（光学工程专业论文）光子晶体光纤色散特性的理论和实验研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 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 ) 是一种新型的微结构光纤，结构设 计的灵活性使得它拥有许多普通光纤无法比拟的优异特性，在军事和民用上都具 有非常重要的应用价值和广泛的应用前景，近年来成为了各国研究的热点。色散 作为光子晶体光纤的重要特征参数，p c f 的许多应用都与之有关。本文从理论和 实验两方面，对光子晶体光纤的色散特性进行了研究。 首先，从光子晶体光纤的分类出发，介绍了光子晶体光纤的主要特性，重点 介绍了光子晶体光纤的色散特性，并阐明了当前在宽波段内对光子晶体光纤色散 特性进行实验测量的必要性。 其次，利用当前较新的基于多极法的c u d o sm o fu t i l i t i e s 软件包和利用经 验关系式求解的方法对光子晶体光纤的色散特性进行了仿真分析，并对这两种仿 真软件进行了比较。 再次，为了在宽波段上实现高精度的光子晶体光纤色散测量，设计并搭建了 一套基于超连续谱白光光源和马赫一曾德尔光学干涉仪的色散测量系统，利用该 系统对两种光子晶体光纤和一种普通掺杂光纤的色散特性进行了测量，实验结果 与理论仿真的结果非常吻合，较好地验证了实验方法和实验系统的有效性。 最后，对本论文的主要工作进行了简单总结，并对本论文设计的色散测量系 统的进一步改进、应用研究以及全光纤化的色散测量方法进行了展望，阐明了基 于超连续谱的干涉测量法将成为未来光子晶体光纤色散测量的主要主法，并且最 有可能成为光子晶体光纤的商用测量方法。 关键词：光子晶体光纤；色散测量：色散仿真；超连续谱；干涉法 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 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 ( p c f ) i san e wt y p eo fm i c r o s t r u c t u r e df i b e r b e c a u s eo fi t s n o v e ls t r u c t u r e ，p c fh a sal o to fu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi su s e dw i d e l yo nm i l i t a r y a n dc i v i l i a na f f a i r s a n dm a n yo fi t sa p p l i c a t i o n sa r er e l a t e d 、析t ht h ed i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i c s i nt h i st h e s i s ，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 t sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o na r ee m p l o y e dt os t u d yt h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e ro fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e ro fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ri s i n t r o d u c e ds t a r t e d 、i t l lt h e c l a s s i f y i n go ft h ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r t h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e ro fp h o t o n i cc r y s t a l f i b e ri si n t r o d u c e de m p h a t i c a l l y a n di ti sc l a r i f i e dt h a td i s p e r s i o nm e a s u r e m e n tm e t h o d f o rp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ri sn e e d e dp e r e m p t o r y s e c o n d l y t h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e ro fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ri ss i m u l a t e