（通信与信息系统专业论文）基于模式耦合效应的特种光纤和高阶导模光子带隙光纤的研究.pdf

l 目石日么匆o j o z 酶目右蓊 目b 日z 鸯钐o z 睁曰右蓊 露蛳台 y 础乙渺 黟蓊岩勤茸砚码杀 的骢砰群牢茸县g 翠捌翠茸识再杀朝避静 琢珊瞠勒由暂鲫茸砚萃桑鳞衅蕈 j 烬 单髫国凹醉嘉娶刨 豳羁唑豳耍希相嘴卫 掣哿碍圭畔酉岛辨群箪由黪 由缮茸滥箕 暂殂甄豳静群 肇弭髟蔡封辨壕 单y 暂晕掣g 衅殖峰弓朝茸砚百杀徘谲血杀 觐革章习f 砰群 辨 晕群明茸嵌珥杀目班 禺哿 阜嘉 联覃革习f 掷上弓华岩勃茸拱珂秦章 l g lm i ms lilllli 人洲 i l l i l i l i i i m i l 牮碑群甘科碑酣萃孤码毒 一 日9 匆o i o 乙 嘉 娶莓革习 勃器 醉谣拐采牲姑 掣华延抱赐显茸粤与身宦 环牟性杂 千斟 眙殇珂杀 千黝翱性串 群辚 牲谧 9 z o i i l 9 0 鲁柔 嘉工 暗椠再杀 苇平觋 男驿蛳台 矍释 琴辅导勘 s a o q ld e 8 p u e f lo u o l o q da p o w a o p a oa o 币 hp t m8 u i d n o d9 p o w u op o s e f ls a o q di e o o d su o 天p n 了s 延抱朝拐采潮罂士椠辫畚蜘掣瞠扬采牲甜明犁骥号群摹斡士霉 茸礅码嘉千斟 嘉 藓莓率q f 拦移 弼翠 l r 0 0 0 i 钮封辫杀 i 乙9 乙s 乙n 工 鲁椠髟固七b 一 致谢 首先要感谢恩师简水生院士 本论文的工作是在您的悉心指导和不断勉励下 完成的 从最初的论文选题到最后的论文完成 都离不开您对我的关心和帮助 您博大精深的学术造诣 严谨求实的治学态度和勇于创新的科学精神深深地感染 着周围的每一个人 也对我产生了极大的影响 指引我树立正确的科学观和人生 观 您深深的爱国情 拳拳的赤子心以及忧国忧民的思想 无时无刻不在激励着 我发奋图强 在您的鼓励下 我努力克服各种困难 在科学的世界里实现自身的 价值 寻找自己的快乐 在此 向恩师表示崇高的敬意和诚挚的感谢 还要特别感谢娄淑琴教授 在日常的学习和生活中您给予我很大的关心和帮 助 在我遇到困难时 您总是适时地找我谈心 帮我排忧解难 您工作勤勤恳恳 学术思维活跃 跟您一起做实验 我受益匪浅 衷心感谢多年来您对我的指导 教诲 关心和帮助 还要感谢光波所的江中澳教授 延风平教授 简伟高工 裴丽教授 李唐军 教授 宁提纲教授 陈根祥教授和王均宏教授给予我无私的指导和帮助 感谢p c f 组的方宏博士 郭铁英博士 李宏雷 王立文 陈卫国等同学 感谢m c v d 组的 魏淮副教授 傅永军副教授 郑凯博士 常德远博士 李坚博士 王琳博士 彭 健 刘利松 张晨芳 汪滢莹 王静 郑晶晶等老师和同学 同你们在理论上的 讨论和实验上的合作 使我不断地取得进步 感谢我的寝室好友冯素春同学和我 同甘共苦度过了五年的研究生时光 感谢博士班的班长毛向桥博士在我困难时总 是能够提供及时的帮助 感谢卫延博士和龚桃荣在数值仿真和算法上的讨论和帮 助 感谢我的同级好友任文华博士 陆玉春 卢丹 耿蕊 陈明等 能有机会和 你们在一起学习和生活 我倍感兴奋 感谢李艳涛老师 王目光副教授 谭中伟 副教授 刘艳博士 董小伟博士 曹继红博士 王春灿博士 张帆博士 张峰博 士 秦曦博士 王燕花博士 吕博博士等在学习生活中的支持和帮助 另外 还要感谢英国巴斯大学光子与光材料中心的老师和同学们 在我留学 英国的一年里 通过和你们的合作交流 学术上我进步了不少 感谢j o n a t h a nk i g h t 教授 生活和学习上给了我无微不至的关怀 渊博的学识丰富着我的科学思维 对人生的感悟启发着我去思考世界 感谢t i mb i r k s 教授在理论和实验上对我细心 的指导 最后 感谢亲爱的父母兄嫂 亲戚朋友对我攻读博士学位的理解和支持 借 此机会向你们表达我由衷的谢意 此论文算是我对你们一份微薄的回报 在此 还要感谢我的爱人杨梅女士 你的陪伴和鼓励是我能圆满完成学业的保证 能和 你在一起是我今生最幸福的事情 中文摘要 摘要 特种光纤及相关器件已广泛应用于光纤通信 光纤传感 生物医学 材料 加工和军工等科技领域 在国家 8 6 3 计划项目 通信用特种光纤 和国家自然 科学基金项目 色散 色散斜率一体化宽带补偿光子晶体光纤的研制及其应用研 究 的直接资助下 本论文主要对基于模式耦合效应的特种光纤进行了深入的理 论和实验研究 同时对高阶导模光子带隙光纤进行了一定的理论研究 取得的创 新性成果如下 1 基于弯曲光纤中的模式耦合效应 采用线性拟合方法简化超模式折射率间的差 值 推导出低弯曲损耗准则的解析公式 基于该低弯曲损耗准则 提出两条典 型的低弯曲损耗传输路径 最优化弯曲路径和线性弯曲路径 同时指出线性 路径长度参数是判断低弯曲损耗传输路径长短的重要参数 2 设计出一条满足低弯曲损耗准则的阿基米德螺旋线弯曲路径 