（光学专业论文）tirpcf及其在高功率光纤激光器中的关键技术研究.pdf

摘要 光子晶体光纤从提出到实现，迄今为止己经取得了异常迅猛的发 展，是一个正在发展的新的研究领域。作为光波导的一种，光子晶体 光纤特有的结构使它有了与普通光纤不同的性质。光子晶体光纤早期 的支持者就曾预言光子晶体光纤能够获得极低的损耗( 约0 0 1d b k m ) 及极低的色散，而且能够传输很高的光功率。而光子晶体光纤的研究 已经表明，光子晶体光纤的应用远不止此，它还有着更广阔的应用天 地。 本文就围绕着光子晶体光纤进行研究，将重点放在t i r 光子晶体光 纤的理论分析上。从归纳整理目前常用的种种分析光子晶体光纤的方法 入手，通过比较，选择平面波法研究全内反射光子晶体光纤的特性，建 立模型进行数值模拟进而系统的讨论光子晶体光纤的光学特征，包括对 光子晶体光纤的模场分布基模有效折射率、归一化频率、色散、模场面 积等一系列特征参数进行分析，最后介绍了利用光子晶体光纤制作光子 晶体光纤激光器及高功率光子晶体光纤激光器的研究进展。 关键词：光子晶体光纤平面波法数值模拟光纤激光器 a b s t r a c t f r o mt h ea p p e a r a n c eo ft h en a m eo fp h o t o n i cc r y s t a lf i b c r 伊c f ) t o r e a l i z a t i o n , t h e r eh a v eb e e nm u c hg r e a tp r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n to np c e o t h e rt h a nar e s e a r c hf o c u $ ，p c fh a sb e c o m ean e wr e s e a r c hf i e l d a sa n o p t i c a lw a v e g u i d e ，p c p su n i q u es t r u c t u r ed i f f e r si t s e l ff r o mo t h e ro p t i c a l w a v e g u i d e s t h ep r o p o n e n t so fp c fh a da l l e g e dt h a tp c fw o u l dh a v e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o w - l o s s ，l o w - d i s p e r s i o na n dh i g hp o w e rc a p a c i t y n o w , r e s e a r c h e sh a v er e v e a l e dt l l a ta p p l i c a t i o n so fp c ff i r em u c hm o l e g r e a t ，t h a tm e a n sp c fw o u l db ea p p l i e di nam o r ew i d er a n g 删sp a p e rj u s tf o c u s e so nt h ep c f ，a n dp a y sm u c ha t t e n t i o nt ot h e t h e o r e t i ca n a l y s i so fp c f i tw a sc o m m e n c e di ni n d u c i n gc o m m o nm e t h o d s o fa n a l y z i n gv a r i o u sp c fc u r r e n t l y t h e l ld o n et h er e s e a r c h e si n s i d er e f l e c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn h o t o n i cc r y s t a lf i b e rw i t ht h ep l a n e w a v em e t h o db y c o m p a r i n gv a r i o u sa n a l y z i n gm e t h o d s ，a n db u i l tu pam o d e lt oc a l t yo nt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e n ，d o n eas y s t e m i cd i s c u s s i o nt h e o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i co ft h ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , a n das e r i e sc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e ri n c l u d ed i s t r i b u t i o no ft h em o l d f i e l do fp c f e f f e c t i v er e f r a c t i v e i n d e xo ft h eb a s i cm o l da n dn o r m a l i z e df r e q u e n c y , d i s p e r s i o n , a r e ao f m o l d f i e l de t c f i n a l l y ，f a b r i c a t i o nt h eh i g hp o w e rf i b e rl a s e rb yu s i n g t i r p c fa n di t sr e s e a r c hp r o g r e s sw a si n t r o d u c e d k e yw o r d ：p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r sp l a n e - w a v em e t h o d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf i b e rl a s e r s 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，论文题目 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 储繇雒踽畔互月丝日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博 士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部 门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编学位论文。 作者签名：罐遥兰霉年三月卫日 指导导师签名：主壹；! i ：纽! 型2 年至月2 l 日 笔一童绪 论 1 1 光子晶体光纤发展现状及进展 光子晶体是随人们对光控制的需求应运而生的，也是现代通信发展 的需要。在过去的几十年里，半导体技术在人们日常生活中扮演重要的 角色。现代高科技的发展要求集成电路微型化和高速化，但是微型化将 导致电阻增加和更高的能量损耗，高速则导致对信号同步化的敏感性。 为提高集成密度和系统的性能，科学家把目光从电子转向了光子。与电 子相比，光子的优点是：高速、大容量、低损耗，缺点是：传统光学对光 的控制主要依赖于全内反射原理，但与波长相比，高低折射率的介质界 面必须足够大，因此限制了光学器件的微型化。依靠传统的介质材料， 设计一个类似电子晶体管那样的小的光学器件是非常困难的。光子晶体 则提供了一种完全不同的对光的控制原理，这种对光子的操控能力，为 光子器件提供了新的发展空间。而光子晶体的重要应用之一，就是光子 晶体光纤。 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 ) ，又称多孔光纤或 微结构光纤以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究 课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通 过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活 的制作方法，使得p c f 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。在光纤激光器这一领域内，p c f 经专门设 计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设 计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体， 并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有 显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶 体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体 光纤激光器己有报道。 