dw i t ht h e c u d o sm o fu t i l i t i e ss o f tw a r ea n dt h ee m p i r i c a lr e l a t i o n sm e t h o d t h er e s u l ti sa l s o a n a l y z e da n dc o m p a r e di nt h et h e s i s t h e n ，as e t u pb a s e do nm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ra n ds u p e r c o n t i n u u mw h i t e l i g h ti su s e df o ru l t r a - b r o a d b a n dd i s p e r s i o nm e a s u r e m e n to fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r t h r e ef i b e r s ，ah i g h l yn o n l i n e a rt i r p c f ，ap c fw i t hb i g g e rc o r e ，a n dat r a d i t i o n a l s i n g l em o d ef i b e r ，a r em e a s u r e di nt h i st h e s i s t h em e a s u r e dd i s p e r s i o nc o e f f i c i e n t so f t h et w op c f sa r ew e l li na g r e e m e n t 丽t l lt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hp r o v e st h e e f f i c i e n c yo fo u rd i s p e r s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m f i n a l l y ，t h ef u t u r em e t h o do fe x p e d m e n t a lm e a s u r e m e n to fp c f i sp r o s p e c t e dh e r e i ti sc l a r i f i e dt h a tt h ei n t e r f e r e n c em e t h o db a s e do ns u p e r c o n t i n u u m u mw h i t el i g h tw i l l b et h em a i nm e t h o di nt h ef u t u r e a n dw i l lb eu s e df o rc o m m e r c em o s tp o s s i b l y 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 ，d i s p e r s i o nm e a s u r e m e n t ，d i s p e r s i o ns i m u l a t i o n , s u p e r c o n t i n u u m ，i n t e r f e r e n c em e t h o d 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 式( 3 7 ) 中的系数2 5 表3 1 式( 3 8 ) 中的系数2 5 表4 1 实验中所用主要仪器列表3 9 表4 2i # p c f 干涉最强时相移镜对应于各波长的位置4 3 表4 32 # p c f 干涉最强时相移镜对应于各波长的位置4 6 表4 4 普通掺杂光纤干涉最强时相移镜对应于各波长的位置4 9 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 一种t i r 光纤的截面图和导光示意图2 图1 2 一种p b g 光纤的截面图和导光图3 图1 3 无限单模光纤的端面示意图4 图1 4 高非线性光子晶体光纤的端面图6 图1 5 两种类型的高双折射光子晶体光纤截面图。6 图1 6 多芯光子晶体光纤的端面示意图。7 图1 8p c f 激光器基本结构示意9 图1 7 光子晶体光纤光栅1 0 图2 1 用全矢量法计算高折射率纤芯p c f 的色散特性1 6 图2 2 超平坦色散光子晶体光纤17 图3 1 单元胞示意图2 l 图3 2d a = 0 8 8 时，经验公式法的计算结果。