非線性光纖光學(xué)

1、 2014年 春 季學(xué)期研究生課程考核（讀書報告、研究報告）考核科目:非線性光纖光學(xué) 學(xué)生所在院（系）:理學(xué)院物理系學(xué)生所在學(xué)科:光學(xué)學(xué) 生 姓 名Xxx學(xué) 號:13Sxxx學(xué) 生 類 別:學(xué)術(shù)型考核結(jié)果閱卷人 第 1 頁 （共 頁）光子晶體光纖簡介摘要：光子晶體光纖是近年來出現(xiàn)的一種新型光纖，其特點是包層排列有規(guī)則或隨機分布的波長量級的空氣孔。包層中的微結(jié)構(gòu)使得光子晶體光纖能夠呈現(xiàn)出許多傳統(tǒng)光纖不具備的特性，在光纖通信、色散補償以及非線性光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用. 一 歷史背景光子晶體光纖的概念最早在1992年由St.J.Russell等人提出1，其初衷是要在光纖中引入光子帶隙效應(yīng)實現(xiàn)對光的

2、導(dǎo)引。受到制備工藝的限制，直到1996年首根光子晶體光纖才成功問世，光纖橫截面如圖1-1(a)所示。該光纖具有獨特的無盡單模傳輸特性，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界引起極大的轟動。然而研究發(fā)現(xiàn)，該光纖雖然具有周期性的包層結(jié)構(gòu)，但遵循的是傳統(tǒng)光纖的全反射型導(dǎo)光機制(Total Internal Reflection，TIR)，并未利用光子帶隙效應(yīng)。進一步分析表明，這一類光纖的傳輸特性并不依賴于包層氣孔的周期排布。在特定條件下，無序排布的氣孔結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)無盡單模傳輸。人們將這一類光纖稱為全內(nèi)反射型光子晶體光纖(TIR-PCF)或折射率導(dǎo)引型光子晶體光纖。TIR-PCF的成功研制為光子晶體光纖的定義增添了新內(nèi)容

3、，并開啟了光子晶體光纖技術(shù)研究的序幕。圖1-11998年，J.C.Knight等人研制出依靠光子帶隙效應(yīng)導(dǎo)光的首根真正意義上的“光子晶體”光纖，如圖1-1(b)所示。區(qū)別于TIR-PCF，人們將這一類光纖稱為光子帶隙型光纖(PBG-PCF)。 1999年，R.F.Cregan等人成功研制出大空氣芯導(dǎo)光的PBG-PCF。以空氣作為傳光介質(zhì)意味著超低的傳輸損耗、超低非線性以及超低色散傳輸，這在傳統(tǒng)光纖中是難以實現(xiàn)的。PBG-PCF的問世宣告光子晶體光纖全面登上歷史舞臺。自此，光子晶體光纖進入高速發(fā)展階段，并迅速占領(lǐng)眾多科技領(lǐng)域的研究最前沿2。目前，光子晶體光纖的應(yīng)用研究己經(jīng)逐漸覆蓋到通信、傳感、非

4、線性光學(xué)、光譜學(xué)，乃至生物醫(yī)學(xué)等眾多科技領(lǐng)。隨著研究的進一步深入，各種新型光子晶體光纖仍在不斷涌現(xiàn)，基于光子晶體光纖的新應(yīng)用同樣日漸豐富。二 光子晶體2.1基本概念光子晶體（Photonic Crystal）是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分別獨立提出，是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計和制造的晶體。光子晶體具有波長選擇的功能，可以有選擇地使某個波段的光通過而阻止其它波長的光通過其中。圖2.1-1分別為一維到三維的光子晶體。 圖2.1-1同時，由于介電常數(shù)存在空間上的周期性，引起空間折

5、射率的周期變化.在周期性介質(zhì)中，電場滿足麥克斯韋波動方程： (2-1)式中，為常數(shù)，可以認為是介質(zhì)的平均介電常，是擾動介電常數(shù)，c為真空中的光速。在周期性勢場中，電子的波函數(shù)滿足薛定愕方程： (2-2)式中，為普朗克常數(shù)，為電子的能量，在周期性勢場中只能取本征值.可以看出，方程(2-1)與(2-2)的形式完全相似. 在周期性勢場中只能取本征值，因此，在周期性介電晶體中，也只能取某些特征值，光波的頻率也因此只能取某些本征頻率，從而出現(xiàn)了頻率禁帶，這種禁帶叫做光子禁帶或者光子帶隙3，如圖2.1-2所示。 圖2.1-2頻率落在禁帶中的光或電磁波是被嚴格禁止傳播的。因此，光子晶體就是折射率呈周期分布的

