（电路与系统专业论文）微结构光纤色散特性的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

舞要 摘要 本文主要研究微缭掏光纤的色散特性 包括数值模拟和突验测量 分 绥了光予鑫薅竞纾瓣三琴争色羧褥毪 憨缭了嚣 i 蓍光子鑫俸煮纾琵箴特注兹 嶷验测量方法 提蹴了徽结构光纤的色散测量方案 搭建了宓验装置 测 檄了两种微结构光纤的色散值 利用微结构光纤的背散射现象 验证了微 结构光纤内的光子局域化程度 现摘要如下 介绍传统通信光绛的色散特性及测试方法 并重点介缨汽子鑫体光纤 瓣三耱色鼗特注 氇聚短滚长兹零色教 遥零超平遣色教彝丈受色教 慧 结现有的光子晶俸光秤的色散实验铡萤方法 包括光谱调制法 于涉法和 飞秒脉冲延迟法 利用基于多极法的数值模拟软件包对光子晶体光纤色散特性进行数值 模拟和分奉斤 发现通道改变包层空气孔赢裰瓣空气孔闻e 卧可以有效地调 繁巍子曩蕊竞缍豹惫敬褥牲 著且缛至l 畿予鑫薅竞纾戆三耱魏激特瞧夔走 纾结构交纯丽变化的溉律 提出基于迈克耳逊干涉仪的干涉法测鬣微结构光纤的实骏方案 在现 脊实验基础上搭建实验平台 测量课题组囱行拉制的两种微结构光纤 得 到一系列的干涉谱图 然后通过傅立叶变换帮分析计算得到光纤的群速度 後教恁秘龟鼓参数镶移 实验研究徽结孝句光纤的相干背散射璐象 在可见光范毯内得到光纤的 背散射相干图 计算背散射相干角 证明了微结构光纤内存谯光子局域化 现糠 美键 霉徽续擒巍纾 蠢予曩体竞野 毪簸 多极法 光子鼹蠛纯 黄毅鼓 燕山大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ed i s p e r s i o np r o p e r t i e so f m i c r o s t r u c t u r e sf i b e r m s f a r es t u d i e di nt h i s p a p e ri n c l u d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t t h r e e k i n d so fd i s p e r s i o np r o p e r t i e so fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r p c na r ei n t r o d u c e d t h em e t h o d so fe x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tf o rp c fa r es u m m e du p t h e s c h e m et om e a s u r et h em s f si sp r o p o s e d w eh a v es e tu pt h ee x p e r i m e n t a l a r r a n g e m e n ta n dm e a s u r e dt w ok i n d so fm s f sw h i c ha r ef a b r i c a t e db yu s b a s e do nt h eb a c k s c a t t e r i n gp h e n o m e n o no fm s f w ev a l i d a t et h a tt h e r ei s l o c a l i z a t i o np h e n o m e n o ni nm s ef o l l o w i n ga r et h em a i nw o r k so ft h i s d i s s e r t a t i o n t h ed i s p e r s i o np r o p e r t i e sa n dm e a s u r e m e n to ft r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o n f i b e ra r ei n t r o d u c e d t h et h r e ed i s p e r s i o np r o p e r t i e so fp c fa r es t u d i e d i n c l u d i n gs h o r t w a v ez e r od i s p e r s i o n n e a r l yz e r ou l t r a f l a t t e nd i s p e r s i o na n d h i g hn e g a t i v ed i s p e r s i o n t h em e t h o d st om e a s u r et h ed i s p e r s i o np a r a m e t e r sa r e s u m m a r i z e di n c l u d i n gs p e c t r a lm o d u l a t i o nm e t h o d i n t e r f e r o m e t r ya n df e m t o s e c o n dp u l s e d e l a ym e t h o d u s i n go ft h es o f t w a r ep a c k