2 4 图3 3v 参数和w 参数在不同孔距比d a 情况下随波长变化情况2 6 图3 4v 参数和w 参数在波长取一定时随孔距比d 人的变化情况2 6 图3 5 孔间距a = 4 l u n 时，空气孔直径d 变化对p c f 色散特性的影响2 7 图3 6 孔直径d = 2 p m 时，孔间距八的变化对p c f 色散特性的影响2 8 图3 7 孔距比d a = 0 4 时，空气孔间距人的变化对p c f 色散特性的影响2 9 图3 8 孔距比d a = 0 4 时，空气孔间距人的变化对p c f 色散特性的影响2 9 图4 1 利用飞秒激光脉冲和双光子探测器测p c f 色散的实验装置图3 2 图4 2 相移法测试光纤色散系统示意图3 2 图4 3 麦克尔逊干涉法( m i c h e l s o n ) 测量色散的实验装置示意图3 4 图4 4s a g n a c 干涉仪测量光纤色散示意图3 5 图4 5 马赫一曾德尔( m a c h z e h n d e r ) 干涉法测量光纤色散的实验装置图3 5 图4 6 用于产生超连续谱光源的p c f 的电镜扫描图：3 7 图4 7 用以产生超连续谱光源的光子晶体光纤实物图3 8 图4 8 实验中p c f 产生的超连续谱光源谱线图3 8 图4 9 基于超连续谱的测量装置示意图3 9 图4 1 0 基于超连续谱的测量装置实物图4 0 图4 1 1 待测光纤电镜扫描图4 1 图4 1 2 对1 7 个波长处进了扫描得到的干涉图4 2 图4 1 3 波长为8 7 0 h m 处的干涉图样4 2 图4 1 4i # p c f 实验结果图4 3 图4 15 待测光纤电镜扫描图：4 4 图4 1 6 对2 3 个波长处进了扫描得到的干涉图4 6 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 72 # p c f 实验结果图4 6 图4 1 8 对1 5 个波长处进了扫描得到的干涉图4 8 图4 1 9 普通掺杂光纤的实验结果图4 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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谢意 学位论文题目：龙王墨垡盘红鱼熬挂挂鲍垄硷盘塞验班盔 学位论文作者签名：盔! i 出趔 一 日期：7 年，j 月2 矿日 i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将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、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：益乒立扯 作者指导教师签名：牛 日期：硼口7 年，阳1 丫日 日期：矽7 年i1 月垆 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百可匕 1 1 光子晶体光纤概述 1 1 1 光子晶体光纤介绍 光子晶体光纤 1 1 ( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r p c f ) 是在光子晶体概念的基础上 发展起来的二维光子晶体1 2 儿3 j 材料，即在二维光子晶体纤维长度方向连续制造缺 陷，利用其限制光的能力，将光限制在缺陷内沿光纤方向传播。其概念最早由 s t j r u s s e l l 等人于1 9 9 2 年提出1 4 | 。自1 9 9 6 年英国b a t h 大学的j c k n i g h t 拉制 出第一根光子晶体光纤【l j 以来，由于其具有新颖的光传输特性受到了广泛的关 注，是当前国际研究的一个热点，研究内容包括光子晶体光纤结构设计、特性表 征和应用探索。 与普通单模光纤不同，p c f 是由其中周期性排列空气孔的单石英材料构成， 所以又被称为多孔光纤( h o l e yf i b e r ，h f ) 或微结构光纤( m i c r os t r u c t u r e df i b e r ， m s f ) 。由于空气孔的微排列和大小、介质种类有很大的控制余地，人们可以根 据需要来设计光子晶体光纤的传光特性。光子晶体光纤的出现引起了各国研究机 构的浓厚兴趣，立即成为国际学术界的研究热点，n a t u r e 和s c i e n c e 杂志也曾多 次报道5 6 1 1 7 】【8 】【9 1 。 随着制作技术的改进和提高，能够制备各种结构的光子晶体光纤，并且光 传输损耗也逐渐接近传统光纤，为其进一步应用奠定了基础。它呈现出许多在传 统光纤中难以实现的性质，如极宽谱带内的单模传输【l 、可控的色散特性【l 、 强烈的非线性效应【1 2 j 等这些特性使其在光通信、非线性光学等领域有着潜在的 应用前景，如：频率变换【1 4 1 15 1 、色散补偿【1 6 1 1 7 】【1 8 1 超连续谱的产生【1 9 1 1 2 0 1 1 2 1 1 等。 1 1 2 光子晶体光纤的导光原理 1 1 2 1 全内反射型光子晶体光纤( t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o np c f ，t i r p c f ) 全内反射型光子晶体光纤，其结构类似于传统光纤，只是包层结构做了点 改变，也是目前研制较成功的一种。