世界领先的光子晶体光纤( p c f ) 产品商业化的公司一丹麦c r y s t a l f i b e ra s 公司在原有“非线性光子晶体光纤”( n o n l i n e a rp h o t o n i c c r y s t a lf i b e r ) ，“大模场区域光子晶体光纤”( l a r g em o d ea r e a p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ) 。“多模光子晶体光纤”( m u l t i m o d ep h o t o n i c c r y s t a lf i b e r ) 三种系列产品的基础上，推出两类新产品；一种是中空 的“空气波导光子能带隙晶体光纤”( a i r g u i d i n gp h o t o n i cb a n d g a p f i b e r ) 此晶体光纤的纤芯是中空的，利用空气作为空气波导使光可以 在特殊的能带隙中传输，可用于高功率传输等应用；另外一种是“双包 层高数值孔径掺镜晶体光纤”( d o u b l ec l a dh i g hn ay bf i b e r ) ，该光 纤可以用在光纤激光器或光纤放大器中，另外由于该光纤具有光敏性， 还可以在其上刻写光纤光栅。 光子晶体光纤奇特的性能使其成为光通信领域一颗升起的新星。 色散补偿光纤的色是高速光纤通信系统最主要的限制因素。为了克服色 散对于通信容量的限制，采用适当的技术补偿光纤的色散，使色散导致 的光信号的传输畸变减至最小，已成为近年的研究热点。采用两种色散 特性相反的光纤相联，使线路中总的色散为零，是一种实用的方案。为 了减小线路总的损耗，应使色散补偿光纤的色散系数尽可能大。t a b i r k s 等人经过计算得出，p c f 可以获得高达- 2 0 0 0p s ( 珊k m ) o 的 色散值，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，这远远超过了传统色散补偿光纤的色散补偿能力，这个性能预 示着p c f 将会在未来超宽带波的平坦补偿中扮演重要角色。 t i r p c f 的性质依赖于的包层结构，改变气孔的尺寸和间距就可以 方便地改变光纤的导波性质，具有很大的设计自由度，据此可以设计出 一些具有特殊性质的光纤。如通过增大气孔间距a 和减小气孔直径都可 以获得大的模场面积的p 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 0 9 的p c f ；适当设计的p c f 结构，如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 ；由于硅同空气具有大的相对折射率，增大包层的空气填充比( 大 的d a 的值) 可以将光波紧紧束缚在纤芯中，再减小纤芯的尺寸，使 光纤具有非常小的模场积，可以大大提高光纤的非线性等。这些具有特 殊效应的光纤在许多场合有着重要的应用。 总之；光子晶体光纤的发展虽然才几年的时间，但它全新的结构和 导光机制，优越的导模特性，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。 1 2 本课题研究目标及实现方法 如何精确的预测出p c f 的传输特性至今还是没有另人满意的数值 模拟。而这是p c f 技术成功发展的一个基本工具，为理论分析方法提出 了有益的思路。在这一方面的研究中，目前提出了很多数值模拟方法如： 有效折射率法、有限元法、全失量法、标量法、虽然这些方法都能在一 定程度上模拟场分布，但是都具有一定的局限性。 光子晶体光纤有许多问题处于探索性和试验阶段，因此很多专业人 2 士开始关注这一领域。我们试图进入这一领域利用软件模拟计算光子晶 体光纤的一些基本特性参数并加以分析讨论。 平面波法适用于折射率导光型光子晶体光纤，建模方便计算简单。 故本文采用了平面波法作为基础，结合电脑辅助设计与模拟引擎。来分 析各种不同的光子晶体光纤结构，并针对周期性结构进行模拟。第二章， 从光子晶体理论出发引出光子晶体光纤的基本原理，并给出了光子晶体 光纤的分类方法及相应的一些特性及应用。第三章，本论文的核心部分， 进行结构优化设计建立模型，分析光子晶体光纤摸场分布、基模有效折 射率、归一化频率等参数。第四章，介绍多种理论分析方法着重讲了 基于平面波法的仿真模拟并给出模拟结果图。第五章，针对t i r p c f 应 用于高功率光子晶体光纤激光器中的关键技术给出问题分析并对其关 键技术展望。 第二章光子晶体光纤 2 1 光子晶体光纤 2 1 1 光子晶体光纤的概念 图2 1 由南安普顿大学拉制成功的光子晶体光纤的端面扫描图示 顾名思义，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 光子晶体，它是不完全光子晶体最重要的应用之一。它是由带有缺陷的 二维光子晶体延展而成”1 。简单地说，光子晶体光纤就是在二维光子晶 体纤维的长度方向上制造缺陷，从而能够导光的光波导。