也相对较低。目前，用聚合物材料制作的单模、 高双折射、多芯等光子晶体光纤都已有报道【4 3 1 。 经过多年的理论研究和制备工艺的不断改进，折射率型光子晶体光纤的损 耗已经降低到传统光纤同一数量级上，带隙光纤的损耗也在不断降低之中，有 些已可以达到1 2 d b k r n l 3 3 1 。随着时间的推移，更多类型的光子晶体光纤已走出 实验室研究阶段实现产业化。世界领先的光子晶体光纤产品商业化公司丹 麦c r y s t a lf i b e r a s 一直致力于新型光子晶体光纤产品的开发。其中，高非线性 光子晶体光纤、大模场区域光子晶体光纤、带隙光纤以及双包层掺杂光子晶体 光纤等都已具有各种参数的产品。在国内，燕山大学侯蓝田教授领导小组率先 开展了光子晶体光纤拉制方面的研究；近年来，武汉邮电科学院烽火集团公司， 中国电子科技集团4 6 所等单位也在此方面取得了很好的进展 4 4 ，4 5 1 。 第二节光子晶体光纤的特性 光子晶体光纤设计自由度很多，如气孔的大小、形状和排列、缺陷的结构 和大小等，可以根据需要设计光纤的传输性能。与传统光纤相比，光子晶体光 纤具有许多优越的特性，归纳如下： 1 宽带单模传导 传统的阶跃折射率光纤都存在着一个截止波长，只有波长大于此截止波长 的光波才能在光纤中实现单模传输，而波长小于此截止波长的光波在光纤中为 多模传输。与普通光纤不同的是，在光子晶体光纤中，包层有效折射率不是包 层材料折射率简单的平均，而是强烈依赖于波长。随着波长的减小，分布在空 气洞中的场能量减少，从而增大了包层的有效折射率，纤芯和包层的有效折射 率差就相对减小，从而使归一化参量y 参量接近一个常数。可以看出，当空气 填充率足够小时，有效归一化频率矿始终低于产生多模的临界值，从而保证光 子晶体光纤宽带的单模传导。对于首次报道的三角形栅格光子晶体光纤，在3 3 7 n l i l 到15 5 0n l l l 的波长范围内都是单模传输，也就是所谓的无截止单模特性【3 1 。 更重要的一点是，光子晶体光纤的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸 无关，即当放大结构尺寸时，光纤仍可保持单模传输，这就提供了一条实现大 模面积光纤的途径。目前光子晶体光纤的模式面积已经可以达到普通光纤的十 倍以上，这对于降低纤芯中传输功率密度、减小非线性效应具有重要的作用。 第一章绪论 2 可控的色散 色散是光纤最重要的参数之一，会直接导致光脉冲的展宽，限制光通讯速 率的进一步提高。因此，色散管理一直都是光通讯领域中主要的研究内容之一。 不仅如此，色散还直接影响到光纤中的其他效应，如孤子传输、超短脉冲产生 和谐波的获得等。 在普通光纤中，色散主要由石英的材料色散决定，通常只有在1 3 0 0 n m 以上 的区域才能出现反常色散。与传统光纤不同，光子晶体光纤由于包层的空气孔 结构使得纤芯和包层的折射率之差增大，从而极大地增强了波导色散的作用， 使得波导色散可以为反常色散。因而，光子晶体光纤的零色散点可以小于传统 光纤的零色散波长，甚至可以移至可见光范卧4 6 1 。而且，通过改变光子晶体光 纤的截面结构，可以灵活地设计不同的色散曲线。目前已经研制出具有不同色 散特性的折射率传导型光子晶体光纤，如零色散点位于可见光区域【4 6 1 、具有超 平坦色散1 4 7 5 1 】、大的负色散的光子晶体光纤。 