a g eb a s i n go nt h em u k i p o l em e t h o dw eh a v e s i m u l a t e da n da n a l y z e dt h ed i s p e r s i o np r o p e r t i e so fp c ei ti sf o u n d e dt h a tt h e d i s p e r s i o np r o p e r t i e so f p c fc a nb em o d u l a t e de f f e c t i v e l yb yc h a n g i n gt h ep i t c h aa n dt h ea i rh o l es i z edi np c f sc l a d d i n g t h el a wo f t h ed i s p e r s i o np r o p e r t y c h a n g ew i t ht h ep c f ss t r u c t u r ei sa l s oo b t a i n e d w eh a v ep r o p o s e dt h es c h e m et om e a s u r et h em s f sd i s p e r s i o np a r a m e t e r b a s e do nt h em i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e ra n ds e tu pt h ee x p e r i m e n t a la r r a n g e m e n t b ym e a s u r i n gt w ok i n d so fm s fw h i c ha r ef a b r i c a t e db yu s w eg e tt h e i n t e r f e r e n c ep a t t e r n s t h r o u g ht h ef o u r m rt r a n s f o r m w eo b t a i nt h eg r o u p v e l o c i t yd i s p e r s i o n 尼a n dd i s p e r s i o np a r a m e t e rd o f m s f s t h er e l e v a n tb a c k s c a t t e r i n gp h e n o m e n o no f m s f si se x p e r i m e n t a ls t u d i e d a b s t r a c t o nt h er a n g eo fv i s i b l el i g h t w eg e tt h er e l e v a n ts p e c t r u ma n dt h e ng e tt h e r e l e v a n ta n g l eo fb a c ks c a t t e r i n g i ti sv a l i d a t e dt h a tt h e r ei sl o c a l i z a t i o n p h e n o m e n o ni nm s f s k e y w o r d sm i c r o s t r u c t u r ef i b e r s p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s c h r o m a t i cd i s p e r s i o n m u l t i p o l em e t h o d p h o t o nl o c a l i z a t i o n b a c ks c a t t e r i n g l n 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 微结构光纤色散特性的 研究 是本人在导师指导下 在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果 对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签字痞赦萄日期 2 c d 6 年钥为日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 微结构光纤色散特性的研究 系本人在燕山大学攻读硕士学位期间 在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归燕山大学所有 本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员 本人完全了解 燕山大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门送 交论文的复印件和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授权燕山大学 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论文的全部或部 分内容 保密口 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密回 