折射率引导型光子晶体光纤，形成周期性结 构缺陷的是熔融硅( 或掺杂的高折射率的熔融硅) ，光纤中心的缺陷区域充当纤 芯，而外围的周期性区域相当于包层，利用中心缺陷区和缺陷区外周期性结构区 之间的有效折射率差将光子局域在高折射率纤芯中( 如s i 0 2 ) 而不依赖光子禁 带效应，分析这种光纤的导光机理时，仍然可以运用有效折射率的概念解释【2 2 1 ， 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 所以这种光纤又称为改进的折射率引导型光子晶体光纤( i n d e x g u i d i n g v c f ) 。 图1 1 所示为基于全内反射机制导光的p c f 截面图田l 。t i r o p c f 的性质依 赖于p c f 的包层结构，改变t i r - p c f 的纤芯或空气孔的孔径的大小、通过高掺 杂改变纤芯和包层之间的折射率等方法，可以得到一些特殊性质的p c f 。如通过 增大气孔间距 和减小气孔直径d 都可以获得大的模场面积的p c f ( 1 a r g em o d e a l e ap c f ) ；通过提高包层的空气填充比增大包层与纤芯的相对折射率差，从而 增大光纤的数值孔径，可以设计数值孔径高达09 的多模太数值孔径p c f ( m d f i m o d el l i g hn ap c f ) t 2 4 1 ；减小纤芯的尺寸，使光纤具有非常小的模场面 积，可以设计高非线性p c f ( h i g h l y n o n j i n e 盯p c f ) 瞄j ；采用双芯结构或使纤芯 周围的气孔具有不同的尺寸，打破光纤结构的对称性，可以制作具有高双折射效 应p c f ( h i g h b i r e f r i n g e n c e p c f ) 。 ( a ) 一种t i r 光纤的截面圉( b ) t i r 光纤的导光示意图 目il # t g g # 萱目自 光示意图 1 1 2 2 带隙型光子晶体光纤( p h o t o n i cb a n d g a pp c f , p b g p c f ) 带隙型光子晶体光纤运用了光子晶体中光子禁带的理论。在光子晶体中， 由于介电常数存在空间上的周期性，它对光的折射率同样有周期性分布，在其中 传播的光波的色散曲线也会形成带状周期结构，类似于半导体的能带结构，如果 合理设计晶体的材料组成和周期性结构，便有可能在带与带之间出现“光子禁 带”，频率落在光子禁带范围内的电磁波的传播将被严格禁止。 p b g - p c f 包层同样为沿轴向周期性排列的石英一空气孔结构，但这种微结 构经过严格的设计和排列，沿光纤截面方向上存在着光子禁带，特定频率的光场 以各不同的角度进入光纤遇到光子禁带是无法穿越而被反射回来，从而被严格限 制在纤芯中传播构成纤芯的缺陷的材料折射率可以比包层的低，一般为空气。图 12 是一种新型的带隙型光子晶体光纾的截面图1 2 7 】。要想在包层中具有光子禁带， 对空气孔的周期性排列要求非常严格，气孔的间距、尺寸都要满足一定的条件， 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 计算表明只有空气孔相当大时( d ，a 0 4 ，其中d 为气孔直径， 为气孔间距) 规则的六边形晶格结构才存在完全的二维光子带隙，因此制备难度较大，加工工 艺要求很高 a ) 种嗽光纤的截面团( b ) 导光图 目1 2 一# p b g 光* 白勺日目# 目 这两种不同类型的光予晶体光纤是互补存在的。全内反射型p c f 对于非线 性过程的研究提供了一个很好的对象，而带隙型p c f 则是弱化了非线性过程， 对于光纤通信领域的研究是非常重要的。 1 2 光子晶体光纤的特性 1 2 1 无截止单模性质( e n d l e s s l ys i n g l e - m o d e ) 对于标准豹阶跃型单模光纤，其归一化频率v 由下式决定： = 掣( 屯一也) ”2 ( 1 1 ) 式中n 一和i l c m 分别为光纤纤芯与包层的折射率，a 为纤芯半径，x 为光 波长。当v 24 0 5 时，光纤才是单模的。对应于v t4 0 5 的波长就称为光纤的 截止波长1c 。只有当工作波长太于截止波长时，才能实现单模传输。而p c f 不 存在截止波长，用有效折射率模型可以较好地解释这一现象。通常有效折射率 n e f f 定义为包层中以光强分布为权重地平均折射率，因此在p c f 中有： = 军( 屯一弓y ” ( 12 ) 通常，波长越长，基模l p o l 从纤芯向包层展开得越宽即光束的场分布将 扩展到纤芯附近的空气 l 区域中，因此包层折射率啦f 较低。当波长逐渐变短时， 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 场分布逐渐脱离空气孔区域并向石英纤芯收缩，因而使得包层折射率n f f 增加。 由式( 1 2 河以知道，n c t r 的增加，可使更短的波长 满足v 24 0 5 。从而维持较短 波长的单模运行。在实际应用中，由于工艺上的限制和弯曲损耗等困素的影响， 单模传输有一定的带宽。 对于p c f ，只要其空气孔径与孔间距之比小于0 2 ，可在从蓝光到2 9 m 的光 波下单模传输，不存在截止波长。