非线性光纤光学

1、 2014年 春 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:非线性光纤光学 学生所在院（系）:理学院物理系学生所在学科:光学学 生 姓 名Xxx学 号:13Sxxx学 生 类 别:学术型考核结果阅卷人 第 1 页 （共 页）光子晶体光纤简介摘要：光子晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤，其特点是包层排列有规则或随机分布的波长量级的空气孔。包层中的微结构使得光子晶体光纤能够呈现出许多传统光纤不具备的特性，在光纤通信、色散补偿以及非线性光学等领域有着广泛的应用. 一 历史背景光子晶体光纤的概念最早在1992年由St.J.Russell等人提出1，其初衷是要在光纤中引入光子带隙效应实现对光的

2、导引。受到制备工艺的限制，直到1996年首根光子晶体光纤才成功问世，光纤横截面如图1-1(a)所示。该光纤具有独特的无尽单模传输特性，在学术界和产业界引起极大的轰动。然而研究发现，该光纤虽然具有周期性的包层结构，但遵循的是传统光纤的全反射型导光机制(Total Internal Reflection，TIR)，并未利用光子带隙效应。进一步分析表明，这一类光纤的传输特性并不依赖于包层气孔的周期排布。在特定条件下，无序排布的气孔结构也可以实现无尽单模传输。人们将这一类光纤称为全内反射型光子晶体光纤(TIR-PCF)或折射率导引型光子晶体光纤。TIR-PCF的成功研制为光子晶体光纤的定义增添了新内容

3、，并开启了光子晶体光纤技术研究的序幕。图1-11998年，J.C.Knight等人研制出依靠光子带隙效应导光的首根真正意义上的“光子晶体”光纤，如图1-1(b)所示。区别于TIR-PCF，人们将这一类光纤称为光子带隙型光纤(PBG-PCF)。 1999年，R.F.Cregan等人成功研制出大空气芯导光的PBG-PCF。以空气作为传光介质意味着超低的传输损耗、超低非线性以及超低色散传输，这在传统光纤中是难以实现的。PBG-PCF的问世宣告光子晶体光纤全面登上历史舞台。自此，光子晶体光纤进入高速发展阶段，并迅速占领众多科技领域的研究最前沿2。目前，光子晶体光纤的应用研究己经逐渐覆盖到通信、传感、非

4、线性光学、光谱学，乃至生物医学等众多科技领。随着研究的进一步深入，各种新型光子晶体光纤仍在不断涌现，基于光子晶体光纤的新应用同样日渐丰富。二 光子晶体2.1基本概念光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。图2.1-1分别为一维到三维的光子晶体。 图2.1-1同时，由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折

5、射率的周期变化.在周期性介质中，电场满足麦克斯韦波动方程： (2-1)式中，为常数，可以认为是介质的平均介电常，是扰动介电常数，c为真空中的光速。在周期性势场中，电子的波函数满足薛定愕方程： (2-2)式中，为普朗克常数，为电子的能量，在周期性势场中只能取本征值.可以看出，方程(2-1)与(2-2)的形式完全相似. 在周期性势场中只能取本征值，因此，在周期性介电晶体中，也只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙3，如图2.1-2所示。 图2.1-2频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。因此，光子晶体就是折射率呈周期分布的

6、光学介质。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波-当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能形成能带结构。能带与能带之间出现光子带隙。能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。2.2光子晶体光纤光子晶体光纤又名微结构光纤(Microstructured optical fiber，MOF)或多孔光纤 (Holeyfiber，HF)，它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔对光进行约束，从而实现光的轴向传输。光子

7、晶体光纤以其独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。图2.2为各种不同结构的光子晶体光纤。图2.2 各种不同结构的光子晶体光纤2.2.1光子晶体光纤的导光原理4 根据纤芯引入缺陷态的不同 , PCF导光机理可以分为两类:全内反射型和光子带隙型。a 全内反射型 PCF导光原理周期性缺陷的纤芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包层折射率 (空气 ) ,从而使光能够在纤芯中传播,这种结构的 PCF导光机理依然是全内反射 ,但与常规G.652光纤有所不同 ,由于包层包含空气 ,所以这种机理称为改进的全内反射 ,如图 2-1所示。这是因

8、为空芯 PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。图2-1b 光子带隙型 PCF导光机理5理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯 PCF的传导条件 ,即光子带隙导光理论。在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低 ,但仍能保证光不折射出去 ,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时 ,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播 ,光被限制在中心空芯之内传输。如图 2-2所示 ,这种 PCF可传输 99%以上的光能 ,而空间光衰减极低 ,光纤衰减只有标准光纤的 1 /21 /4。图2-2空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空