请在以上相应方框内打 4 作者签名 鸯秋药日期 勘 6 4 月 s h 导师签名 日黔 铸每月巧日 第 章绪论 第1 章绪论 光予晶体光纤 p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r p c f 作为一个新生事物 鉴于其 其有很多传统毙纡所无法比叛的特点 吸弓 了世器各国研究枫构和大学的 关注 逡凡年成为竞逶售矮域瓣一个磅交熬点 1 1 选题的背景和意义 光纤通信系统是利用光纤作为传输介质进行信息传输的光波系统 8 0 年代以求在全球得到了广泛的应翅 著使通信领域发生了巨大的变化 是 售意露代黪主要蘩痿墓臻鑫之一 毫售圈嚣蘩歪秀戆舞下一代可簿续发疑懿 方向笈聪 构筑具有巨大传输容量的光纾基础设施是发展下一代嘲络的物 理基础 然而传统的光纤通信系统中 常规光纤由于色散 非线性及损耗 三大因索的限制在适应超商速 长距离传输方筒己显得力不从心 开发新 型光纤己成为开发下一代嬲络基礁设施的重要谖题之一 曩藏 光子鑫露光纾纛簿爨犊耗等瑟蠢实翊佬的磅究孛已经淑褥重要 成果 2 0 0 3 年o f c 会议上 瞬本n t t 公司接入网业务系统实验室研镧的单 模p c f 在l5 5 0n l t l 波长处损耗为0 3 7d b k m l 色散值为7 6p s k m 1 n m 1 零 色散波长为9 5 0n n l 成功地进行了8 波长波分复用系统的传输试验 每波长 速率为1 0g b s 传输距离1 0k m 主要创新为改谶了抛光和腐蚀技术 使微 孔表瑟爨精度濒造藏懿褒誊l 数瓣太蠢壤 l 这梵p c f 穆来霉予长途透信镶乎 了道路 稠餍光子晶体光纾静优异性麓 如短波长零色散 大模谳较 高 非线性镣融研制出新型光纤器件 包括光纤激光器 放大器 光开关 滤 波器 波长变换器 孤予发嫩器等 随着光予晶体光纤研究的进一步深入 和制作工芑的成熟 它很裔w 雏成为未来传输潮光纡帮许多光器 牛的核心 部分 竞予爨傣竞纾薅以饕潺擎摸蠢纾不其套鹣特睦为毙纾应蠲豢采毅鼹 变革 随蒋对光子晶体光纤研究的不断深入 已经研究出了光纤所熙肖的传 输特性 色散特性 非线性 双折射等 并且对光子晶体光纤各种数值模 燕由大譬工学硕士掌健沦 文 数方法也f l 趋完善 假楚 所有的理论计棼都存在着一些阀题和限制 并 且理论方面的研究最终还是要归于实验驶证才能充分表明其正确性 一旦 能够建立起一套针对光予晶体光纤的测试系统 就可以为实际制备所需性 熊的光子晶体光纤提供实时的理论参数 就麓够侠速丽准确敬对所制各的 巍孑爨俸光绎戆特蝗遴褥分撰 逮弱瑾论与实验穗缝台懿嚣瓣 由于光子晶体光野的拉案 还正处于实验室阶段 萁性能 结构还没有 形成标准 且其性能与传统光纤有很大的熬异 所以传统通信光纤的测试 方法不能用来测量光子晶体光纤 目前关于光予晶体光纤的实验测试的文 献报道只有国外的几篇 国内还没有关子色散测量的报道 瓣蘧对光子曩钵党纾豹健麓溅试显褥戈为重要 本文藏怒在筵理蠢下 鼹稽的 1 2 光子晶体光纤的概述 光子最体光纤的檄念最早f l j s t j ir u s s e l l 等人于1 9 9 2 年提出 光子晶体 必经是在石英光纾中渗辘舞均匀舞 歹l 毒奎气魏 获竞绎端嚣蓉 存在躅麓 瞧静二维结构 懿栗冀中一个孔遭到破坏鞫缺失 煲 j 会出现缺陷 光能够 在缺陷内传播 1 2 1 光子晶体的概述 1 9 8 7 年y a b n o l o 谴 在讨论熟鹰棼裁鑫发疆鼓时箍出了毙孑鑫体这一 辨溉念 几乎同时 j o h n 2 j 在讨论光子弱域纯时也独立提出 鲡采将不同介 电常数的介电材料构成周期结构 电磁波农葳中传播时由于布拙格散射作 用 电磁波会受到调制而形成能带结构 这种能带结构叫做光予能带 p h o t o n i eb a n d 光予能带之间可能出现带隙 即光子带隙 p h o t o n i cb a n d g a p p b g 其有龙子豢敬豹周簸性分电缝褥烫竞予晶体 p h o t o n i cc r y s t a l s p c 固体物理中许多概念都可用在光子晶体上 如倒格子 布凰渊区 色 散哭系 b l o c h 函数等 由于周期性 对光予也可以定义有效质嫩 不过需 要指出的是光子晶体与常规的晶体 从某种意义上来说叫做电子鼹体 有相 2 第 章绪论 同的地方 也有本质的不同 如光子服从的是m a x w e l l 方程 电予服从的是 薛定谔方程 光子波是矢量波 而电子波憋标量波 电子是自旋为1 2 的费 米予 光子是自旋为1 的玻色子 电子之间材很强的相互作用 而光子之间 没窝 竞予鑫矮最援零鹣蒋援是其毒瓷予畿溅 菝率落在禁繁中豹光是禳禁 止传播的 如果材料只谯一个方向上其裔周期结构 光子禁带只能出现在 这个方向上 称为一维 o n e d i m e n s i o n i d 光子晶体 如已被广泛研究应用 的多层膜结构 m u l t i l a y e r f i l m s 频率落入禁带的光只能在垂崴于这一方向 的平磷内传播 如果存在三维盼周期结构 就有可能出现全方向的光子禁 繁 落入禁萤中戆煮程馁露方逡露被禁杰健l 莲 螽暴薅秘鬟蠢二缝羯麓筵 稳戏当瘸期性完善的光予晶体中出现线缺麓时 光子带陈中就产生局域模 频率处于禁带中的光波就只能沿着二维周期结构的第三个方向绒线状缺陷 的方向传输 且允许出现大于直角的光路弯曲 根据这种原理就可以制成 