1 9 9 6 年，英 国南安普顿大学的研究小组首次拉制成第一根光子晶体光纤，如图2 1 所示【2 l 2 1 2 分类以及导光原理 光子晶体光纤的分类，可以根据其不同的导光原理分为两类”l ： ( 1 ) 折射率引导型，即全内反射( t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ，t i r ) 光 纤通过纤芯与多孔包层区域之间的全内反射原理导光m 】，固体纤芯折 射率高于包层中的空气孔可以随即分布：( 2 ) 带隙波导( b a n dg a p g u i d a n c e ，b g g ) 光纤，严格的周期空气孔结构产生的带隙效应限制光 在低折射率的纤芯区域传输【7 1 1 图2 2 为这两种光纤的基本结构典型示 意图例。 4 ( a ) 全内反射p c f( b ) 带隙波导p c f 2 2 光子晶体光纤的分类结构示意图 对于光子晶体光纤的导光原理，这里按照两个分类分别说明。对于 带隙波导光纤，前面所简述的光子晶体导光机理既是其能够导光的机理 所在，即规则排列的光子晶体使得晶格结构在光纤横截面方向形成了二 维禁带，在一定频率范围内的光无法在横向传播，而当该结构中引入缺 陷时，就会在禁带中产生局域态。p c f 就有可能利用这个局域态沿着光 纤纵向导光，即p b g 导光。不过，禁带的出现是有条件的，孔直径和孔 间距的大小要大于一定值的时候才可阱出现禁带。这种导光方式除了要 求较大的气孔外，还要求较准确的气孔排列。对于全反射结构，我们可 以发现这种结构的光纤都是芯部的空气孔缺陷形成纤芯，而外围的周期 性区域相当于包层，纤芯和包层之间存在着有效折射率的差，光纤在有 效折射率差形成的纤芯和包层中发生全反射传播。由于它的导光机理不 同于带隙结构的光子晶体光纤，不需要通过光子禁带的束缚来导光，因 此它不要求较大的空气孔，排列的精确程度也要求不大。 2 1 3 制作方法及发展现状 光子晶体光纤的制造与普通光纤的制造一样，也是从光纤预制棒开 始的，但光子晶体光纤的预制棒与普通光纤的预制棒是完全不同的。在 制作光子晶体光纤预制棒的时候，一般首先用普通光纤预制棒的生产设 备，采用m c v d 法、o v d 法或者、v a d 法等成熟的方法制出一定数量的中 空石英管或实心石英棒，然后将这些石英管和石英棒按设计好的结构排 列并粘合起来形成预制棒，一般都是几层石英管围绕着实心石英棒排 列。这种方法制造的预制棒可以灵活地改变纤芯的尺寸和形状、以及控 制包层区域的折射率分布。预制棒制成后，就可以在普通的高温拉丝装 置中将其拉成光子晶体光纤了。拉丝过程只要控制得当，折射率分布即 使十分复杂也能够得以保持，而且空气孔柱直径很大的光子晶体光纤也 可以一样制成。最后再将拉好的光纤涂覆保护层以增强其机械强度和抗 腐蚀性。这样制成的光子晶体光纤与普通光纤一样可以切割、焊接，而 且也一样牢固，尺寸上也与普通光纤相同。 制作光子晶体光纤的一个实例是1 9 9 6 年南安普顿大学完成的。他 们的制作方法如图2 3 所示：沿3 0 聊所直径的硅棒钻1 6 肌肌直径的洞， 制成宏观的六角形晶格单元。在硅棒外面压出六个面，形成了规则的六 角形结构，接下来，把制成的棒在光纤拉丝塔里以大约2 0 0 0 的温度 拉丝，制造出直径为0 8 m 历的六角形细丝。将细丝切割成相同的长度 并叠放在一起，然后按六边形结构叠放的细丝重新放入拉丝塔拉丝，堆 积的细丝熔化在一起可使晶格常数( 两气孔中心的距离) 减少至大约 5 0f 肼。最后，将一条这样的堆丝再次拉丝，产生最终的光纤。经过三 个步骤的拉丝过程，晶格尺寸以多于1 0 4 的指数减少，最终的晶格尺寸 大约是2 删1 9 1 。 图2 3 拉制光子晶体光纤的示意图镓 目前，世界上已经报道的光子晶体光纤已经有非常多的种类，可谓 结构多样，五花八门，如图2 4 所示。此外，根据报道，甚至出现了结 构非常特殊的光子晶体光纤，其结构已经突破了普通的孔洞概念，完全 利用周期性结构产生光子禁带，形成光波导舯】。其结构如图2 6 所示。 图2 5 为抽制温度及时问对空芯光子晶体光纤结构的影响示意图。 6 图2 4 多种多样的光子晶体光纤 1 8 0 l 蹬1 9 0 l 鲻 圈2 5 抽制温度及时间对空芯光子晶体光纤结构的影响示意图 7 图2 6 特殊结构的光子晶体光纤折射率分布图示 2 2 光子晶体光纤特性 近年来，光子晶体光纤引起研究人员的很大兴趣，因为它有很多独 特的传光特性。例如，具有较大的反常色散，在很大范围内支持单模传 输，以及一些独特的非线性效应。利用这些特性可以制造新的光纤设备。 下面介绍其特性。 2 2 1 无限单模特性 光子晶体光纤最引人注目的一个特点是：结构合理设计的光子晶体 光纤具备在所有波长上都支持单模传输的能力，即所谓的无休止单模特 性( e n d l e s s l ys i n g l e - m o d e ，e s m ) ，这个特性已经得到了很好的理论 解释。 