带隙型光子晶体光纤具有更加特殊的色散性质，除了其很小的材料色散之 外，其波导色散与光子带隙效应密切相关。常见光子带隙光纤的色散曲线的零 色散点出现在带隙的中部偏向短波一方，并且在带隙的短波边界，呈现大的负 色散；而在长波边界，则呈现大的正色散【5 3 1 。这种色散效应可以用于获得非常 低的群速度、色散补偿和光信号的色散解复用等方面。 3 增强或减弱的非线性 在折射率传导光子晶体光纤中，光场主要分布在石英构成的纤芯中，因此 其非线性效应的产生机制与普通光纤类似。尽管折射率传导光子晶体光纤与普 通光纤具有相同的非线性介质，但是却可以从中观察到比普通光纤更强的非线 性效应，这主要归于它的两个特殊性质：小模场面积和可设计的色散曲线。 对于普通单模光纤，模场面积在1 0 1 0 0 a m 2 范围内变化，而光子晶体光纤的 有效模场面积能低于3 l a i n 2 t 1 0 】，从而获得比普通光纤更高的非线性系划5 4 1 。这就 意味着在高非线性光子晶体光纤中，只需要更短的光纤长度，就可以获得同普 通光纤相同的非线性效剧”】。此外，还可以在气孔中装载气体，或低折射率液 体，从而使光子晶体光纤具有可控制的非线性。 在空气芯带隙传导光子晶体光纤中，光被限制在空气中传播，而空气的非 线性效应比石英低3 个数量级，因此可以在这种光纤中实现高功率低非线性的 传导。利用这一性质，o u z o u n o v 等人在充入氙气的光子禁带光纤中实现了峰值 第一章绪论 功率为5 5m w 的孤子脉冲传掣5 6 1 。而如果在带隙光纤的空气纤芯中充入特殊气 体，则可以观察到受激拉曼散射【5 7 1 、四波混频和高次谐波等以前很难观察到的 气体非线性现象1 5 引。 4 优良的双折射效应 在一些应用中，为了避免随机双折射导致光纤中光的偏振方向的改变，通 常在光纤中人为引入高双折射，使那些随机双折射不会对光的偏振方向产生显 著影响，这种光纤称为保偏光纤【2 6 2 7 1 。对于折射率型光子晶体光纤，很容易通 过光纤截面结构的不对称而制成比普通保偏光纤高几个量级的高双折射光子晶 体光纤【2 6 ，5 9 。实验证明，这种不对称结构的p c f 对压力和应变的灵敏度比普通 双折射光纤要明显提耐6 0 】。通过设计空气孔的排列方式，还可以在光子晶体光 纤中实现真正的单模传导，也就是说两个正交基模只有一个可以在光纤中传导 【6 卜6 3 1 。此外，如果在光子晶体光纤的空气孔中填入对温度或电场等物理量敏感 的介质( 如聚合物) ，通过控制外界施加的电场或者温度来调节填充在空气孔中 聚合物的折射率，还能够制造出可调谐的高双折射p c f 光纠3 5 , 6 4 - 6 6 】。 5 有源特性 光子晶体光纤具有的大模式面积及无截止单模特性，尤其是零色散波长可 调等特性，为在1 3 1 j x n 以下波段实现高功率、高光束质量输出的单模光纤激光 器提供了有效载体。在纤芯中掺入稀土元素，并与包层泵浦技术结合，可以避 免高功率激光器中由于高功率和放大自发辐射所产生的非线性效应和效率降 低，并提高泵浦光的耦合效率。2 0 0 1 年1 2 月南安普顿大学的f r u s a w a 等人报道 了第一个包层泵浦掺镱双包层晶体光纤激光器【6 7 】。同传统的采用聚合物外包层 双包层光纤相比，这种光纤具有更大的内包层数值孔径和好的泵浦模式混合， 在保证激光单模传输的前提下可以获得更大的模场面积。