6、光學(xué)介質(zhì)。與半導(dǎo)體晶格對電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波-當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)光子帶隙。能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進入該晶體。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過設(shè)計和制造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的。2.2光子晶體光纖光子晶體光纖又名微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured optical fiber，MOF)或多孔光纖 (Holeyfiber，HF)，它通過包層中沿軸向排列的微小空氣孔對光進行約束，從而實現(xiàn)光的軸向傳輸。光子

7、晶體光纖以其獨特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，靈活的制作方法，使得PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性，有效地擴展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。圖2.2為各種不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖。圖2.2 各種不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖2.2.1光子晶體光纖的導(dǎo)光原理4 根據(jù)纖芯引入缺陷態(tài)的不同 , PCF導(dǎo)光機理可以分為兩類:全內(nèi)反射型和光子帶隙型。a 全內(nèi)反射型 PCF導(dǎo)光原理周期性缺陷的纖芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包層折射率 (空氣 ) ,從而使光能夠在纖芯中傳播,這種結(jié)構(gòu)的 PCF導(dǎo)光機理依然是全內(nèi)反射 ,但與常規(guī)G.652光纖有所不同 ,由于包層包含空氣 ,所以這種機理稱為改進的全內(nèi)反射 ,如圖 2-1所示。這是因

8、為空芯 PCF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長還小的緣故。圖2-1b 光子帶隙型 PCF導(dǎo)光機理5理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實芯和空芯 PCF的傳導(dǎo)條件 ,即光子帶隙導(dǎo)光理論。在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空氣,空氣芯折射率比包層石英玻璃低 ,但仍能保證光不折射出去 ,這是因為包層中的小孔點陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時 ,其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播 ,光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。如圖 2-2所示 ,這種 PCF可傳輸 99%以上的光能 ,而空間光衰減極低 ,光纖衰減只有標準光纖的 1 /21 /4。圖2-2空芯PCF光子能隙傳光機理具體解釋為：在空

9、芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳光機理是利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空芯PCF中不能發(fā)生全內(nèi)反射，包層中的小孔點陣結(jié)構(gòu)起到反射鏡的作用，使光在許多小孔的空氣和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。三 不同種類的光子晶體光纖 光子晶體光纖的種類多種多樣，下面簡單介紹幾種。圖3為不同種類的光子晶體光纖示意圖。1. 高非線性光子晶體光纖高非線性光子晶體光纖中的光是在由周期性排列的硅材料空氣孔圍成的實心硅纖芯中傳輸。通過選擇相應(yīng)的纖芯直徑，零色散波長可以選定在可見光和近紅外波長范圍(670nm880nm)，使得這些光纖特別適合于采用摻鈦藍寶石激光或Nb3+

10、泵浦激光光源的超連續(xù)光發(fā)生器。Blazephotonics的光子晶體光纖非線性效應(yīng)可達245W-1km-1，可用于頻率度量學(xué)、光譜學(xué)或光學(xué)相干攝影學(xué)中超連續(xù)光發(fā)生器。2. 寬帶單模光子晶體光纖常規(guī)單模光纖實際上是波長比二次模截止波長小的多模光纖，而寬帶單模光子晶體光纖是真正意義上的單模光纖。這種特性是由于其包層由周期性排列的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成。Blazephotonics的寬帶單模光子晶體光纖的損耗低于0.8dB/km，主要用于空間單模場寬帶輻射傳輸，短波長光傳輸，傳感器和干涉儀。3. 保偏光子晶體光纖傳統(tǒng)保偏光纖雙折射現(xiàn)象由纖芯附近差異熱擴張的合成材料形成，當(dāng)光纖在拉制降溫過程中差異熱擴張產(chǎn)生壓力

11、。相反保偏光子晶體光纖是由非周期結(jié)構(gòu)纖芯中空氣和玻璃的大折射率差而形成雙折射現(xiàn)象，從而得到更小的拍長，減小偏振態(tài)和保偏消光比之間的耦合曲率。例如Blazephotonics的保偏光子晶體光纖還有比傳統(tǒng)保偏光纖低得多的溫度敏感性，其拍長可小于4mm(1550nm波長)，損耗小于1.5dB/km。主要用于光傳感器、光纖陀螺和干涉儀。4. 超連續(xù)光譜發(fā)生器的光子晶體光纖超連續(xù)光子晶體光纖是特別設(shè)計用來把一種新的Q變換Nb3+微芯片激光器變成一種結(jié)構(gòu)緊密，低成本，譜寬覆蓋550nm1600nm范圍，平坦度好于5dB的超亮光超連續(xù)光源。由于有較好的色散系數(shù)，20m長的這種光纖就可以實現(xiàn)與脈沖為1ns，重