无休止单模特性的部分原因是纤芯和包层间的有效折射率差依赖 于波长，波长变短时，模式电场分布更加集中于纤芯，延伸入包层的部 分减少，从而提高了包层的有效折射率，减少了折射率差，这抵消了普 通单模光纤中当波长降低时现多模现象的趋势。对于这个性质的理解， 可以从标准阶跃型光纤的公式 矿= ( 2 鬲n l x 脆一砖p ( 2 1 ) 来理解。对普通光纤归一化频率参量v - 1 0 3 ， 零色散波长为7 0 0 m 。 图2 7b a t h 大学的高双折射p c f ( a ) 扫描电镜光纤断面图：( b ) 结构图 图2 8c r y s t a lf i b e ra s 公司的高双折射p c f 2 3 2 p c f 超荧光的应用 超荧光( s c ) 被广泛地应用于高精度激光光谱学、超短脉冲的压缩和 相位稳定、超高分辨o c t 和o d t 、高精度光学频率计量、传感技术、多 波长光源、光通信、激光彩色显示等领域。 一光谱学的应用 ( 1 ) 宽带光谱学s c 光源是理想的宽带相干光源，可以用来做分光光 谱和干涉测量等实验。例如，s c 可被用来表征光纤对所有光谱成分的 色散和吸收。文献f 2 1 1 使用可调谐侧光源，用干涉测量方法进行了色散 测量：然而，如果使用s c 光源将能以单点测量法测量物质色散与波长的 关系。另外，s c 光源能够用来研究半导体波导或任何电介质物质的吸 收。 ( 2 ) 时间分辨吸收光谱 宽带s c 可以用于化学和生物系统的超快吸收动力学的研究。这可 以用时间分辨吸收光谱来实现，时间分辨吸收光谱是标准泵浦探测实验 的改进。用强泵浦脉冲激发被研究系统，s c 脉冲用作延迟探测。作为 泵浦和探测脉冲之间延迟的函数，瞬态吸收变化可以通过测量s c 光谱 得到。这一方法可以用于研究植物中的有氧光合作用【列视网膜中可见 过程动力学【2 玎和i i i - v 半导体量子阱结构的研究。 二用于超快光通信系统 s c 可以作为多波长通道脉冲光源应用于波分复用( w d m ) 通信系统 【“” w i ) m 技术使光纤通信系统的传输能力得到巨大提高。w i ) m 系统把分 立的信息通道分配到分立的波长，数据通过外部调制器( m o d ) 加载到 每一波长，所有波长通道多路复用( m u x ) 到一根光纤。信息传输到接收 端，在这里复用( d e m u x ) 到分立的每个通道，每通道的比特信号被提取。 通常，w d m 通信系统中每一通道的光源是在特定波长的一个分立的 二极管激光器，有些系统中用到多达1 2 8 个激光器。这些激光器可以用 一个s c 光源来代替，这个s c 光源在光谱上被分成位于单个w d m 波长的 短脉冲【2 7 】。在这一应用中，要求s c w d m 光源具有平坦的光谱和一致的 光谱相位。 2 3 3 光子晶体光纤及其激光器 通过适当的设计，在芯部为单模的条件下，p c f 可以获得比传统光 纤大得多的纤芯直径。在此基础上在p c f 中央芯体内掺杂进某些离子制 成的p c f 激光器能获得比普通光纤更大的单模横截面积，并能解决大功 率运转条件下的光纤端面损伤问题，将会使p c f 激光器获得更高功率的 激光输出。可以预料，p c f 激光器必将引起全固态和光纤激光器技术的 一次技术革命。目前国际上在这方面己经进行了有益的探索，并取得了 初步的研究成果 2 s 2 9 1 。 1 光子晶体光纤激光器 基于铒和镱离子掺杂硅玻璃光纤近年来引起了人们极大的兴趣。特 别是镱离子具有高效率吸收的能力，可以用输出波长为9 1 5 ，册和 9 8 0 n m 的大功率激光二极管直接泵浦。利用这种掺杂光纤实现的光纤激 光器相对于体材料全固态激光器来讲有着许多优点。其中光纤激光器是 基于单模式光纤，因此具有非常好的光束质量这对于高功率激光器尤其 重要。对于传统的高功率体材料，固体激光器是难以设计和实现单横向 模式输出的。而且，高功率下光纤的纤芯非常细( 几个微米) ，可以产 生非常高的光强的( 功率密度) ，然而这也带来另一个问题，就是容易 引起光纤断面的损伤。传统的镱( y b ) 掺杂的阶跃折射率光纤使用相对 较大的模式面积来避免这些效应的影响，但模式面积的增加又会降低输 出光速的单模特性。光子晶体光纤是一种沿长度方向上规则排列的微孔 气孔的光纤，光束的传输是由空气孔的几何形状而不是材料决定的，因 此，可以设计纯硅光子晶体光纤在所有的波长得到单模式而有任意大直 径纤芯来维持单模式输出。 2 普通掺物“p c f 激光器 2 0 0 0 年，英国的w a d s w o r t h 等人用钛蓝宝石激光器( 波长9 7 0 h m ) 泵 清8 1 m m 长的掺y b “p c f ，观察到了波长为1 0 4 0 n m 的激光输出标志着 第一台p c f 激光器问世。所用泵浦方式为前向双程泵浦，在输入功率为 3 3 0 m w 时得到了1 4 m w 的激光输出。