光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展

1、第卷第期年月文章编号：1007-791X(2008)02-0134-06燕山大学学报光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展高（摘飞，侯蓝田，刘兆伦，苑金辉）燕山大学红外光纤与传感研究所，河北秦皇岛要：首先介绍了光子晶体光纤中的非线性现象以及其形成原因，分析了非线性系数与光子晶体光纤结构参数之间的关系，随后主要论述了在光子晶体光纤中获得较高非线性系数的方法，最后对现有的测量光子晶体光纤非线性系数的方法进行了概括与比较。关键词：光子晶体光纤；非线性效应；非线性系数中图分类号：TN253文献标识码：A光子晶体光纤中的非线性一般来讲，在高强度电磁场的作用下，任何电介质对光的响应都不是线性的，这是因为非线

2、性效应和介质的极化率相关，在强的电磁场中，就会导致材料中电子的非线性激发出的原子核位移和原子轨道的畸变，引起束缚电子的非谐振运动，因而显现出非线性效应。结果就会导致电偶极子的极化强度对于电场是非线性的，通常满足关系式应时，光纤中的非线性效应由于其作用长度长而有其独特之处。在光纤中存在的非线性效应主要包括以下几种：三次谐波（自相位调制（激拉曼（），四波混频（），），受）等等。），交叉相位调制（）和受激布里渊散射（测量非线性时常用自相位调制，所谓自相位调制是指光场在光纤内传输时光场本身引起的相移，其大小可以通过记录光场相位的变化得到式中，为电极化率。由于二氧化硅分子是对称结构，因而石英玻璃的等于零

3、，因此光纤通常不显示二阶非线性效应，光纤中的最低阶非线性效应起源于三阶电极化率。光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折射率，而光纤的折射率可表示成而非线性相移就是这为测量非线性系数提供了一种思路。光子晶体光纤由于其高度可调的结构和色散特性，使其非线性效应独具特点，它可以通过改变光纤包层与纤芯的几何结构有效地控制和调节其中的非线性光学过程，诸如通过产生脉冲压缩和展宽、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强等效应，另外也有自相位调制、二次谐波和四波混频等参量过程。特别是利用激光脉冲通过微结构光纤产生的超连续谱的现象引起了人们的极大关注。的许多特性与光纤的结构密切相关，使其具有了许多传统光纤所不具备的优点

4、，这也就是拉制高）；国家自然科学基金资助项目（）式中，就是非线性折射率系数，它与三阶电极化率有关在研究光与物质相互作用过程中的非线性效收稿日期：作者简介：高飞（基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（），男，河北任丘人。硕士研究生。主要研究方向为光子晶体光纤。第 期 高 飞 等 光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展 非线性 的重要意义之一 。 按导光机理可以粗略的分为两类： 即折射 率引导型光子晶体光纤（ 晶体光纤（ ）和光子带隙型光子 所示。其中，折 在 以得到 型光纤中， 是二氧化硅的折射率， 、 中非线性系数 ） ，其结构如图 可由包层基模的有效折射率 来代替， 于是，就可 射率引导

5、型光子晶体光纤是在二维光子晶体中心 引入实芯来制作的， 以其优异的高非线性特性成为 人们研究的热点。 再根据全矢量有效折射率方法 层基模有效折射率 可以计算得到包 这样，由式 折射率引导型光子晶体光纤 光子带隙型光子晶体光纤 和 就可以求得非线性系数和 和图 分别是 时以及 ， 以及光频率 的关系。 图 处， ， 取 ， 取 图 燕山大学拉制的光子晶体光纤端面图 时 取值。 非线性系数和结构的关系 光纤中以非线性系数 来表征非线性的大小， 通常将其定义为 式中， 是真空中的波长， 些文献中也定义为： 没有太大的区别。 是有效模面积。在有 ，这两个定义在本质上 图 非线性系数与空气孔大小的关系

6、从麦克斯韦方程组出发， 同时采用慢变振幅近 似， 并把非线性感应电极化强度看作总感应电极化 强度的微扰，就可得到脉冲在光纤内的传输方程 在折射率引导型光子晶体光纤中， 对石英材料非线 性折射率系数的取值如下， 是有效纤芯面积 。 ， ， 图 非线性系数与空气孔间距的关系 ， 采用全矢量有效折射率方法进行数值处理 可以知道对于阶跃型光纤，模场直径为： 而数值孔径 ，因此有 ，同时有效模面积为 燕山大学学报由图可知，的非线性系数随着空气孔增大而增大，随着孔间距减小而增大，可见空气填充率较大的应该会有较大的非线性系数。图是波长与非线性系数的关系（空气孔半径，孔间距）。非线性系数随波长的增大而减小，而

7、且在短波段的理论计算有很大的值。图波长与非线性系数的关系中获得高非线性的方法通过上面的讨论可以看到，在光子晶体光纤中，由于高度可调的结构和色散特性，就可以合理选择结构以及填充非线性材料来的到所需的光纤。而的高非线性一直都是颇受关注的课题，研究人员试图采用各种方法来提高非线性系数并对此展开了一系列的理论和实验研究，并取得了一定的成果。通过数值分析以及非线性系数的定义可以看出要想提高非线性系数，一般来采取两种办法，一是减小，二是增大。而对于空气填充率，如若不考虑其他因素则是越大越好。图是有效模面积（非线性系数）随纤芯直径变化关系，可见减小纤芯直径有助于减小，增大非线性系数。但是，不能只是一味的减小