12、復(fù)率為6k，與1064nm平均功率為幾十毫瓦激光器具有幾乎相同的變換效率。超連續(xù)光源主要應(yīng)用于光子學(xué)設(shè)備的測試、低相干白光干涉計、光相干攝像和光譜學(xué)中。5. 大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖中的光是在由同心環(huán)的硅材料空氣孔圍成的實心硅纖芯中傳輸。由于實心纖芯和包層的大折射率差，使得該光纖數(shù)值孔徑比全硅多模光纖大得多。大數(shù)值孔徑增加了從白熾燈或弧光燈熱光源和從低亮度半導(dǎo)體激光器獲取光的能力。這種光纖在633nm處數(shù)值孔徑可達0.6，主要應(yīng)用于白熾燈或弧光燈光的傳輸、低亮度泵浦激光的傳輸以及光傳感器中。圖3 不同種類的光子晶體光纖示意圖四 光子晶體光纖的主要特性6 PCF有如下

13、特點：結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu);纖芯和包層折射率差可以很大;纖芯可以制成多種樣式;包層折射率是波長函數(shù)，包層性能反映在波長尺度上。因此PCF有許多特性,這樣有效地擴展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。1. 無截止單模。光子晶體光纖在其空氣孔徑與孔間距之比小于0.2時, 無論什么波長都能單模傳輸, 與傳統(tǒng)光纖隨著纖芯尺寸的增加會出現(xiàn)多?；奶匦员? 似乎不存在截止波長,這就是無截止單模傳輸特性. PCF 可在從藍光到2的光波下單模傳輸, 且與光纖的絕對尺寸無關(guān), 所以通過改變空氣孔間距來調(diào)節(jié)模場面積. 小模場有利于非線性產(chǎn)生，大模場可防止發(fā)生非線性。這有利于提高或降低光學(xué)非線性, 可用在低非線

14、性通信用光纖, 高光功率傳輸?shù)确矫妗?. 靈活的色度色散。真空中材料色散為零，空氣中的材料色散也非常小，空氣芯PCF的色散非常特殊。由于光纖設(shè)計很靈活，就光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特征來說，它對波導(dǎo)色散有較高的控制性. 只要改變孔徑與孔間距之比, 即可達到很大的波導(dǎo)色散，還可使光纖總色度色散達到所希望的分布狀態(tài), 例如零色散波長可以向短波大大推進, 具有優(yōu)性質(zhì)的色散平坦等等.3. 良好的非線性效應(yīng)。在光子能隙導(dǎo)光PCF中, 可以通過減小光纖的模場面積 (或者減小PCF纖芯空氣孔直徑)來增強單位有效面積上的光強,從而增強非線性效應(yīng), 使光子晶體光纖同時具備強非線性和快速響應(yīng)的特性.根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平,

15、各種典型非線形光纖器件的非線性環(huán)形鏡等就可以比普通光纖短100倍.這一特性為制造大有效面積 PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ).4. 高雙折射效應(yīng)。在PCF 中,通過改變其包層結(jié)構(gòu)可制出高雙折射效應(yīng)的PCF, 只要破壞光子晶體光纖剖面的圓對稱性, 使其成為二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強的雙折射. 實際中可通過減少一些空氣孔,或者改變一些空氣孔的尺寸來獲得高的雙折射特性。5. 光子晶體光纖的非線性現(xiàn)象減小光纖模場面積，可增強非線性效應(yīng)，從而使光子晶體光纖同時具有強非線性和快速響應(yīng)特性。常規(guī)光纖有效截面積在50-100m量級，而光子晶體光纖可以做到1m量級，所以各種典型非線性光纖器件如科爾光閘、非線性環(huán)形鏡等就可以做成

16、比普通光纖短100倍。通過改變孔間距可以調(diào)節(jié)有效模場面積，調(diào)節(jié)范圍在1.5m波長處約為1-800m。在孔中可以裝載氣體，也可以裝載低折射率液體，從而使光子晶體光纖具有可控制的非線性。6.對光路的彎曲程度要求較小PBG 導(dǎo)光的 PCF 允許出現(xiàn)大于直角的光路彎曲， 甚至可以在彎曲曲率半徑小于波長的條件下傳播， 因而可以在光耦合系統(tǒng)中極大地提高耦合效率和彎曲狀態(tài)下的傳光效率。7.較為廣泛的傳感應(yīng)用如果在空芯中充入特定的氣體或一定折射率的液體，它們與傳導(dǎo)模式中的光可能有非常強的相互作用，這在氣體傳感及檢測、利用非線性過程產(chǎn)生多種光波長以及進行材料的非線性光學(xué)性質(zhì)研究方面有極為廣泛的用途。五 近幾年光