第一根被制备出的光子晶体光纤就是无截止单 模光纤，其结构如图13 所示唧j 。光纤的纤芯为无掺杂的石英玻璃，周围为含有 周期性捧列小孔阵列的无掺杂石英玻璃的皮层，图中中心缺陷区域为光纤的芯 区。此光纤的特点为：不论何种波长，何种芯径均保持其单模特性。 一 ：曩参一 -r_ 1 _ ， 0 0 0 j t 。 _+- 。 ：乏一 目1 3 m 4 模 * # i 意目 单模工作波段扩展的意义在于，对普通单模光纤而言，目前正在使用和开 发的c 波段( 1 5 3 0 r m m 1 5 6 5 n m ) 、l 波段( 1 5 7 0 n ；n 一1 6 2 0 h m ) 、和s 波段 ( 1 4 5 0 h m - 一1 5 2 0 n m ) 总带宽只有约1 5 0 n m 而光子晶体光纤使单模工作波段向 短波方向扩展了6 0 0 n m 7 0 0 n m ，这为波分复用增加信道数提供了充足的资源。 由于这种无截止单模特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距 可调节模场面积。小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于 提高或降低光学非线性有极重要的意义。当需要传输高功率光时，可以设计大的 模场面积，而无须担心出现非线性效应，这样的光纤可咀用于高功率激光嚣、低 非线性通信用光纤高光功率传输等；当需要强的非线性效应时，可以减小光纤的 模场面积，具有强非线性的p c f 可用于激光器、超宽连续光谱的产生、波长转 换、全光开关、光放大器等方面。 1 2 2 奇异的色散特性 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学侮论文 p c f 的另一个重要特点是其奇异的色散特性。与普通光纤不同，p c f 可以 由单一材料制成，因此纤芯和包层在力学与热学上是可以做到完全匹配的，即纤 芯和包层的折射率差不会因材料的不相容性而受限制，从而可以在很大的波长范 围内得到较大的色散。在纯石英及普通单模光纤中产生正常色散的波长上，在 p c f 中都可以实现反常色散，因此容易实现孤子传输、色散补偿及超短脉冲压缩 等。另外，p c f 在短于l i a n a 的波长内就可以实现反常色散，而普通单模光纤要 求波长大于1 2 8 1 x m 。p c f 在色散方面还有一个重要特点，它的零色散波长可调。 要改变p c f 尺寸，就可以在几百纳米范围内取得近零色削1 1 j 。 另外，这种光纤也为制作工作在可见光波段的光孤子光纤激光器提供了可 能，在p c f 中己成功产生了8 5 0 n m 处的光孤子【2 9 。，将来波长还可以降低。改变 空气孔的排布和大小，p c f 的色散和色散斜率会随之剧烈的改变。目前，对p c f 色散特性的内在机制尚未有透彻的认识，还无法从理论上指导如何设计p c f 获 得需要的色散特性，而只能针对某种设计通过数值模拟得到其色散特性。t a b i r k s 等人经过计算得到的结论是：在p c f 中实现2 1 0 3p s ( n m k m ) 的色散 是完全可能的，这样大的色散值可以补偿是其自身长度3 5 1 0 0 倍的标准光纤的 色散，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起重要作用。 1 2 3 能实现高非线性( h i g h l yn o n l i n e a r ) 在通常情况下，光纤需保持光学线性以便不管传输的能量有多大，其性质 均不发生变化。然而，事实并非完全如此，如在光放大和光开关方面，或在激发 新的波长的光时，非线性亦同等重要。在折射率引导型光子晶体光纤中，光场可 以被高度局限在纤芯周围的一小块区域内，从而极大提高光学非线性作用的效 率。增大包层的空气填充比可以增大光纤芯层的折射率和包层的有效折射率之 差，从而就能够控制光场局部集中的程度，使其具有高的非线性系数。因此光子 晶体光纤被广泛应用于非线性光学方面，如：频率变换、短脉冲的光谱展宽和超 连续谱的产生等。 p c f 强烈的非线性效应和可控的色散特性使其成为产生超连续光谱的有效 手段，其可在可见光或近红外波长可形成光纤孤子，当低功率飞秒激光脉冲在纤 芯中传输时，在很短的长度内就能展宽成很宽的光谱。未经过放大的n j 量级的 飞秒激光脉冲就可以在光纤中产生1 个倍频程( o c t a v e ) 甚至2 个倍频程的超连 续光谱，这为产生脉冲只有几个光学周期的超短脉冲和光学高次谐波提供了新的 方法。自从r a n k a 等报道在p c f 中产生2 个倍频程( 4 0 0 1 6 0 0 n m ) 的超连续光 谱以来，在p c f 中产牛超连续光谱便成为一个新的研究热点。图1 4 是一种高非 线性光子晶体光纤的截面图。 第5 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 目1 自非线性光于晶体光纤的嫡i 目 1 2 4 高双折射特性( h i g hb i r e f r i n g e n c e ) 保偏光纤中双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。