不阍于传统全内反射光纾的光子晶体光纤 1 2 2 光子磊傣炙纤豹霉先撬瑾及分类 p c f 的导光机制埘以不严格地分为两种 一种是采用改谶的全反射 m o d i f i e dt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n 型 j p c f l n8 1 其导光机制类似于纤芯为高折 射攀材料的传统通信光纤 称为折射率引罨型p c f o l e j i a c t i v ei n d e x g u i d e p c f r g p c f 其中空气琵懿终蘑是减 l 镰矮区域懿有效叛瓣搴 霆瑟爱 够恕光限期在骞亍莉率较离的实心纾芯中 辑簿于率g 导垒光纾辩穗层结构的 精密性和完整性要求不严格 同时也不要求窄气孔的直径很大 不依赖于 光予禁带 其缺陷折射帮高于周围多孔介质的折射率 这种光纤制备较容 易 也是近年来的研究热点 另一种是光予带隙型p c f p h o t o r t i eb a n dg a p p c f p b g p c f 3 8 1 溺麓瞧撵列戆毽瑟络襁产生笼子豢骧 落程光子豢骧 中静频率不能在包罄中传播 纾苍属于蠲潮瞧结梅中的低雾予辩率缺貉 在 这个缺陷中存在一个局城化模 因而在其中可以传播准确的属于这个局域 化模频率的光子 由于缺陷处的折射率低予周围介质折射率 隳求多孔包 层具有光子禁带结构才能确保是好的传光饿 因此这种光纤对周期性结构 3 燕矗l 太学工学疆士譬像论文 要求比较高 制备难度阮较大 图1 1 所示为本课题组制备的两种光纤的横 截颟图 其中图1 1 a 为折射率引导型光予晶体光纤 图1 1 b 为光子带隙 型光予晶体光纤 汹辑封率 导登必予鑫俸是纾 幻毙子豢藩整党予麓体先纾 a r e f r a c t i v ei n d e x g u i d ep c f b p h o l o n i cb a n d g a pp c f 圈1 1 两种类型的光予晶体光纤 f i g 1 1t w o k i n d so f p c f 1 3 光子晶体光绥色散特性的计算糯实验测量 嚣前关于光予鑫俗汽纾的数煎模拟方法的研究已经很完善 关于实验 测墩的报道还很少 下谢介绍光子晶体光纤的色散特性的计算和测量方法 1 3 l 色散特性的计算 传撵模式窝色数黪谯是徽缮褥光纾中影嗨蠢簧赣兹秀个缀霪要夔霆 标 由予镦结构竞鲜续梅鹣复杂桎 其波导模式和色教特瞧一般不能解帮亍 求解 各种数值计算方法从计算量和精度来说各有不同的特点 一些成熟 的理论计算方法有 1 平面波展开方法 所谓平面波展开方法就是利用平面波分解电磁 场 送秘方法可数慰镬爨多层魏光纾兹将瞧遴行诗募p 般溪建立惫含 绎蕊鹃雳麓经超原您 黉缮至g 较精确静绪浆登须在震开式中毯含诲多平面 波 该方法的主要缺点一方面是计算量很大 需要较大的计算机内存和较 高的c p u 速度 另一方蕊在计算时根据所缭定的传播常数计算熊各种模式 所对应的波长 只能预先给出一个确定材料的折射率 一般不熊够同时系 4 第1 苹绪论 统考虑材料色散和波导色散 对于总色散只能用材料色散加波导色散的方 法解决 2 正交基方法根据一对本征矢量满足双正交关系的线性的 非自伴 的算符确定电磁场的矢量波方程 该方法的关键是得到矢量波方程的矩阵 表剥1 2 该方法被认为是比较精确的矢量方法 可以模拟光纤的色散特性 和模场分布 但计算机编程和计算比较繁琐 需要耗费较多的计算时间 3 多极方法这种方法可以模拟由于电磁波向外辐射而导致的渗漏 场 可以模拟包层孔穴层数有限的光子晶体光纤 通过对其限制损耗的计 算确定微结构光纤所必须的包层孔穴的层数 13 该方法的另一个优势是可 以避免产生假的双折射 但是该方法只局限于圆柱形孔穴 对于其他类型 的孔穴一般不适用 4 极坐标系下的傅立叶分解法该算法具有较简单的展开基函数 但 可以利用可调边界条件模拟外部辐射场 从而有效地计算限制损耗 1 4 其 单位长度的损耗分贝值与光纤的复有效模式折射率的虚部有关 即损耗值 为 l o s s 2 0 l o g l o e k i r a n e 5 超元胞晶格方法该方法是在平面波展开方法和局域基函数方法的 基础上 把模式电磁场分解为一系列的正交厄密一高斯函数的叠加 把光 纤横截面上的折射率分布看作是一系列超原胞晶格 从而把它们分解为具 有两种不同周期性尺度的理想二维光子晶体的叠加 这两种不同周期性尺 度的二维光子晶体结构都可以用周期函数进行分解 该方法与t m o r t r o 等人 所用的正交函数混合法有类似之处 由于把光纤截面的折射率分布看作是 一系列超原胞晶格 其中的许多分解系数和重积分都可以解析计算 所以 其计算精度可能要比正交函数混合法高 尤其是对光纤横截面上折射率分 布的模拟更精确 但在具体对某种周期性分布的光子晶体光纤进行模拟时 要注意灵活控制和调节大尺度的二维光子晶体的周期 如果该周期取的太 小会影响计算精度 如果取的太大则会增加计算量 6 有限元方法在有限元方法e 1 6 1 9 光纤截面被分成许多独立而相 似的单元 对每一个单元求解离散的m a x w e l l 方程 在单元的边界上加上理 想电导或磁导条件可以计算任意结构的光子晶体光纤的模式场 该方法可 s 燕出夫学工学硬圭学经论文 阻针对有限层的包层孔穴计算光纤的限制损耗 也就是说可以溺这种方法 预言徽结构光纤中为了达到限制光所需要的最小包层空气线的层数 2 另外还有光束传播滋 2 1 1 时域有限差分法 2 