17、子晶體光纖的發(fā)展 1996年，英國南安普頓大學(xué)光電研究中心和丹麥技術(shù)大學(xué)電磁系首先報道了成功制備出PCF。莫斯科大學(xué)A.M.Zheltikov 等人也進行了包層具有周期分布空氣導(dǎo)孔的多孔光纖的研制。研究發(fā)現(xiàn)，改變多孔光纖包層的幾何結(jié)構(gòu)，可有效地增強光纖中非線性效應(yīng)。這種方法可應(yīng)用于脈沖壓縮、光孤子的形成和受激拉曼散射的增強。2001年，英國Bath大學(xué)Wadsworth等人實現(xiàn)了雙包層光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。雙包層光子晶體光纖摻雜離子為Yb3+離子，纖芯直徑15.2m，數(shù)值孔徑0.11，內(nèi)包層直徑150m，數(shù)值孔徑0.8，利用20W光纖耦合二極管陣列泵浦該光纖，光纖長度為17m，獲得了3.9W功率輸

18、出，斜效率21%。實驗中發(fā)現(xiàn)，雙包層光子晶體光纖存在隨機散射中心，說明纖芯中存在著缺陷，有待進一步完善光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)。m的孤子脈沖，脈寬為55fs，所用PCF芯徑為1.7m，零色散波長大約在0.69m處。2003年1月，Wadsworth等人報導(dǎo)了利用大模面積空氣包層PCF研制的高功率PCF激光器，其結(jié)構(gòu)為雙程后向線性腔結(jié)構(gòu)，最大輸出功率3.9W，斜率效率30%，實現(xiàn)單橫模運轉(zhuǎn)。所采用的PCF纖芯直徑為15m，內(nèi)包層數(shù)值孔徑大于0.8。為了使包層中的泵浦光最大限度的耦合到纖芯中，提高纖芯對泵浦光的吸收，PCF的摻雜纖芯采用了偏芯設(shè)計。2004年初，Blaze曾發(fā)布了一款新型PCF，該光纖是

19、針對Nd3+微芯片激光器特別優(yōu)化設(shè)計的，可產(chǎn)生超連續(xù)光譜，這種光譜可在單模光纖中產(chǎn)生一個寬帶輸出，光譜亮度超過太陽10000倍。Blaze表示利用微芯片激光器和PCF可獲得高性能光源，將會取代Lamp和超高亮度LED等傳統(tǒng)的寬帶光源。2004年，清華大學(xué)研究人員理論上計算了PCF的色散值，所選擇PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)為：空氣孔間距為0.8m，空氣孔直徑與空氣孔間距之比是0.835。計算得到在1.55mPCF的色散值可以達到-2050ps/(km.nm)，可以補償120倍長度的G.652光纖(17ps/(km.nm)，可以補償240倍長度的G.655光纖(8.2ps/(km.nm)，從而大大縮短了色散補

20、償光纖的長度。PCF的色散補償作用在高速率、大容量、遠距離的WDM系統(tǒng)中將會具有極大的應(yīng)用價值。2005年，英國Bath大學(xué)A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脈沖在PCF中產(chǎn)生了超連續(xù)譜，日本電報電話公司T.Yamamoto等人用波長1562nm、脈寬2.2ps、重復(fù)頻率40GHz的光脈沖注入到200m長的色散平坦保偏PCF中，在1550nm區(qū)域產(chǎn)生了超過40nm的均勻超連續(xù)譜，而美國Rochester大學(xué)Z.M.Zhu等人利用丹麥Crystal Fiber A公司低雙折射、高非線性PCF獲得6001000nm的超連續(xù)譜。六 總結(jié)和展望光子晶體光纖全新的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光機制，優(yōu)

21、越的導(dǎo)模特性、優(yōu)異的設(shè)計自由度給光纖通信及相關(guān)領(lǐng)域提供了一個廣闊的發(fā)展平臺，光子晶體光纖技術(shù)必將為光子技術(shù)帶來深刻的變化。然而光子晶體光纖的研究才剛剛起步，許多方面還不成熟，有許多問題尚待解決。首先，目前PCF的損耗還比較高，雖然在理論上PCF的損耗值可以降到低于普通單模光纖的水平，即在處低于，但目前PCF的損耗水平被限制在了左右或更高的水平上。因此光子晶體光纖在實際用于長距離光纖通信之前還有許多工藝上的問題必須解決。其次，由于PCF一些比較奇異的參數(shù)，使得它的耦合的方法與傳統(tǒng)的光纖有著極大的不同，并且PCF的尾端需要進行密封，否則由于毛細管效應(yīng)，光纖會吸人液體或者氣體。因此，在PCF大規(guī)模使用之前，需要解決P