研制出带有此螺 旋线路径的芯轴部件 借助超连续谱光源和空间光路连接 对低弯曲损耗准则 进行了实验验证 研究表明光纤能够通过低弯曲损耗路径被弯曲至很小弯曲半 径的紧弯曲状态 该低弯曲损耗准则可作为弯曲光纤实验和工程技术上的重要 理论依据 3 基于平面波展开模型和有限元模型 提出一种在光子带隙光纤中快速寻找导模 的方法 该方法运用一种空气包层等效模型简化了光子带隙光纤的分析过程 数值模拟效率得到大幅度提高 在此基础上 设计出一种全新的传导高阶模的 石英芯光子带隙光纤 该光纤在高阶模特性研究方面具有应用潜力 4 基于同轴双芯光纤的模式耦合效应 设计了一种内芯掺锗 环芯为纯石英的低 限制损耗大负色散双芯光子晶体光纤 该光纤在1 5 5 0 n m 波长处负色散值达到 1 1 2 0 p s n m k m 该光纤包层最外圈采用了较大的空气孔 使得在整个色散补 偿的波长范围内 由光子晶体光纤特殊结构引起的限制损耗减少了4 个量级以 上 在1 5 5 0 n m 波长处 光纤的限制损耗值仅为1 0 1 1 0 而d b k m 逐步完善管 束堆积制作方法 研制出不同结构参数的色散补偿双芯光子晶体光纤 5 运用改进的分步傅立叶方法求解非线性耦合模方程组 数值分析了对称双芯光 纤中的光脉冲传输 结果表明对称双芯光纤可以实现被动锁模激光器中饱和吸 收体的作用 针对轴对称双芯光纤在实际应用中的接续难题 研制出一种轴偏 移双芯光纤 为满足两个芯子同时接入的特殊应用需求 进一步提出了一种扁 平结构轴偏移双芯光纤的制作方法 利用管束堆积制作方法研制出满足不同需 求的对称双芯光纤 关键词 模式耦合 特种光纤 弯曲损耗 光子晶体光纤 色散补偿光纤 双芯 光纤 制作工艺 分类号 t n 2 5 2 a bs t r a c t a b s t r a c t s p e c i a lo p t i c a lf i b e r sa n d r e l a t e dd e v i c e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di ns u c h f i e l d sa sf i b e rc o m m u n i c a t i o n f i b e rs e n s i n g b i o m e d i c i n e m a t e r i a l sp r o c e s s i n ga n d m i l i t a r yt e c h n o l o g ye t c t h i sd i s s e r t a t i o ni sd i r e c t l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g h t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m so fc h i n a 8 6 3p r o g r a m s p e c i a l f i b e r sf o rc o m m u n i c a t i o n s a n dn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef u n d r e s e a r c ho nf a b r i c a t i o n a n da p p l i c a t i o no fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r sf o rb r o a d b a n dd i s p e r s i o na n dd i s p e r s i o ns l o p e c o m p e n s a t i o n s p e c i a lo p t i c a lf i b e r sb a s e do nt h em o d ec o u p l i n ge f f e c th a v eb e e n s t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y m o r e o v e r h i g h e ro r d e rm o d ep h o t o n i c b a n d g a pf i b e r sh a v e b e e ne x p l o r e dt h e o r e t i c a l l y t h em a i n a c h i e v e m e n t so ft h e d i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s 1 b a s e do nt h em o d ec o u p l i n ge f f e c to fb e n tf i b e r