2 2 3 等 燕山大学信息工程 学院予荣金教授领导的课题组也对光予晶体光纤进行了理论研究1 2 柏 该课 题缀稔爨穗垂予鎏瓣竞予菇钵惫纾懿莰嚣蒡鬟分橇 吉拣大学邀予秘学与工 程学院集成光电子学圈窳重点联合实验塞救国丽教授的课题缀也对光子晶 体光纤的波导模式和色散特性进行了理论研究 2 5 2 6 人们利用以上所述的各种方法对不同结构光子晶体光纤的商度可调的 色散特性进行了大量数镳模拟研究 其中包括色散平坦特性和色敬补偿特 蛙等 舅多 还对光予惑髂竞缍懿壤摄绦持特毪 影豌单模及多貘黄羧兹 模式参数 先子晶体光鲜的模场和数值孔径以及各种结构走予糕体光纤的 损耗特性等进行了研究 1 3 2 色散特性的实验测量 薅蓉国终徽绪穆巍纾研裁领域熬发麓 骧内迄瑟戆了皴缝棱竞纾夔疆 制謦曩测试工作 燕由大学毵夕 光纾与传感研究所侯蓝田教授颁露的课题组 在闰内率先进行了光子晶体光纤的研制f 2 铷 并在天津大学精密仪器与光电 子工程学院超快激光研究室和中国科学院物理研究所光物理实验室进行了 飞秒激光脉冲产生超连续谱的澳i 试 28 1 清华大学电子工程系彭淀褥教授课 蘧筑设诗菸磅裁了大芯酝瓣攀模党子晶体建纾f 2 天津大学糖爨仪器与毙 电子工程学院超快激光磷究室王清胃教授领幕的课题组对徽绪褥光纤的超 强a 线性效应特别是宽带连续谱展宽进行了比较系统的实验测试研究 3 0 i 光子晶体光纤性能的测试 主要有传输损耗 有效模面积 带宽与光 谱范围以及线性和非线性状态下的光子带隙和色散的测量 目前关于光子 基传必纾戆实验溪l 试鹣掇逛还缀少 关于爨数溅量约方法主要鸯 躲冲延 遮法 稳健调制法 模璃袁径法 干涉仅濠镣 d o u z o u n o v 等人缀导了焉 飞秒激光脉冲测量徽结构光纤在7 0 0 9 0 0 n m 范围内的色散口 q y e 等人报 导了用白光干涉法测量了1 3 1 6 5 肛m 波长激围内的锥形微结构光纤的色散 特性1 3 g s t o b r a w a 等人介绍了 种基于高分辨率脉冲成型设铸相位调制 6 第1 章绪论 的微结构光纤的线性和非线性测量方法 3 3 对于小芯径微结构光纤 由于 低耦合率不能用一般的测量方法 g g e n t y 等人介绍了一种光谱调制法 可 对单个脉冲在期望波长处的色散进行直接测量 测量误差小于1 0 1 1 4 目前存在的问题 虽然p c f 与传统光纤相比具有许多优点 但距全面商用化还有很大一段 距离 主要存在以下几个问题 1 制各工艺不完善p c f 制各工艺的不完善表现在以下两方面 首先 许多理论上研究的结构 无法制备出来 其次在理论上 p c f 的损耗值可以 降到低于传统单模光纤的水平 但是由于在光纤制备过程中水污染的影响 以及制备过程中会出现一些微小的扰动 使得光纤的损耗目前还无法降下 来 因而完善p c f 的制备工艺成为目前急需解决的一个关键难题 这个难题 的解决一方面需要建立准确的数学模型 来精确控制光纤的结构尺寸 另 一方面要求减小制备过程中微扰因素和o h 一离子的吸收损耗 最近b l a z e p h o t o n i c s 公司已经制成了在15 5 0n n l 处损耗为0 5 8d b k m 的p c f 此外他们 通过减小光纤的纵向微扰 改进最里面的两个空气孔环结构 可以将p c f 的损耗降低到1 7 2d b k m 2 理论设计还不完善尽管目前有许多模拟微结构光子晶体光纤波导 及其色散特性的方法 如平面波法 双正交基矢量法等 这些方法虽然计 算精度较高 但多数方法计算量大 耗时多 并且有许多方法不能同时系 统地考虑光子晶体光纤的结构色散和材料色散 一般都是把这两种色散分 开考虑 一方面 与传统光纤相比微结构光纤具有结构上的特殊性和复杂 性 在对其进行数值模拟的过程中 把结构色散和材料色散分开计算 然 后相加作为总色散的方法是不合理的 另一方面 在微结构光纤研制的初 始阶段 能够快速 实时地模拟微结构光纤的波导和色散特性对于指导光 纤的制作具有特别的意义 因此探索一种模拟光子晶体光纤导波模式和色 散特性的比较精确而快速的方法特别重要 这种快速矢量分析法可以为实 际制备所需性能的光子晶体光纤提供实时的理论参数 能够快速而精确地 对所制备的光子晶体光纤的特性进行分析 7 燕垂大学工学繇 学健论文 3 性能检测较困蠛无法做到对理论的检验单模光纾 s i n g l em o d e f i b e r s s m f s 中的脉冲展宽效应对于传统的用脉冲响应测量技术表征千米 长的s m f s 来说太小了 利用飞秒脉冲与其它时间延迟法不同 w 以测量非 常小的群延迟 因此霹以罔来测量相对短的栉品 模场直径法可以测量波 警稳毅效痤不霉要嚣藏躲渖搽嚣 毽莛耱瓣惫敷必须独立溺繁 然嚣蒋妥 总的色散 干涉法对淄潮环境非常敏感 熊中各种方法都需婺精密的光学 仪器 因为实验室的仪器设备有限 所以本文所提出的测试方法也受到了 相威的限制 l 5 论文的硒究肉饔和组织结梅 本文主要研究以下几个方面的问题 第1 章简要介绍光予晶体光纤的导光机制及分类和光子晶体光纤色散 特 敞的模拟方法及实验测魑的现状 第2 章介绍光子晶体光纤的色散特性 总结现有光子晶体光纤的色散测 量方法 第3 章光子晶体光纾莰散的数值模拟磷究 介绍基于多极法的色散诗算 方法 并且理论研究光予晶体光纤的三种色散特性 得到色散假与光纤结 构之间的关系 蔡4 章基于迈克耳逊干涉仪的方法测堂微结梅光纤的色散馕 设计了实 验方窳 搭建7 试验平螽 