普通 单模光纤具有弱的双折射特性，由于受到扭转、弯曲、拉伸等外界的影响，当输 入一个偏振光时，输出端的偏振惫是随机的、不可控的。制作高双折射光纤需要 引入形状双折射或者应力双折射，从而大大增加工艺的难度和制作成本。在p c f 中，只需要破坏p c f 剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折 射。通过减少空气 l 数目或者改变空气孔直径的方式，可咀制成比常用熊猫保偏 光纤岛几个数量级的高舣折射率p c f 保偏光纤口“。如图15 所示为两种类型的 高双折射光子晶体光纤。在2 0 0 0 年有人设计并制作出了高双折射p c f ，其拍长 为o5 6 m m ，远小于传统工艺制作的保偏光纤的拍长( 通常3 m m 左右) 。 hi5 “# 日* ”m 口# * 自目 第6 页 国防科学技术太学研究生院硕士学位论文 1 2 4 极低的能量损耗 损耗是指光信号在传输时能量不断减弱，对于传统单模光纤而言，由于瑞 利散射和材料吸收，它的本征损耗不可避免，这也是传统光纤不可突破的瓶颈之 一。而p c f 则不同，它分为折射率引导型p c f ( 又称实心p c f ) 和光子带隙p c f ( 又称空芯p c f ) ，对于实芯的p c f 损耗达到l d b k m 以下，目前报道的最低 损耗己经达到02 9 d b k m ( 1 5 5 p m ) 3 1 1 ，这一值与普通光纤相当( 0 2 d b k i n ) 由于在传输机制上与普通光纤相同，实芯光子晶体光纤在损耗上不太可能有大幅 度的降低。对于空芯p c f 而言，由于其纤芯是中空的，通常是真空或填充咀气 体，它就不存在瑞利散射和材料吸收，只需将纤芯的管壁做得光滑并增加表面张 力以避免散射理论上空芯的p c f 的传输损耗可以做的很低，中空的结构使得 这类型光子晶体光纤具有更低的本征损耗极限可以达到0l d b k m 的量级，因此 空芯的p c f 在降低损耗上将很有潜力。 1 2 5 易于实现多芯传输 在普通光纤中制备多于2 个的纤芯时非常困难。但在某些情况下，单芯光 纤显然不够。p c f 是通过结构设计、空气孔结构排列后拉丝制成的，该工艺方法 能使多芯结构精确定位而且有很好的纵向均匀性。理论和实验的结果表明：通过 改变空气孔的密度或改变纤芯的位置能够获得具有不同耦台度的多芯光纤。 多芯传输有以下两个优点：一是提高了信道通信的容量二是解决了单芯 难以胜任的复杂通信网络、矢量弯曲传感、光纤耦合等问题。光子晶体光纤使得 多芯的结构能被精确定位且具有良好的轴向均匀性，无须附加其他工艺。 运用捆绑制各工艺可制得足够多芯的光子晶体光纤( 图16 ) ，其工艺与单 芯光于晶体光纤得制备同等简单。多芯光子晶体光纤可充分隔离多种信号，使传 输信号得阻成倍增加，也可离得相当近以便于有效耦合。纤芯可依据需要而相应 排列，因此，可排列成为线形、三角形、四边形、正方形和六边形等。 期i 6 多g 光 a # 光目端i 意目 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 光子晶体光纤的应用 p c f 具有非常大的应用潜力。光子晶体光纤和普通单模光纤相比有3 个突 出的优点：第一，光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；第 二，光子晶体光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；第三， 光子晶体光纤可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。光子晶体光纤 可以把零色散波长的位置移到1l am 以下。由于相当的光功率在空气中传输，意 味着可以用做气体传感；而短波长的反常色散短波长也可产生孤子，同时利用这 一点，超宽连续谱也已经实现。光纤并且具有非常大的色散补偿潜力，适用于超 宽带的w d m 系统。p c f 所具有的优异性能使其在许多p c f 器件中得到广泛应 用。 1 3 1 超连续谱光源的产生 高非线性光子晶体光纤一个最典型的应用是扩展飞秒激光的光谱。超连续 谱的产生通常是指窄带的入射光通过非线性作用光谱得到极大的展宽并得到连 续光谱输出的现象。根据傅里叶变换关系，越宽的频谱分布将支持越短的脉冲宽 度。自从2 0 世纪7 0 年代以来，人们对超连续光的产生进行了深入研究以得到合 适的宽带光源，这一时期的研究主要基于高强度短脉冲在非线性介质中的自相位 调制作用来实现光谱的展宽，由于泵浦源设计复杂、非线性作用长度短，所以得 到的超连续光源的带宽非常有限。普通光纤的出现解决了非线性作用长度短的问 题，但由于其色散主要由石英的材料色散决定，反常色散区通常只能出现在 1 2 7 0 n m 更长的波段，限制了超连续谱的产生。光子晶体光纤的诞生使超连续产 生的研究获得了突破性进展，光子晶体光纤继承了普通光纤的优点，并有其独特 的性质：如无截止单模传输、可灵活设计的色散特性以及高非线性使得它成为超 连续产生最理想的介质。如果这一技术得到突破，这种极短脉冲的获得又将给飞 秒激光领域带来新的冲击。