t h em o d ee f f e c t i v ei n d e x d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w os u p e r m o d e sa r ef i t t e dl i n e a r l y a n dt h ea n a l y t i c a l e q u a t i o no fl o wl o s sc r i t e r i o nf o rb e n dt r a n s i t i o n si sd e d u c e d b a s e do nt h i sl o w l o s sc r i t e r i o nf o rb e n dt r a n s i t i o n s t w ot y p i c a la d i a b a t i cb e n dt r a n s i t i o np a t h s t h e o p t i m u mp r o f i l ea n dt h el i n e a rp r o f i l e a r ep r o p o s e d i ti sp o i n t e dt h a tt h el e n g t h s c a l eo ft h el i n e a rp r o f i l ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rw h i l ed e s i g n i n ga na d i a b a t i c b e n dt r a n s i t i o np a t h 2 a na r c h i m e d e a ns p i r a lp r o f i l ei sd e s i g n e da sa na d i a b a t i cb e n dt r a n s i t i o np a t h a g r o o v e dm a n d r e li sf a b r i c a t e da n d t h eg e o m e t r yo ft h eg r o o v e dc u r v ef o l l o w st h e a r c h i m e d e a ns p i r a lp r o f i l e u s i n gas u p e r c o n t i n u u ms o u r c ea n daf i e es p a c el i n k t h el o wl o s sc r i t e r i o nf o rb e n dt r a n s i t i o n si sd e m o n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y i ti s s h o w nt h a taf i b e rc a nb et i g h t l yb e n t 谢也l o wl o s si ft h eb e n dt r a n s i t i o ni sg r a d u a l e n o u g ht ob ea d i a b a t i c i ti sa l s os h o w nt h a t t h el o wl o s sc r i t e r i o nf o rb e n d t r a n s i t i o n sc a nb ec o n s i d e r e dt ob ean u m e r i c a lv e r i f i c a t i o nf o rf u r t h e re x p e r i m e n t a l a n dp r a c t i c a li n v e s t i g a t i o n s 3 b a s e do nt h ep l a n ew a v em o d e l i n ga n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g aq u i c km e t h o d i sp r o p o s e dt oe x p l o r et h eg u i d e dm o d e si np h o t o n i cb a n d g a pf i b e r s i nt h i sm e t h o d as i m p l i f i e dm o d e lw i t ha ne q u i v a l e n ta i rc l a d d i n gi sp r o p o s e dt os i m p l i f yt h e n u m e r i c a la n a l y s i s b a s e do nt h i sm e t h