光子晶體及色散補(bǔ)償

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1、光子晶體光纖及色散補(bǔ)償一．簡介光子晶體光纖(PhotonioCrystalFiber，簡稱PCF)正是基于光子晶體技術(shù)發(fā)展起來的新一代傳輸光纖，它實(shí)質(zhì)上是一種二維光子晶體，其概念最早由英國Bath大學(xué)的Russell等于1992年提出，并于1996年首次研制成功.此后，PCF發(fā)展十分迅速。目前，人們己能研制滿足不同應(yīng)用要求的PCF.與傳統(tǒng)光纖相比，PCF技術(shù)具有無法替代的優(yōu)勢，可望在光波傳輸與通信、光傳感、光信號(hào)處理等領(lǐng)域獲得全新的應(yīng)用，因而越來越受到人們的重視，己成為當(dāng)今纖維光學(xué)以及相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)。PCF具有許多傳統(tǒng)光纖不具備的優(yōu)良特性，如:它具有在很寬的波長范圍內(nèi)的單模傳輸

2、特性而且只要空氣孔足夠小那么它就不存在截止波長；對(duì)激光脈沖的展寬；通過改變光子晶體光纖截面空氣孔的排序和大小可靈活地設(shè)計(jì)色散和色散斜率，提供色散補(bǔ)償；光子晶體光纖可以把零色散波長的位置移到1μm以下；利用中空光子晶體光纖可實(shí)現(xiàn)超低損耗傳輸；其非線性光學(xué)效應(yīng)可通過改變纖芯面積控制；特別是對(duì)于PCF的結(jié)構(gòu)可調(diào)的色散特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究引起了人們的極大興趣。眾所周知，光通信的發(fā)展離不開光電子器件的發(fā)展，光通信中的許多傳輸器件要求具有良好的色散特性，光纖的高階色散導(dǎo)致的啁啾直接影響到光脈沖的傳輸，同時(shí)也影響到光孤子的形成以及光脈沖的壓縮。此外，全球業(yè)務(wù)量的飛速增長促使光纖通信容量和速率大幅

3、度提高。寬帶高速波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)帶來的要求是:傳輸光纖在通信波段上的色散系數(shù)應(yīng)接近零，而且色散曲線應(yīng)十分平坦。PCF的色散曲線可以受包層結(jié)構(gòu)的控制而加以調(diào)整，從而能夠設(shè)計(jì)出在通信波段上的近零色散平坦曲線。由于導(dǎo)光機(jī)制的不同，PCF可分為以下兩種類型:折射率傳導(dǎo)型PCF和利用光子禁帶效應(yīng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光的PCF。折射率傳導(dǎo)型PCF(index-guidingPCF)的芯區(qū)為實(shí)心，包層為多層空氣孔。由于芯區(qū)折射率高于包層等效折射率，其導(dǎo)光機(jī)制可類似全內(nèi)反射(totalinternalreflection，TIF)原理。第二類PCF實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光則完全基于光子禁帶(photonicband-ga

4、p，PBG)效應(yīng)。第二類PCF的包層必須具有嚴(yán)格的周期性，且空氣孔的直徑要較大，才能出現(xiàn)完整的二維光子帶隙。在特定的波長上，光可以在低折射率的芯區(qū)內(nèi)傳導(dǎo)。折射率傳導(dǎo)型PCF是目前研究最多的一類PCF，這種PCF包層為空氣孔陣列，芯區(qū)通常由缺失空氣孔造成的缺陷形成。圖1給出了幾種折射率傳導(dǎo)型PCF。折射率傳導(dǎo)型PCF的導(dǎo)光機(jī)制類似傳統(tǒng)光纖的全內(nèi)反射原理，它并不要求包層空氣孔的嚴(yán)格周期性排列。因而這種PCF的包層結(jié)構(gòu)具有很大的可調(diào)控性，空氣孔的間距和大小可以根據(jù)需要靈活改變，從而使PCF具有許多優(yōu)良的光學(xué)性能。圖1折射率傳導(dǎo)型PCF光子帶隙型PCF，也稱為空芯PCF(Hollowcor

5、ePCF，HC-PCF)，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。PCF的中心一般為一直徑較大的空氣孔，形狀通常為圓形，包層則為周期性排列的空氣孔陣。HC-PC能將光局域在中心的空氣區(qū)并實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)，其原理是基于嚴(yán)格的光子帶隙效應(yīng)。當(dāng)PCF包層空氣孔具有嚴(yán)格周期性，且孔的尺寸較大時(shí)，會(huì)在某些頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)完整的二維光子帶隙。在這些頻率所對(duì)應(yīng)波長上的光波是不能在周期性包層結(jié)構(gòu)中傳播的，而只能在中心的空氣區(qū)中傳播。利用HC-PCF可以實(shí)現(xiàn)對(duì)色散的有效控制。由于HC-PCF的芯區(qū)通常為空氣，其色散參量主要依賴于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過改變包層空氣孔的間距和大小，可以控制HC-PCF色散參量的大小和分布。在非線性方面，由于

6、光場集中分布于空氣區(qū)域，HC-PCF具有極低的低非線性。此外，中空的芯區(qū)允許在光強(qiáng)度最高的波導(dǎo)區(qū)引入氣體或液體等物質(zhì)，從而增強(qiáng)了光和物質(zhì)的相互作用，同時(shí)保持較長的有效作用長度。圖2空心PCF一．光子晶體光纖的制造光子晶體光纖通常采用毛細(xì)管堆砌拉制方法制造。制造過程與普通光纖類似分為兩個(gè)步驟，首先制造預(yù)制棒，然后在拉伸塔中把宏觀尺度的預(yù)制棒拉伸成光纖。預(yù)制棒通常是由空心的石英毛細(xì)管和實(shí)心的石英棒按照要拉制的光纖結(jié)構(gòu)堆砌而成。由于在堆砌過程中，這些毛細(xì)管和石英棒的排列方式可以靈活選擇，也可以摻雜其它離子，所以能夠很方便的制造出各種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖。光纖的最終形狀不僅與預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)有關(guān)

7、，還可通過控制拉制參數(shù)顯著改變。這些參數(shù)包括:爐子的溫度、預(yù)制棒進(jìn)入爐子的速度和拉制速度。同樣的預(yù)制棒可以產(chǎn)生光學(xué)性質(zhì)完全不同的光纖。三．關(guān)于光子晶體光纖的色散補(bǔ)償近年來,由于光子晶體光纖(PCF)新奇的光學(xué)特性,引起了人們的廣泛關(guān)注,尤其是PCF可以在一個(gè)很寬的波長范圍控制它的色散特性,使其成為一種新型的色散補(bǔ)償光纖。而C波段(1530～1565nm)是摻鉺光纖放大器工作的波段,是目前光纖通信中應(yīng)用最多的波段,因此在這一波段設(shè)計(jì)具有高負(fù)色散系數(shù)及與SMF（單模光纖）