虽然得到的激光器各方面性能不是 很理想但是它为p c f 激光器的迅速发展迈出了重要的第一步2 0 0 1 年 w a d w o r t h 等人报道了第一台大模面积掺y b 3 + p c f 激光器。其结构为典型 的线性腔结构，采用的泵浦光源为波长9 1 5 小的钛宝石激光器，泵浦 方式为双程后向泵浦，泵浦光通过显微物镜耦合到p c f 一个垂直断面中 在从高反射率后腔镜返回，最后从前端二色镜输出激光。当泵浦光为 l0 3 w 时得到在波长一段长度约为l m 的掺y b “p c f ，实现了第一台掺 乃“锁模p c f 激光器，所用p c f 长度约为lm 得到平均输出功率为 1 7 m w ，脉宽约1 5 w ，斜率效率约7 5 ，波长调谐范围1 0 3 0 n m 到1 0 5 0 雄坍 谱宽0 1 ，聊。 3 包层掺砀掺杂光子晶体激光器 在传统的包层泵浦技术里，利用双包层阶跃折射率光纤增大了泵浦 光进入光纤的耦合效率，目前，光子晶体光纤也出现了几种双包层光子 晶体光纤用来制作高功率光纤激光器。2 0 0 1 年，英国南阿普敦f u r u s a w a 等人报道了一种内外空气包层的薄层泵浦光子晶体光纡激光器。文中显 示了一种新型的低数值孔径大模式面积空心包层光纤制造技术，利用这 种技术制造了一种全玻璃的双包层机构，更加适用于低亮度的泵浦源， 如图2 9 和图2 1 0 所示： 图2 9 空气双包层镱( 1 b ) 掺杂光子晶体光纤横截面照片 1 4 图2 1 0 双包层掺y bp c f 的扫描电镜光纤断面图( 圆圈处芯) 这种光线采用的制造方法是利用固体棒外一层层的堆放空心棒制 作预制棒中央的固体棒是利用传统的m c v d 技术制造的光线纤芯，掺有 铝离子避免光纤中镱离子的浓度淬灭，纤芯掺杂区镱离子掺杂质量分数 为3 0 0 0 x 1 0 “( 重量比) 纤芯数值孔径n a 为0 0 5 j 肼，可以减少由弯曲 损耗带来的损耗。内包层( 图2 9 ) 中间孔较小的区域，数值孑l 径n a 为 0 3 o n o 4 a n 。( 图2 1 0 ) 中光纤内包层孔气孔的尺寸及间距分别为 2 7 j a n 和9 7 删，光纤外包层直径为1 7 5 肼。他们的试验采取了长度 为4 5 m 的光纤泵浦光经非球面透镜吻合经双色镜进入如图所示的光纤 中，获得耦合效率为7 0 。泵清波长为9 7 6 崩晰时获得了8 2 斜效率这一 传统的双包层光纤相比也是非常高的另外选取9 1 5 n m 波长进行泵浦光 纤长度为7 5 小时，获得的输出功率超过1 w ，耦合效率为6 0 ，激光 输出斜率7 0 。 第三章t ir - p c f 的结构优化设计 从前面章节中我们知道根据全内反射原理传输光的波导型光子晶 体光纤具有传统单模光纤所无法比拟的特性，其由一种材料构成，其纤 芯和包层的折射率差值可以通过改变空气孔在包层中所占的比率来控 制，折射率差值可以做到很大。另外当空气孔足够大时，在这类光纤中 也会出现带隙效应，若选择合适的晶体结构完全可以p b g 导光和全内反 射型导光共存于p c f 中。结构上的差异使得折射率引导型p c f 和传统光 纤相比具有其自身的一些特点，可以通过改变光纤的波导参数，比如： 空气孔直径d ，空气孔间距或调制周期a ，以及2 d 的三角形排列包层 设计，实现对色散、传输模式和偏振的控制。我们对这方面的研究还是 起步阶段，本章将利用平面波法计算普通波导型光子晶体光纤的模场分 布、有效折射率、归一化常数、色散特性、模场面积、数值孔径，模场 半径等特性参数并给出其一些特点。 3 1 模型建立 我们实际构建的t i r - p c f 几何模型结构如图3 1 所示，基质是纯 石英材料，折射率为肝= 1 4 5 ，空气孔间的距离a = 2 3 朋，d a = o 4 5 ， ， 一 d 为空气孔直径，空气填充系数定义为f = l 石2 3j ( 州 ) 2 = o 1 8a 图3 1 计算的几何模型结构图 1 6 3 2 模场分布 在波长a = 1 5 5 a n 时，在上述几何模型情况下，计算得出的特征值 其传播常数为口= 5 7 5 8 8 4 1 0 6 ，模场分布结果如图3 2 所示，它是其 磁场等高分布横截面图，场的大小用灰度表示。所得场主要集中在芯区， 颜色越淡，表示场越集中。 1 7 图3 2 2 = 1 5 5 a n 且m = o 时磁场等高分布图 1 8 图3 3 五= 1 5 5 m 且m = 2 时磁场等高分布图 3 3 有效折射率 考虑不同空气填充系数的光子晶体光纤，这里空气孔间距 a = 2 3 _ o n 设为固定值。在计算过程中考虑光纤自身材料色散特性，即 折射率随波长的改变而变化，这里采用三项s e l l m e i e r 方程进行拟合： 以2 1 = 万0 丽6 9 6 丽1 6 6 3 2 5 + 0 4 0 7 9 4 2 6 矛 刀一( 0 1 1 6 2 4 1 4 ) 2 l - 有效折射率定义为疗。= f l k = f 1 2 1