o d an o v e lp h o t o n i cb a n d g a pf i b e r 谢t l lp u r e s i l i c ac o r ei s d e s i g n e dt oc o n f i n ea n dg u i d eh i g h e ro r d e rm o d e sb yp h o t o n i c b a n d g a pe f f e c t s e x h i b i t i n gp o t e n t i a l sf o rr e s e a r c h o nh i g h e ro r d e rm o d e s 4 b a s e do nt h em o d ec o u p l i n ge f f e c t an o v e ld e s i g no fl o wc o n f i n e m e n tl o s sa n d h i g hn e g a t i v ed i s p e r s i o np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r w h i c hc o m p r i s e so fag e d o p e d i n n e rc o r ea n dap u r es i l i c ar i n gc o r e w i t hah i g hd i s p e r s i o no f 一1 12 0p s n m k ma n d al o wc o n f i n e m e n tl o s so f 1 0 1 x 1 0 石d b k ma t t h ew a v e l e n g t ho f1 5 5 0 n mi s p r o p o s e d t h ec o n f i n e m e n tl o s s i sd e c r e a s e db yo v e rf o u ro r d e r so fm a g n i t u d e t h r o u g hi n t r o d u c i n gt h el a r g eh o l e si nt h em o s to u t e rr i n g t h es t a c k a n d d r a w f a b r i c a t i o nm e t h o di si m p r o v e da n ds o m ed u a l c o r ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r sw i t h d i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sf o rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o na r ef a b r i c a t e d 5 m o d i f i e ds p l i ts t e pf o u r i e rm e t h o di sf i r s t l yu s e dt os o l v et h en o n l i n e a rc o u p l e d m o d ee q u a t i o n s t h r o u g ht h en u m e r i c a la n a l y s i so fo p t i c a lp u l s ep r o p a g a t i o ni n t w i nc o r et 胁e r i ti ss h o w nt h a tt w i nc o r ef i b e rc a l lp l a yar o l eo fp a s s w e 珈i o d e 1 0 c k i n gd e v i c ea ss a t u r a b l ea b s o r b e r s t os p l i c et w i nc o r ef i b e rw i t hs t a n d a r d s i n g l em o d ef i b e r a na s y m m e t r i ct w i nc o r ef i b e ri sd e s i g n e d t oe x c i t ea n dd e t e c t o p t i c a ls i g n a l si nt h et w oc o r e s am e t h o df o rf a b r i c a t i n gaf l a ta s y m m e t r i ct w i n c o r ef i b e ri sp r o p o s e d s o m ek i n d so ft w i nc o r ef i