超平坦，超宽带，以及可见光的超连续产生都成为现 实。 1 3 2 光子晶体光纤激光器 光子晶体光纤的纤芯是一个破坏折射率调制周期性的空气孔构成的缺陷， 也可以用石英或者掺杂的石英代替，构成p c f 的纤芯。光子晶体激光器主要体 现在独特的光学特性和巧妙的设计上。它主要利用光子晶体光纤的零色散点可以 选择近红外和可见光区域这一区别于常规光纤的显著特点。目前已经研制出性能 比较卓越p c f 光孤子脉冲激光器和p c f 超连续谱激光光源。p c f 光纤激光器优 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 点体现在利用大模面积稀土掺杂p c f ，已经研制出功率很高的大功率光纤激光 器；同时它还提高了单模输出的能力。 因为p c f 光纤中存在很多不利于光纤焊接的空气孔。所以说环行结构的p c f 很难实现，现在一般采用的大多数都是线形腔结构。如图1 8 所示【3 2 1 。它与常规 的光纤结构不同。p c f 不仅可以灵活的设计纤芯的形状和位置而且还可以根据需 要改变空气的包层结构。这样就提高了对泵浦光的耦合和吸收。通过减短光纤的 长度来减少再吸收的影响并且增加了光纤激光器的调谐范围。 1 3 3 光纤通信 m lm 2 图1 8p c f 激光器基本结构示意 如前所述，p c f 在通信领域的应用是非常有前途的，尤其是对于长途通信 系统。其特殊的结构所带来的优越性是传统光纤所不能比拟的：极低的损耗保证 了信号的长距离传输；极低的非线性效应保证了信号的真度；全波段的单模运转 为波分复用系统提供了充足的信道资源；零色散波长的人为控制避免了信号的相 互串扰。应该说，对于大规模使用光子晶体光纤而言，这种适合于通信系统的带 隙型光子晶体光纤( p b g p c f ) 应该更有研究价值。但是因为理论与实际工艺的 差别，目前使得这种光纤的传输损耗比普通单模光纤还要高，1 5 5 i n n 和1 3 8 i - t m 波长的损耗分别为l d b k m 和2 d b k m ，损耗的主要原因是瑞利散射和o h 吸收。 相对而言，全内反射型光子晶体光纤的传输损耗却己经达到很低的水平，1 5 5 i t m 波长的损耗已经达0 7 d b k m 。但是无论怎样，带隙型光子晶体光纤对于光纤通 信领域仍然具有极强的吸引力，只是还有段路要走。 p c f 使单模工作波段向短波长方向扩展，这为密集波分复用( d w d m ) 系 统中增加复用的信道数提供了充足的波长资源。p c f 的潜在应用还包括高灵敏 度光谱分析、非线性光学传感、可调谐p c f 、p c f 耦合器等。 1 3 4 相干光断层成像技术 相干光断层成像技术( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y o c t ) 是一种应用在 生物或者医学上的对于微米量级的生物组织的横截面进行观测记录的新型成像 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 技术。由于o c t 对物体的纵向分辨率反比于探测光脉冲的光谱宽度因而利用 p c f 获得的超宽带连续光谱就可以提供很高的分辨率。标准的以超发光二极管 作为光源的o c t 系统的纵向分辨率只有1 0 叫5 l | i i l 而采用了光于光纤获得的超 宽带连续光谱作为光源的纵向分辨率可以达到1 l i l i l 左右。2 0 0 0 年h a r t l 等人利 用锁模铁宝石激光脉冲通过光于光纤产生的超连续光谱作为o c t 的光源，对生 物组织的纵向分辨率达到了2 岬这使得人类对于生物的观测认知水平提高了 很多。 1 , 3 5 光频测量 p c f 产生的超连续光谱在光频测量上有着极其重要的应用。可以毫不夸张 地说，正是p c f 所产生的倍频程( 包含基频和倍频) 宽度的超连续光谱在飞秒 激光相干控制方面的重要应用，从而引发丁光频标历史上最具革命性的研究进 展。在此之前的光频测量中，需要借助于数目繁多且庞杂的频率链的分布将光频 转化到微波频段才可以进行测量。以p c f 为基础的飞秒频率标可以将光频与微 波频标直接联系起来，从而使光颇测量系统得到了前所未有的简化。此外，由于 光波的频率高于微波频率5 个数量级，因此利用光频标可阻得到高于微波标准的 时间精度。 1 3 6 光予晶体光纤光栅 黔澜 二! 二生l 丘岂 、j ，( b ) 目l7 f 体纤光女( a ) x 敏* 目# 纤m 藏自 r 镜国( b ) 体m 纤 写 光纤光栅前 ( 宴) 目g 目( m ) d i 光橱避h 缱表示* 月b m p j * 模拟谱 要想使p c f 具有光敏性并写入光栅，应使其含有光敏的纾芯，如锗等。还 可利用其它的增敏技术，如氢载等进一步增大光敏性。如果纤：卷为纯硅或空气洞， 则难使p c f 具有光敏性。如图17 ( a ) 为一舍半径l p m 锗纤芯的p c f ，= o5 ， 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 d = 2 t m ，人= 1 0 1 x m 。