测量 了嚣势类蘩鹣擞缕秘惫纾 第5 章光的楣于鹜敬鸯寸现象研究徽结秘光纤中的光子局域傀现象 籀2 露光子鑫搏蠢缮豹魏鼓特瞧 第2 章光子晶体光纤的色散特性 2 l弓l 言 光在媒质中的传播遽度 或折射率村 c v 随波长2 丽变动的现象称为 色散 由于包层内引入空气孔可以得到在石焚玻璃中掺杂所无法寰现的大折 射率麓 光子晶体光纤w 以获得常规光纤所没有的各种新特性 包括奇异 懿憩教特性 光子晶体光纤对波母色散有较高的控制健 常规光纾是搓石英玻璃中 掺杂而在截面内形成 定的折射率差分布制成的 由于材料不贩配会造成 光纤损耗 因此纤芯和包层的折射率差不能过太 光子晶体光纤由单一材 料 纯二氧化硅 构成 它不存在常规光纤的术孝斟不匹配现象 邋过合理调节 光纾熬绩筏馨篷囊空气魏豹尺寸窝阕距 霹绫获褥较大藩亨厅黔率差 献瑟 更商效地控制波导色散 因此 通过设法敬避p c f 豹渡导结构就可以实现热 望的备种波长的色散特性 2 2 通信光纤的色散特性及色散的测试 滁了损耗之乡 光经逶售懿勇一重要润遂是色教 枣子光绥戆色毅效 残 窜为信号的输入您脉冲在传输过程中将展宽 双面佼接收端的信号发 生畸变 使接收机难以分辨 这样 在损耗大大降低的条件下 光纤的色 散就使光纤通信系统的中继距离受到限制 光纤色散可分为 1 模式色教模式夔数又稼摸阕色教 必经抟模式色教只露褒予多模 必终中 每一种模式捌遮港纾终端露两先爝不同 造成了赫渖的展宽 跌 而出现色散现象 2 材料色散具脊不同波长的光脉冲通过光纤传输时 不同波长的电 磁波会导致材料的折射翠不同 传输速度的不同就会引起脉冲殿宽 导致 9 燕山大学工学硕士学位论文 光纤的色散 3 波导色散波导色散又称结构色散 是由光纤的几何结构决定的色 散 其中光纤的横截面积尺寸起主要作用 光在光纤中通过芯与包层界面 时 由于全内反射作用 被限制在纤芯中传播 但是 如果横向尺寸沿光 纤轴发生波动 除导致模式间的模式变换外 还有可能引起 d 部分高频 率的光线进入包层 在包层中传输 而包层的折射率低 传播速度大 这 就会引起光脉冲展宽 从而导致色散 4 偏振模色散 p o l a r i z e dm o d ed i s p e r s i o n p m d 偏振模色散又称光的 双折射 单模光纤只能传输一种基模的光 基模实际上是由两个偏振方向 相互正交的模场h e u 和h e l l 组成 若单模光纤存在着不圆度 微弯力 应 力等 h e n 和h e l l 存在相位差 则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间 变化的非线性偏振 就会产生双折射现象 即x 和y 方向的折射率不同 因 传播速度不等 模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化 从而会在 光纤的输出端产生偏振色散 等离子化学气相沉积法 p c v d t 艺生产的单 模光纤具有极低的偏振模色散 通信光纤色散的测量按光强度调制的波形来划分 一般有以下两类方 法 相移法 正弦信号调制 和脉冲时延法 脉冲调制 也有人将它们分别称 之为频域法和时域法 相移法是通过测量不同波长下同一正弦调制信号的相移得出群时延与 波长的关系 进而算出色散系数的一种方法 脉冲时延法是通过不同波长的窄光脉冲经光纤传输后的时延差 直接 由a 坐掣l p s k m 1 n l t i 1 得出光纤色散系数的一种方法 2 3 光子晶体光纤色散的定义 光子晶体光纤由单一材料组成 因此材料色散是保持不变的 光纤的 波导色散决定了总色散 波导色散与光子晶体光纤的结构参量有关 因此 合理设计光纤的结构 即调整包层空气孔的尺寸斫口孑l 间距4 可以有效的 控制波导色散 1 0 光脉冲以不同的频率在折射率为n 的介质中传播 其相速度定义为 3 5 1 v r c o 2 志 2 1 n 1 j 式中 c 是真空中的光速 光脉冲沿着光纤或在元件中传播的速度称为群速 度 定义为 v c o 粤 上 一 2 2 卜万2 万2 i 二藩o n 磊o n 心 式中 口是电磁波的传播常数 脚口矽分别表示材料色散和波导色散 材料 色 散和波导色散的和为总色散 数量卢2 称为群时延 式 2 2 可以写成 k 卜磊赫 q 3 介质的折射率与作用于介质中的电磁波的波长有关 这种关系称为材 料色散 可以用s e l l m e i e r 近似表示 3 6 1 n a 2 4 式中 a 和b 是s e l l m e i e r 系数 对于传统的石英光纤 折射率可以用如下a 和b 很好的近似 a i o 6 9 6 7 5 a o 4 0 8 2 1 8 a 3 0 8 9 0 8 1 5 和b l 0 0 0 4 7 7 历 o 0 1 33 7 7 岛 9 8 0 2 10 7 光束沿着波导传播时 其受限与频率有关从而引起波导色散 在高频 区 模式集中在纤芯部分 所以大部分的能量都集中在纤芯区 这就增加 了群速度 波导色散与波导的芯径大小和波导纤芯及包层的折射率差有关 波导色散和材料色散共同作用引起光纤的群速度色散 参数屈表示群 速度色散也称为二阶色散 并且与色散参数d 有如下关系 3 5 l m 荨 吾毪 毪 懵 m 一等荆p s 历或d 等于0 的波长称为零色散波长q d 根据色散参爨 或d 的符号 光纤 燕由丈学工学臻圭擎绽论文 驻现嫩截然不同酌特性 当入射光波波长量 i d 时 介质色散参嫩d o 