b e r s a r ef a b r i c a t e dt om e e t d i f f e r e n tn e e d sb yt h es t a c k a n d d r a wf a b r i c a t i o nm e t h o d k e y w o r d s m o d ec o u p l i n g s p e c i a lf i b e r b e n tl o s s p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r d u a l c o r ef i b e r f a b r i c a t i n gt e c h n i q u e c l a s s n o t n 2 5 2 目录 中文摘要 v a b s t r a c t v i i 第一章绪论 1 1 1 模式耦合理论及光纤中的模式耦合效应 l 1 2 特种光纤及其制作工艺 2 1 3 弯曲光纤的损耗理论 3 1 4 新型光子晶体光纤的研究进展 4 1 4 1 高阶导模光子带隙光纤 6 1 4 2 色散补偿双芯光子晶体光纤 7 1 5 双芯光纤及其非线性模式耦合理论 8 1 6 本论文主要工作 9 参考文献 1 1 第二章弯曲光纤中低损耗传输的研究 1 9 2 1 模式耦合理论 19 2 1 1 耦合模式 2 0 2 1 2 正规模式 2 2 2 2 弯曲光纤低损耗准则的理论分析 2 4 2 2 1 弯曲光纤的等效倾斜折射率模型 2 5 2 2 2 弯曲光纤的低损耗准则 2 6 2 2 3 低损耗弯曲路径 2 9 2 3 弯曲光纤低损耗准则的实验验证 3 l 2 3 1 光纤的选择 3 2 2 3 2 弯曲路径的选择及芯轴的制作 3 5 2 3 3 实验系统 3 8 2 3 4 实验结果分析 4 4 2 4 小结 4 8 参考文献 4 9 第三章新型光子晶体光纤的研究 5l 3 1 数值模型 5 2 3 1 1 有限元模型 5 2 3 1 2 平面波展开模型 5 7 3 2 高阶导模光子带隙光纤 5 8 3 2 1 光子带隙光纤的包层结构 5 9 3 2 2 光子态密度图谱 5 9 3 2 3 模型构建及结果分析 6 l 3 3 色散补偿双芯光子晶体光纤 6 4 3 3 1 色散补偿的基本方式 3 3 2 色散补偿双芯光子晶体光纤 6 6 3 3 3 色散补偿光子晶体光纤的限制损耗 7 5 3 4 光子晶体光纤的制作 8 0 3 4 1 光子晶体光纤的制作平台 8 1 3 4 2 光子晶体光纤的制作方法 8 1 3 4 3 色散补偿光子晶体光纤的制作 8 3 3 5 小结 8 4 参考文献 8 5 第四章对称双芯光纤及其非线性模式耦合的研究 9 2 4 1 对称双芯光纤中的非线性模式耦合理论 9 2 4 1 1 非线性耦合模方程 9 2 4 1 2 对称双芯光纤中光脉冲传输 9 4 4 2 对称双芯光纤的制作 9 6 4 2 1 轴对称的对称双芯光纤的制作 9 6 4 2 2 轴偏移的对称双芯光纤的制作 9 8 4 2 3 双芯光纤的结构参数优化 1 0 2 4 3 实验系统的构建 1 0 3 4 3 1 空间光连接 1 0 3 4 3 2 熔接光纤连接 1 0 4 4 4d 结 10 4 参考文献 10 5 第五章结束语 1 0 7 5 1 本论文的主要研究成果 1 0 7 5 2 下一步拟开展的工作 1 0 9 作者简历 111 独创性声明 1 1 5 学位论文数据集 1 1 6 第一章绪论 第一章绪论 帚一早瑁y 匕 2 0 0 9 年1 0 月6 日瑞典皇家科学院宣布 将2 0 0 9 年诺贝尔物理学奖授予英国华裔 科学家高锟先生 以表彰高锟先生在 有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面 取得的突破性成就 1 对于每一个从事光纤领域的科研工作者来说 高锟先生为 我们打开一扇科研的大门 而这座大门里面的世界仍需要我们用心去创造 近年来 光纤及其相关技术发展推动了光通信 光传感 光器件及光网络等 领域的研究进程 基于模式耦合效应的特种光纤 已经被广泛应用于光纤通信 光纤传感和光电系统 传统双芯光纤已被应用于多信道放大的增益均衡 2 分插 复用 3 以及全光非线性开关 4 双芯光子晶体光纤已被应用于色散和色散斜率补 偿 5 1 0 弯曲光纤中芯区和包层的模式耦合理论已被应用于分析光纤的弯曲损 耗 1 1 1 3 等 基于模式耦合效应的特种光纤对进一步提高光纤通信系统的性能 研究新型高性能的光纤器件及开拓新型的光纤传感系统具有重要的意义和实用价 值 但如今国内在此方面的研究相对落后 尤其是应用于色散补偿的双芯光子晶 体光纤 国内的制作工艺尚不够成熟 而国外公司同类产品的价格昂贵 基于非 线性模式耦合效应的被动锁模器件和光隔离器件 国内的研究水平与国际上也存 在一定差距 