9、芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。三 不同种类的光子晶体光纤 光子晶体光纤的种类多种多样，下面简单介绍几种。图3为不同种类的光子晶体光纤示意图。1. 高非线性光子晶体光纤高非线性光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。通过选择相应的纤芯直径，零色散波长可以选定在可见光和近红外波长范围(670nm880nm)，使得这些光纤特别适合于采用掺钛蓝宝石激光或Nb3+

10、泵浦激光光源的超连续光发生器。Blazephotonics的光子晶体光纤非线性效应可达245W-1km-1，可用于频率度量学、光谱学或光学相干摄影学中超连续光发生器。2. 宽带单模光子晶体光纤常规单模光纤实际上是波长比二次模截止波长小的多模光纤，而宽带单模光子晶体光纤是真正意义上的单模光纤。这种特性是由于其包层由周期性排列的多孔结构构成。Blazephotonics的宽带单模光子晶体光纤的损耗低于0.8dB/km，主要用于空间单模场宽带辐射传输，短波长光传输，传感器和干涉仪。3. 保偏光子晶体光纤传统保偏光纤双折射现象由纤芯附近差异热扩张的合成材料形成，当光纤在拉制降温过程中差异热扩张产生压力

11、。相反保偏光子晶体光纤是由非周期结构纤芯中空气和玻璃的大折射率差而形成双折射现象，从而得到更小的拍长，减小偏振态和保偏消光比之间的耦合曲率。例如Blazephotonics的保偏光子晶体光纤还有比传统保偏光纤低得多的温度敏感性，其拍长可小于4mm(1550nm波长)，损耗小于1.5dB/km。主要用于光传感器、光纤陀螺和干涉仪。4. 超连续光谱发生器的光子晶体光纤超连续光子晶体光纤是特别设计用来把一种新的Q变换Nb3+微芯片激光器变成一种结构紧密，低成本，谱宽覆盖550nm1600nm范围，平坦度好于5dB的超亮光超连续光源。由于有较好的色散系数，20m长的这种光纤就可以实现与脉冲为1ns，重

12、复率为6k，与1064nm平均功率为几十毫瓦激光器具有几乎相同的变换效率。超连续光源主要应用于光子学设备的测试、低相干白光干涉计、光相干摄像和光谱学中。5. 大数值孔径多模光子晶体光纤大数值孔径多模光子晶体光纤中的光是在由同心环的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。由于实心纤芯和包层的大折射率差，使得该光纤数值孔径比全硅多模光纤大得多。大数值孔径增加了从白炽灯或弧光灯热光源和从低亮度半导体激光器获取光的能力。这种光纤在633nm处数值孔径可达0.6，主要应用于白炽灯或弧光灯光的传输、低亮度泵浦激光的传输以及光传感器中。图3 不同种类的光子晶体光纤示意图四 光子晶体光纤的主要特性6 PCF有如下

13、特点：结构设计灵活，具有各种各样的小孔结构;纤芯和包层折射率差可以很大;纤芯可以制成多种样式;包层折射率是波长函数，包层性能反映在波长尺度上。因此PCF有许多特性,这样有效地扩展和增加了光纤的应用领域。1. 无截止单模。光子晶体光纤在其空气孔径与孔间距之比小于0.2时, 无论什么波长都能单模传输, 与传统光纤随着纤芯尺寸的增加会出现多模化的特性比; 似乎不存在截止波长,这就是无截止单模传输特性. PCF 可在从蓝光到2的光波下单模传输, 且与光纤的绝对尺寸无关, 所以通过改变空气孔间距来调节模场面积. 小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性。这有利于提高或降低光学非线性, 可用在低非线

14、性通信用光纤, 高光功率传输等方面。2. 灵活的色度色散。真空中材料色散为零，空气中的材料色散也非常小，空气芯PCF的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活，就光子晶体光纤的结构特征来说，它对波导色散有较高的控制性. 只要改变孔径与孔间距之比, 即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态, 例如零色散波长可以向短波大大推进, 具有优性质的色散平坦等等.3. 良好的非线性效应。在光子能隙导光PCF中, 可以通过减小光纤的模场面积 (或者减小PCF纤芯空气孔直径)来增强单位有效面积上的光强,从而增强非线性效应, 使光子晶体光纤同时具备强非线性和快速响应的特性.根据现有的技术水平,