光纾液现为正常色散 在正常色散区 折射率n 随光载波频率 的上升而增 大 因此群速度与光载频成反比 这使得光脉冲载频较高的频率分量 蓝移 比较低的频率分量 红移 传输键慢 展宽詹的脒冲前沿频率低 聪沿频率轰 露童l 童d 辩 有d o 陵哟 光f t 表瑷秀爱鬻夔数特洼 越霹瓣壤形与主述 爱好相反 在菲线瞧光纾通信系统中 翔光孤子通信 就是让光在反常色 散匿传输 材料色散是制作波导戚光纤时材料内在的不能改变的性质 而波导色 散通过设计波导或光纾的结构可以改变 因此总色散值可以改变 2 4 可调节的奇舞色教待往 与传统单模光纤相比 光子晶体光纤灵活的几何设计更凝有独特和新 颖的色散特性 例如可见光波长区域的零色散 近零平坦色散和高负色散 2 4 l 可见光波段的零色散 未来光孤子通信磷究将集中在飞秒 1 萨栉 级 雨飞移激光豹蘸宝石激光 器一般工作在7 2 0 9 5 0n 椭波长范围 传统石英光纤在5 0 0 17 0 0n r n 波长范围 内为正常色散 不能实现孤子传输 与传统光纤不同 光子晶体光纤由于 可以具有较大的纤芯和瓴层折射率差 因此可以在很长的波长范围内得到 较大魏教 在纯氧像秧及黄统单模光纤中产生歪掌色教懿波妖主 在光子 鑫体毙纾中都可以实鞴蔽常色散 基于我入们可敬实现孤子传播零叠超短脉 冲服缩等 调节光子晶体光纤包层的结构 即适当调节空气孔直径d 和窳气孔间距 z 可以使零色散波长a d 从长波长向短波长摊移 硒的位移主要是因为有效 惫炭叛射率与波长戆交识臻关 在短波段 壤式场仍然被束缚褒石英区蠛 中 嚣在长波段 有效惫屡折射率却降低了 因魏 当改变孑l 锓瘌孔闻距 4 的大小 就可以得至u 任何如值 如图2 1 所示为用全矢量法计算的三角膨高折射率纤芯的p c f 的色散特 性 3 7 1 其中空气孔间口胁固定为2 3g r n 而空气孔直径鼢别为o 4 5 0 6 0 1 2 麓2 章笼子晶体竞纾瓣惫敖蒋注 o 7 5 o 9 0 m 从图中阿以看出 当包屡孔闻距保持不变对 髓着空气孔 直径d 的增大 零色散波长向可见光波长方向移动 并且其它结构参数也会 影响到色散特性 例如幽空气孔直径褓持不变时 改变孔间距爿会减小波 导魏敝谯 一 一一一一 j 一一 十p p 一 一 1 t 二 一一 一 j 多 二二二二二 沪酬鼬裹三 黑 二二 w a v e l e n g t h l n l 墨2 1 蘑全矢鳖法谤黪 瓤燕2 3 陋霹琴瓣空气 l 壹径懿三角澎蕊辑射率纾芯 p c f 的色教特性 f i g 2 1d i s p e r s i o np r o p e r t i e so f t r i a n g u l a rh i g h i n d e xc o r ep c fw i t h af i x e da t 2 3p ma n dv a r i o u sa i r h o l es i z e sa sp r e d i c t e db yt h ef u l l v e c t o r i a lm e t h o d r a l l k a 等人第一次实验证明p c f 的零色散波长移动銎j 8 0 0 n m 附近 3 8 用 这挚争光纾霉警在整令霹懋竞区葳产生连续巍 结采可鞋震飞秒藤泞泵演波 长瓣低功率激光赫弹线 j 纾芯直径 强模式疆制 近零总色敬的p c f 中产生 超涟续谱 2 4 2 近零超平坦色散 热教控割是走逶傧审囊耍瓣霆 其中滚零超乎逛色教在嚣线洼系统茏 箕慰趱短孤子脉狰豹终输中起着关键终蠲 巍超短先孤予色教镑疆系统中 不可忽略的三阶色散可爵致强不稳定性 破坏孤子脉冲的传输特性 而在 小的正色散和可忽略的三阶色散的情况下 可以产生平坦的和宽带的超连 续谱0 9 孙 在波分复用系统中 需要不同波长信道内具有相同的响应 这 辩 0 辩 毫乎 m 盏d 90l耋p暑la 燕出大学工学矮 学经论文 瓤嚣求传输线具有超乎趣色散和适当的低甑散使四波混频非线性最小 用于宽带波分复阁系统 w d 的近零甑散 低色散值 平坦 小色散斜率 光纾近几年得到了一定程度的发展 与反常色散p c f 相比 近零超平坦色散 光缁的包层空气孔较小 著且层数较多 4 扪 如图2 2 所示 其中a 2 4 7 耻m d 0 5 7 瞰 s i n 殛等入缀馨转4 懿近零趣乎瀵惫数竞纾绥芯壹经蕊产3 湃 包 屡缀气孔直径如如 卸 6 9 m 空气孔闯距 m 2 3p m 光纾在波长1 3 1 7p m 范围色散值在 o 0 5 0 2 5 p s k m 1 n m 内变化 圈2 2 超乎毽色鼗毙予燕体蠢绎 f i g 2 2u l t r a f l a t t e n e dd i s p e r s i o np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r 2 4 3 高负色散 在宽带波分复用 w d m 系统中 单模光纾的群速度色散 g v d 限制了 数攒翡传竣率 聿睾甏烧凌1 0g b s 浆健竣率辩 g v d 成为主要麓越 在基蔫 豹游僚波长15 5 0n m 鲶 光纾表现出缀强的惩散效应f 毪op s k m 1 n m l l 但 是光纤的正色散可以用大负色散的色散补偿光纤 d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i n g f i b e r s d c f s 来补偿 对于波分复用系统 