本论文正是基于上述背景 结合国家 8 6 3 计划项目 通信用特种 光纤 和国家自然科学基金项目 色散 色散斜率一体化宽带补偿光子晶体光纤 的研制及其应用研究 重点针对基于模式耦合效应的特种光纤 开展了深入的理 论和实验研究工作 同时针对目前新型光纤的研究热点 光子带隙光纤进行了 理论研究工作 1 1 模式耦合理论及光纤中的模式耦合效应 1 9 5 4 年 j 1 lp i e r c e 在讨论行波管的应用时 首先提出了电磁场中的模式耦 合概念 1 4 同年 s e m i l l e r 在描述微波波导和无源器件时 引入了模式耦合理 论 1 5 很快 w h l o u i s e l l 在分析处理拉锥的波导结构时 对这个理论进行了归 纳总结 1 6 早期的模式耦合理论方面的数学公式主要是基于能量守恒原理 随后 s a s c h e l k u n o f f 利用模式展开 1 7 h a h a u s 利用变分原理 1 8 等方法分别建立 起公式化较强的耦合模方程 1 9 6 6 年 华裔科学家高锟先生和他的同事ga h o c k h a m 提出石英基玻璃纤维 可以运用于长距离信息传输 1 9 带来了光纤技术的快速发展 二十世纪七十年代 初 a w s n y d e r 2 0 d m a r c u s e 2 1 a y a r i v 2 2 先后将模式耦合理论引入光波 北京交通大学博士学位论文 导之中 此后 模式耦合理论被广泛应用于光波导和光电器件中 例如波导型定 向耦合器 2 3 一 2 5 1 光纤耦合器 2 6 分布反馈激光器 2 7 分布布拉格反射 2 8 光栅耦合波导 2 9 偏振旋转 3 0 导模和辐射模的耦合 3 l 以及集成光学和光纤 光学的各种定向耦合器 3 2 3 5 等 后来 模式耦合理论的应用又扩展到非线性效 应引起的耦合 例如非线性耦合 h 器 3 6 3 7 1 光纤中的调制不稳定性 3 8 光波导 中的谐波产生 3 9 等 针对各种波导结构 基于模式耦合理论的分析模型不断涌现 周期光栅结构 4 0 4 1 1 多波导结构 4 2 h 一4 多模结构 4 5 4 6 各项异性介质 4 7 1 4 8 拉锥结构 4 9 5 3 等 利用模式耦合理论分析光波导中的模式耦合 分别从耦合模式和正规模式的 角度进行分析 而且耦合模式和正规模式之间存在一定的关联 5 4 模式耦合的基 本理论 是基于模式耦合效应的光波导和光学器件的理论基础 也是本论文的理 论出发点 不同的光纤结构或者光学条件造成光纤的折射率分布发生变化 有可能在光 纤中引入模式耦合效应 光纤中的模式耦合效应 产生奇特的光学现象 呈现出 优异的光学性能 近年来 基于模式耦合效应的特种光纤在损耗 色散 非线性 等方面体现出独特优势 已经被广泛应用于光纤通信和光电系统中的相关器件 结合特种光纤中的模式耦合效应 本论文对弯曲光纤的损耗理论 同轴双芯光子 晶体光纤的色散补偿理论以及对称双芯光纤的非线性模式耦合理论进行了深入的 研究 1 2 特种光纤及其制作工艺 随着光纤通信及其它光电子产业的迅速发展 常规的单模和多模光纤已经很 难满足各种实际需求 特种光纤衍生的光电子产业的发展也异常迅速 特种光纤 的应用相当广泛 除了应用于光纤通信领域 还应用于激光光源 偏振控制 材 料加工和传感等众多领域 所谓特种光纤 是相对于常规光纤来说的 由于光纤结构和制作工艺的不同 特种光纤的种类众多 有各种不同的分类方法 按结构分类可以分为单芯光纤 双芯光纤 多芯光纤 光子晶体光纤 液芯光纤 空芯光纤 螺旋光纤等 按材 质分类可以分为石英光纤 塑料光纤 晶体光纤等 按用途分类可以分为传能光 纤 传感光纤 医用光纤 照明光纤等 按所传输的光波波段分类可以分为紫外 光纤 红外光纤 中红外光纤等 按所传输的光偏振态分类可以分为保偏光纤 非保偏光纤等 按是否掺有稀土元素分类可以分为有源光纤 无源光纤等 5 5 本 论文主要研究弯曲光纤 光子晶体光纤和对称双芯光纤三种类型的特种光纤 弯 2 第一章绪论 曲光纤 本论文仅考虑弯曲的常规光纤 严格意义上不属于特种光纤的范畴 但 是光纤弯曲效应致使横截面有效折射率分布发生倾斜 造成弯曲光纤横截面折射 率分布和常规光纤有很大不同 因此本论文把弯曲的常规光纤当作一种特种光纤 进行处理 光纤技术的发展离不开实验研究 光纤的制作工艺是实验研究的先决条件 随着光纤技术的发展 特种光纤的制作工艺日趋成熟 特种光纤的制作工艺和常 规光纤的基本相似 大体上分为光纤预制棒的制作和预制棒拉丝两个过程 目前 公认的常规光纤预制棒的制作方法主要有改进的化学汽相沉积法 m c v d m o d i f i e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 外部汽相沉积法 o v d o u t s i d ev a p o rp h a s e d e p o s i t i o n 