15、各种典型非线形光纤器件的非线性环形镜等就可以比普通光纤短100倍.这一特性为制造大有效面积 PCF奠定了技术基础.4. 高双折射效应。在PCF 中,通过改变其包层结构可制出高双折射效应的PCF, 只要破坏光子晶体光纤剖面的圆对称性, 使其成为二维结构就可以形成很强的双折射. 实际中可通过减少一些空气孔,或者改变一些空气孔的尺寸来获得高的双折射特性。5. 光子晶体光纤的非线性现象减小光纤模场面积，可增强非线性效应，从而使光子晶体光纤同时具有强非线性和快速响应特性。常规光纤有效截面积在50-100m量级，而光子晶体光纤可以做到1m量级，所以各种典型非线性光纤器件如科尔光闸、非线性环形镜等就可以做成

16、比普通光纤短100倍。通过改变孔间距可以调节有效模场面积，调节范围在1.5m波长处约为1-800m。在孔中可以装载气体，也可以装载低折射率液体，从而使光子晶体光纤具有可控制的非线性。6.对光路的弯曲程度要求较小PBG 导光的 PCF 允许出现大于直角的光路弯曲， 甚至可以在弯曲曲率半径小于波长的条件下传播， 因而可以在光耦合系统中极大地提高耦合效率和弯曲状态下的传光效率。7.较为广泛的传感应用如果在空芯中充入特定的气体或一定折射率的液体，它们与传导模式中的光可能有非常强的相互作用，这在气体传感及检测、利用非线性过程产生多种光波长以及进行材料的非线性光学性质研究方面有极为广泛的用途。五 近几年光

17、子晶体光纤的发展 1996年，英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先报道了成功制备出PCF。莫斯科大学A.M.Zheltikov 等人也进行了包层具有周期分布空气导孔的多孔光纤的研制。研究发现，改变多孔光纤包层的几何结构，可有效地增强光纤中非线性效应。这种方法可应用于脉冲压缩、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强。2001年，英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。双包层光子晶体光纤掺杂离子为Yb3+离子，纤芯直径15.2m，数值孔径0.11，内包层直径150m，数值孔径0.8，利用20W光纤耦合二极管阵列泵浦该光纤，光纤长度为17m，获得了3.9W功率输

18、出，斜效率21%。实验中发现，双包层光子晶体光纤存在随机散射中心，说明纤芯中存在着缺陷，有待进一步完善光子晶体光纤的结构。m的孤子脉冲，脉宽为55fs，所用PCF芯径为1.7m，零色散波长大约在0.69m处。2003年1月，Wadsworth等人报导了利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器，其结构为双程后向线性腔结构，最大输出功率3.9W，斜率效率30%，实现单横模运转。所采用的PCF纤芯直径为15m，内包层数值孔径大于0.8。为了使包层中的泵浦光最大限度的耦合到纤芯中，提高纤芯对泵浦光的吸收，PCF的掺杂纤芯采用了偏芯设计。2004年初，Blaze曾发布了一款新型PCF，该光纤是

19、针对Nd3+微芯片激光器特别优化设计的，可产生超连续光谱，这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出，光谱亮度超过太阳10000倍。Blaze表示利用微芯片激光器和PCF可获得高性能光源，将会取代Lamp和超高亮度LED等传统的宽带光源。2004年，清华大学研究人员理论上计算了PCF的色散值，所选择PCF结构参数为：空气孔间距为0.8m，空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。计算得到在1.55mPCF的色散值可以达到-2050ps/(km.nm)，可以补偿120倍长度的G.652光纤(17ps/(km.nm)，可以补偿240倍长度的G.655光纤(8.2ps/(km.nm)，从而大大缩短了色散补

20、偿光纤的长度。PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。2005年，英国Bath大学A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱，日本电报电话公司T.Yamamoto等人用波长1562nm、脉宽2.2ps、重复频率40GHz的光脉冲注入到200m长的色散平坦保偏PCF中，在1550nm区域产生了超过40nm的均匀超连续谱，而美国Rochester大学Z.M.Zhu等人利用丹麦Crystal Fiber A公司低双折射、高非线性PCF获得6001000nm的超连续谱。六 总结和展望光子晶体光纤全新的结构和导光机制，优

21、越的导模特性、优异的设计自由度给光纤通信及相关领域提供了一个广阔的发展平台，光子晶体光纤技术必将为光子技术带来深刻的变化。然而光子晶体光纤的研究才刚刚起步，许多方面还不成熟，有许多问题尚待解决。首先，目前PCF的损耗还比较高，虽然在理论上PCF的损耗值可以降到低于普通单模光纤的水平，即在处低于，但目前PCF的损耗水平被限制在了左右或更高的水平上。因此光子晶体光纤在实际用于长距离光纤通信之前还有许多工艺上的问题必须解决。其次，由于PCF一些比较奇异的参数，使得它的耦合的方法与传统的光纤有着极大的不同，并且PCF的尾端需要进行密封，否则由于毛细管效应，光纤会吸人液体或者气体。因此，在PCF大规模使用之前，需要解决P