可以用在15 5 0n l n 附谶的宽波长 范嗣的具有大负色散和正色散斜率的光纤采补偿 p c f 在色教睾 偿皮麓方纛蕴藏蓑巨大懿漤力 懿兹腰述 巍予p c f 垂霹 一耱材辩裁残 纾蕊翻瓴屡就可竣做至l 完全静力学帮熬学逛既 纤芯和龟 层阐的折射率差不会因为材料的不相容而受到限制 在这种情况下 通过 适当改变包层参数一空气孔直径斫口孔间距爿的值 就可以很容易地得到较 大的折射率差 因此经过合理设计其包层的几何结构后 p c f 可以在单一波 1 4 第2 章光子晶体光纤的色散特性 长下得到很大的负色散值 清华大学电子工程系的倪屹等人用h e r m i t e g a u s s i a n i 甬数计算出p c f 的 色散值可以达到 20 5 0p s k m q n n l l 据此能够得出这种光纤可以补偿是其长 度为1 0 0 倍的标准光纤的色散 这远远超过了传统色散补偿光纤的色散补偿 能力 这个性能将会在超宽带波分复用的平坦补偿中有着重要应用f 4 5 此后 倪屹等人又设计出了一种用于色散补偿的双芯光子晶体光纤 4 纠 其4 为1 2r t m 2 在1 5 5 1l a m d 高达 1 80 0 0p s k m 1 n i l l 1 是迄今为止文献 报导的只由石英和空气孔组成的光纤的最大负d 值 其色散曲线图如图2 3 所示 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 l1 5 0 0 0 立5 0 0 0 娶0 i 5 0 0 0 1 0 0 0 0 o 1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 1 5 4 015 4 5l5 5 015 5 51 5 6 0 w a v e l e n g t h um 图2 3色散补偿p c f 中的基模 实线 和二阶模 点线 色散曲线 f i g 2 3d i s p e r s i o no f t h ef u n d a m e n t a l s o l i dl i n e a n ds e c o n d o r d e r d a s h e dl i n e m o d e so f t h ed i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o np c f 2 5 光子晶体光纤色散测量方法 光子晶体光纤的特性测量主要包括色散 带隙 模场直径和截止波长 等 由于光子晶体光纤目前还处于实验室阶段 其性能和外直径等结构尺 寸还没有统一的标准 并且与传统光纤有很大的差异 所以光子晶体光纤 的一些特性不能用现有的光纤测试方法去测量 目前国内外报道的关于光 子晶体光纤的色散的测量方法中 具有代表性的有光谱调制法 干涉法和 超快飞秒脉冲法等 下面分别对这三种方法进行介绍 15 燕垂丈学工学硬 学位论文 2 5 1 光谱调制法 当超短脉冲波长猩微结构光纤的反常识散区并以足够的脉冲能量入射 到滟纾中时 在光纤输嫩的光谱中会观察到稷强的调制现象 调制是由光 援予波窝色教辐鼓场之瓣缒于涉囊象产生 魏时埝入熬净漠交戏海运竞蕊 子 同样的现象也是造成在孤子光纤激光嚣的脉冲光谱中出现锐边带的原 因 这个效果可以很方便的用来测量光纤的色散 此时对于第 阶段而言 其调制周期直接依赖于光纤的色散 这种方法需要用光谱测量沫获得在给 定波长处的色散值 然黼这罩中方法是基于光孤子脉冲在光纤中传埝 从焉 这耱菽本弱疆予光绎躲爱鬻色教区 当然 溪嚣光纾兹长度鼗大予其色敬 的长庶 这样可醴在光谱强中显示出清晰豹振荡 如图2 4 所示为光谱调制法的实验装置圈 4 7 其中i 为隔离瓣 x 2 为半 波片 v a 为可变孔径 o s a 为光谱分析仪 网2 4 光谱调制效应的实验装置图 f i g 2 4e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rd i s p e r s i o nm e 跏e m e mu s i n gt h e s p e c t r a m o d u l a f i o ne f f e c t 只考虑最低除静彳擘弼 无损光纾孛豹必涨冲可戳由菲线链s c h r o d i n g e r 方程袭示1 3 4 f等 上鲁 wu 0 2 6 20 占8 r 2 在鼗巅霆适当翡好一亿蘩健浚延时结搀来表示波长落久爱露惫激嚣 其中 参数n 为光孤子数 定义为n 2 孵瓦 筘 为输入稼狰鹣辩阀宽度 印 是峰假功率 和y 分别代表光纤的群速度识散和非线性系数 当色散和非 线性逖到平衡的效果时 n i 此时脉冲作为旗本光孤子传播 而且在传输 过秘中可以维持它的形状不变 对于输入脉冲参数例如n l a e 其中 第2 章光子晶体光纤的色散特性 s 一1 2 1 2 脉冲向基本光孤子方向渐进发展而且在重新整形的过程中色 散波将脱离脉冲 这种色散波与光孤子之间的干涉表现为输出谱中的振荡 光孤子与色散场之间的光谱相位差依赖于传播常数上和输入脉冲的波 妒 印 4 7 r c 2 t o 2 1 1 2 一1 2 9 2 喜蚓 2 姐一 二 0 1 1 1 职l 固 1 2 6 2 7 式中 c 为真空中光速 利用光谱中波长在a 和 2 两个相邻最大值之间的相 位差等于h 即一西 一一西 2 石 吱 屯 一岛 a c i 脉冲波长为k 的色散参数可近似的表示为 阳 等 主