8、纤芯直径，这是由于尽管单位面积上的光能量会很大，然而由于纤芯较小，耦合进纤芯的总能量就不会很大，这样，其产生的非线性效应也不会很强。而提高，一般有两种途径：一是在在纤芯中掺杂（如掺锗等材料），这样也可以加强对光的限制；另一个是使用高非线性折射率材料。这就是光线设计和拉制中注意的两个问题。图有效模面积、非线性系数与纤芯直径关系图中非线性研究进展在光纤非线性研究中，不能仅考虑增大非线性系数，增强非线性效应，还应该结合实际，在达到高非线性的时候，对于色散损耗也应予以考虑，这样才会得到更好的应用。公司于年的会议中就已经提出了一种零色散波长在处的非线性系数较高的，其可达到，这种光纤的平均孔间距是，平均空

9、气孔直径是，其纤芯直径为，光纤外径，零色散点在处。可以看到，在光子晶体光纤中可以兼顾高非线性系数的同时灵活设计光纤的色散，这是传统光纤所不可比拟的。年，意大利的大学采用数值模拟的方法，模拟了兼顾最佳色散斜率和较高非线性系数（约）的。通过改变空气孔直径和孔间距来调整的结构，进而数值模拟色散和非线性系数，从而得到所需参数设计的光纤。该方法为设计高非线性系数色散平坦光纤提供了理论指导。到年为止，高非线性光子晶体光纤研究进展如下。南安普顿大学光电子学研究中心研制的折射率引导型光纤，纤芯直径约，处的非线性系数，而南安普顿大学等人采用小芯径硅酸盐多孔，在通信波长处达到了；同时，英国的公司拉制出了一系列的高

10、非线性光纤，其非线性系数范围为。而丹麦的公司也拉制出了非线性系数为的光纤。莫斯科国家大学拉制的，第期高飞等光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展非线性系数在处达到的是处达到，在个和色散都有限制，同时在非线性相移的测量中存在着很大的不确定性，对光脉冲的初始波形也有要求。优点就是方法简便，容易实现光的耦合。图是的实验装置图。调节输入光源，不过这种光纤使用玻璃，采用了小纤芯，纤芯周围为与芯基本相同的小空气孔，再外面才是包层空气孔，理论分析可知采用这种结构的二氧化硅光纤的非线性系数也将会是很大的数值。的两个激光器，使其频率接近，就可以产生拍频信号。忽略色散拍频信号在被测光纤中传播所产生的非线性相移可以表

11、示为非线性系数测量单模光纤中非线性系数的测量以下是几种测试光纤非线性系数的方法，其中，。产生的非线主要是使用了自相位调制，交叉相位调制以及四波混频这些非线性效应来测量。目前，已提出的非线性系数测量方法有：单脉冲激光器（法、双连续激光器（法、图法等等。是的实验装置图，它由脉冲激光器）的）的法、要获得非线性系数，只要有性相移就可以，非线性相移可以在频域中测得。将第一式做傅立叶变换，就可以得到零阶谐波和一阶谐波的比产生高斯脉冲，输入测试光纤之后最终要测量的是所致的展宽频谱中峰的数目。由非线性光纤光学可知，与系为公式效应产生的非线性相移关，据此就可以求得非线性相移，由就可以得到非线性系数。这种这样就可

12、以通过测量得到的值得到相移从而得到非线性系数。这种方法仅需要普通的泵浦源，不需太长的光纤，可测试高色散值的光纤。但是，色散、光纤长度、两个光源的波长间隔和注入功率等这些测试条件对结果的准确性很关键。方法需要特殊的窄脉冲光源，对所测试光纤的长度图单脉冲激光器法的实验装置图燕山大学学报图、图分别是交叉相位和四波混频测量的实验装置图，前一个是通过测量得到基波和一次谐波的比来计算光强度与所引起的相移，从而得到非线产生的光强度之比，非线性系数就性系数；后一个则是从输出信号光谱图中得到泵浦图交叉相位调制测量非线性系数实验装置图图四波混频测量非线性系数实验装置图作用的认识，扩展了光纤的应用领域，本文主要介绍

13、了中非线性的成因和现象，如何获得较高中的非线的非线性系数，以及一些非线性系数的测量方法，这只是简要的介绍，期望对今后的性研究工作的展开有所帮助。图中测量的到的典型频谱图第 期 参考文献 高 飞 等 光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展 钱士雄 王恭明 非线性光学原理与进展 旦大学出版社 谭维翰 非线性与量子光学 上海 复 刘洁 杨昌喜 金国藩 等 一种新型高非线性色散平坦光子 晶体光纤结构 光学学报 北京 科学出版社 王清月 栗岩锋 胡明列 等 光子晶体光纤非线性特性的研 究 物理 。 孙喜文 王清月 胡明列 等 光子晶体光纤中非线性传输的 数值分析 中国激光 胡明列 王清月 栗岩锋 等 飞秒激光在光子晶体光纤中产 生超连续光谱机制的实验研究 物理学报 陈国庆 单模光纤有效面积测量研究 李春雷 盛秋琴 光子晶体光纤非线性系数与其结构参量及光 波长的关系 光子学报 陈