整个半气洞的截面区域半径为6 0 r t m ，而整个光纤直径为 2 0 0 i _ t m 最后利用相位掩膜法，2 4 2 n m 紫外光和1 0 7 5 i - t m 掩膜版写入4 c m 的光栅。 测量的光栅透过谱如图3 1 1 ( b ) 。仅有一个反射谐振峰a 反射回光纤。因此这 个谐振峰对应于纤芯传导模的反射，表示这个光纤在1 5 5j - t m 波长处是单模的( 入 b m 矿2 1 1 c o e n 人b 曜，其i l c o 啪仍是纤芯的有效折射率) 。透射谱上其余的谐振峰b 、 c 及d 等对应于p c f 中的高阶泄漏模，类似于传统光纤巾的包层模，只能传输 几厘米远。各个模式的有效折射率仍可用入b 伯g g = 2 ( n c o 。仃+ n p c f i e f t ) 人b 伯g g ，其 中n p c f i e f t 是第i 个谐振模的有效折射率。 1 4 本论文的研究背景及意义 光子晶体光纤的理论和实验研究目前在国际上是一个研究热点，每年发表 的论文以7 0 的速度递增。随着对p c f 研究的广泛深入，对其色散测量方法的 研究越来越引起更多人的关注。 光子晶体光纤的一个重要的应用是超连续谱的产生。超连续谱 ( s u p e r c o n t i n u u m ，s c ) 产生现象是指超短脉冲在非线性介质中传输时由于介质的 非线性效应导致入射脉冲的光谱被极大的加宽的现象。超连续谱产生的发展可以 分为四个阶段【3 3 儿3 4 j 。第一阶段的s c 产生实验主要集中于高功率的短脉冲入射到 表现出与x ( 3 ) 有关的非线性效应的块状介质中；第二阶段为了克服在普通介质中 产生s c 的作用长度不好控制和所需泵浦脉冲功率太高等缺点，人们逐渐对在光 纤中产生s c 进行了研究；第三阶段是使用多波长的光源，由此波分复用 ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 传输使交叉相位调制( c r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ，x p m ) 成为主要的频谱展宽机制；而现在，也就是第四阶段的s c 产 生是伴随着p c f 的研究而发展起来的。 光子晶体光纤的出现，为实现超宽光谱的高能激光提供了一条简单有效的 途径。利用光子晶体光纤的高非线性和色散灵活可控的特性很容易获得超连续谱 白光激光器。其中，精确知道光子晶体光纤的色散特性是研制超连续谱白光激光 器的关键。虽然，国内外提出了很多光子晶体光纤色散数值计算方法，但是由于 结构的特殊性，这些方法都只能给出光子晶体光纤色散参数的近似值，想要精确 地知道光子晶体光纤的色散特性，目前唯一的方法就是实验测量。因此，本论文 的目的就是建立一套高精度的光子晶体光纤色散测量系统，为超连续谱白光激光 器的研制提供精确的光子晶体光纤色散特征参数。 本论文的研究不仅能为超连续谱激光器的研制打下坚实的基础，而且，高 精度的光子晶体光纤色散测量系统也具有广泛的商用价值。当前光子晶体光纤是 国内外研究的热点，很多应用都必须预先知道其色散特性，而目前市面上还没有 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 一款专门针对光子晶体光纤设计的色散测量仪器设备，大多采用传统光纤的色散 测量系统，而且目前商用光纤色散系统价格昂贵，测量波段局限于通信波段( 1 5 3 0 1 6 2 5 n m ) ，光子晶体光纤与传统光纤在结构和色散特性以及应用范围上存在 较大的差别，传统商用的色散测量系统在测试光子晶体光纤时存在很大的限制。 如果我们对研制的色散测量系统进行结构优化设计，同时优化测量程序，将可以 得到一款高精度的调用光子晶体光纤色散测量系统，具有非常广泛的应用前景， 并将产生巨大的经济效益。 1 5 本论文的主要工作与创新点 论文的主要研究内容包括：利用基于多极法的c u d o sm o fu t i l i t i e s 软件包 和利用经验关系式求解的经验公式法对光子晶体光纤的色散特性进行了详细的 理论研究，并对这两种仿真软件进行了比较；设计并搭建了一套基于超连续谱白 光光源的马赫一曾德尔型干涉测量装置，在超宽波段内实现了对p c f 色散参数 的高精度测量。 论文在结构安排上共分五章，各章的主要内容如下： 第一章，主要介绍了课题的研究背景和国内外研究现状。 第二章，主要对光子晶体光纤的色散特性进行了较全面的介绍。 第三章，主要介绍了目前常用的p c f 数值计算方法，并对p c f 的色散特性 进行了仿真分析。 第四章，主要介绍了本论文设计并搭建的基于超连续谱白光光源和马赫一 曾德尔光学干涉仪的色散测量系统，以及利用该系统对两种光子晶体光纤和一种 普通掺杂光纤进行的色散测量实验，并将实验结果与理论仿真结果进行了比较分 析。 第五章，简单总结了本论的主要工作，并课题的进一步发展进行了展望。 本论文的创新点主要包括： 一、设计并搭建了一套能够实现宽波段、高精度光子晶体光纤色散测量的 实验系统。 二、对光子晶体光纤的色散特性进行了理论研究和实验测量。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章光子晶体光纤的色散