目前，c r y s t a lf i b e ra s 公司已经开发出掺n 3 + 、n d 3 + 、e r a + 、e r a 7 n 3 + 的双包层光子晶体光纤。 6 易于实现多芯传输 多芯传输有以下两个优点：一是可以提高信道通信的容量，二是可以解决 单芯难以胜任的复杂通信网络、矢量弯曲传感、光纤耦合等问题。利用传统光 纤工艺很难制造出双芯或者多芯的光纤，但是对于堆积法制造的光子晶体光纤， 只需调整预制棒的结构参数与叠放就能得到所需结构与尺寸的光纤，设计自由 度非常大。与单芯光纤的制作相比，工艺上的区别不大，而且芯与芯之间的距 离也比较容易控制。各个芯可以被精确定位于任何位置，还可以按照想要得到 第一章绪论 的构型排列。 正是由于光子晶体光纤所具备的优秀特质，使其在新型光纤器件领域表现 出巨大的应用潜力，主要有光子晶体光纤光栅2 1 ，2 3 , 6 8 罐1 1 ，基于p c f 的方向耦合 器【8 2 - 8 7 1 、光开关 8 8 - 9 0 】，光子晶体光纤r a m a l l 放大器【9 l 】，光子晶体光纤参量放大 器与波长转换器【9 2 ，9 3 1 ，稀土掺杂p c f 激光器和放大器【1 7 ，2 0 ，6 7 ，蚓以及基于光子 晶体光纤的超连续光源 2 9 , 4 4 , 9 7 - 1 3 刀等。 第三节光子晶体光纤在新型光纤器件方面的应用 光子晶体光纤起源于光子带隙思想，却又随着不断发展而高于带隙理论。 时至今日，它正以极快的速度影响现代科学的多个领域，在光波传输与控制、 光信息操作与处理以及新型光纤器件等领域都具有重要应用。在基于p c f 的众 多新型光纤器件之中，目前最见成效的一是制作稀土掺杂p c f 应用于高功率激 光的产生和传输，再者就是利用小模场面积p c f 的高非线性和可设计的光纤色 散，实现超宽带的连续光源。结合本论文的研究内容，本节重点讨论了光子晶 体光纤在这两方面的应用。 1 3 1 稀土掺杂光子晶体光纤激光器 根据光纤在激光器中的作用不同，可以将基于p c f 的激光器分为两类：一 类是以p c f 作为增益介质的光纤激光器，如稀土掺杂p c f l ；另一类激光器中， p c f 不作为增益介质，而是利用其独特的性质来实现一些特殊的用途，如可以 利用高非线性p c f 进行室温下的多波长稳定或利用光子带隙光纤抑制特定波段 的自发辐射等。 对于p c f 做增益介质的激光器，又可以根据增益原理的不同分为两类：一 类是采用有源介质，利用受激辐射机制实现光的直接放大，例如在光纤的石英 基质中掺入少量的e r 3 + 、y b 3 + 等稀土离子，用来制作稀土掺杂的光纤激光器；另 一类是利用p c f 的非线性效应作为增益实现光的放大，比如拉曼激光器、布里 渊激光器等。对于前者，可以利用光子晶体光纤的宽带单模传导且与绝对尺寸 无关这一特性，设计具有大模场面积的稀土掺杂光纤用于激光器领域，以减小 增益光纤的长度和降低非线性效应，实现高功率、高光束质量的激光输出。并 第一章绪论 且，可以把包层泵浦的概念移植到光子晶体光纤中，利用大而密的空气孔作为 光纤外包层来增大内包层的数值孔径1 7 ，2 0 , 6 7 , 9 4 , 9 5 1 。不但使泵浦光耦合更容易， 还可以增加纤芯和内包层的面积比，大大改善对泵浦光的吸收效率。而对于具 有普通模场面积的掺稀土光子晶体光纤，由于更好的限光能力，可以在很大程 度上降低泵浦功率，用以实现低阈值、低泵浦功率的高效激光器件【1 7 】。 由于掺镱光纤激光器具有极高的量子效率