轴向汽相沉积法 v a d v a p o rp h a s ea x i a ld e p o s i t i o n 和等离子体 激活化学汽相沉积法 p c v d p l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 掺杂型特种光 纤预制棒的制作 是在上述每一种制作方法的基础上作细微的改进 制作复杂结 构的特种光纤 例如光子晶体光纤和双芯光纤 还需要增加额外的制作工序 最常用的光子晶体光纤制作方法是管束堆积法 5 6 所谓管束堆积 就是把若 干毛细管和毛细棒堆积成各种类型光子晶体光纤的特定结构 毛细管和毛细棒通 过商用的纯石英管 纯石英棒或者掺杂石英棒拉制得到 外径一般是5 0 0 r m a 2 0 0 0 1 m a 比光纤的尺寸大1 个量级左右 将堆积好的特定结构体填充进外套管中 构成光子晶体光纤的预制棒 再通过预制棒拉丝过程得到合适尺寸的光子晶体光 纤 实际上通过上述的光子晶体光纤预制棒较难直接拉制出光纤 因为光纤的尺 寸相对预制棒要小得多 拉制过程中光纤的横截面结构难以得到控制 通常会把 上述的光子晶体光纤预制棒拉制成尺寸较小的预制棒 然后套进小套管中 再通 过熔融拉丝过程拉成最终的光纤 该过程被称为二次拉丝 二次拉丝比一次拉丝 的成功率要高 但是工艺相对复杂 除了常用的管束堆积法 制备光子晶体光纤 的方法还有很多 挤压法 5 7 浇铸法 5 8 和溶胶凝胶法 5 9 等 制作双芯光纤通常也采用管束堆积法 不同的是预制棒的套管中采用纯石英 棒和掺杂石英棒填充 而不采用任何毛细管填充 1 3 弯曲光纤的损耗理论 光纤弯曲会引入弯曲损耗 如图1 1 所示 弯曲的超连续谱光子晶体光纤之 所以亮度高是因为弯曲线路中存在较大程度的光泄漏 当弯曲曲率超过一个特定 值时 光纤的弯曲损耗就会急剧增大 随着光纤到户通信系统和光纤传感系统的 广泛应用 如何降低光纤的弯曲损耗成为研究者关注的热点 6 0 6 l 近些年来 光纤研究者对光纤弯曲损耗的研究越来越深入 分析的角度也各有不同 6 2 6 5 北京交通大学博士学位论文 图l 一1 弯曲的超连续谱光子晶体光纤 光纤的弯曲损耗主要来自两个不同的物理机制 传输损耗和纯弯曲损耗 6 4 一方面 光纤从平直状态弯曲到某一弯曲状态 弯曲曲率的变化程度决定传输损 耗的大小 另一方面 当光纤处于某一特定弯曲状态时 光的散射会产生一定的 损耗 这就是纯弯曲损耗 当未涂敷的常规光纤弯曲时 由于光在弯曲光纤的外侧比内侧行走的路程长 光纤横截面的有效折射率分布就会发生一定程度的变化 这种变化可以用倾斜的 有效折射率分布表示 6 6 此时 光纤的内芯和包层的外侧类似定向耦合器的两个 臂 根据模式耦合理论 纤芯模式就会和外侧包层模式发生耦合 随着弯曲曲率 的增大 光纤的有效折射率分布变得更加倾斜 其中包层外侧的变化最为明显 当光纤达到某一弯曲状态时 外侧包层模式的有效折射率和纤芯模式的有效折射 率相等 此时纤芯模式和外侧包层模式的场分布有足够的重叠 二者就会发生强 烈耦合 当光纤进一步弯曲时 使得包层外侧的有效折射率比纤芯处的有效折射 率大 此时包层模式则变成了基模 如果光纤包层的外围有涂敷层 光就会进一 步被涂敷层吸收 而对于未涂敷的弯曲裸光纤 光能够在包层中传输很长一段距 离 基于上述弯曲光纤中的模式耦合效应 j d l o v e 和c d u m i a k 发现在光纤的 弯曲路径中 只要减小基模和高阶模的耦合 总的弯曲损耗就会变小 为了减小 弯曲路径中的耦合效应 沿着弯曲路径的任一特定弯曲状态 光纤弯曲曲率的变 化率都不能超过某一具体值 6 5 目前 降低光纤弯曲损耗的理论工作进展深入 但是缺乏合理的实验对所提出的理论进行具体验证 本论文基于弯曲光纤中的模 式耦合效应 推导出低弯曲损耗准则的解析公式 并借助合理的低弯曲损耗路径 对该准则进行具体的实验验证 1 4 新型光子晶体光纤的研究进展 光子晶体的概念最早由e y a b l o n o v i t c h 6 7 4 第一章绪论 1 9 9 2 年 p s t j r u s s e l l 将光子晶体的思想引入到光纤中 提出了光子晶体光纤的 概念 1 9 9 6 年 j c k n i g h t 等 5 6 研制出世界上第一根光子晶体光纤 光子晶体 光纤独特的波导结构使其具有许多优异特性 如无尽单模特性 6 9 灵活的色散 7 0 高模式双折射 7 1 和极高的非线性系数 7 2 萋 蕾 萋 量 薹 茎 星 图1 2 光子晶体光纤工作区图谱 横坐标轴是归一化的传输常数p 人 纵坐标是归一化的频率 m a j c 7 3 图1 2 显示了光子晶体光纤的工作区图谱 是光的角频率 c 是真空中光速 卢是传输常数 么是光子晶体光纤的空气孔间距 在任意传输介质中 固定频率光 模式的传输常数声最大的可能值为k n m r d c 刀是传输介质的有效折射率 对于 脉砌 光是能够传输的 对于胗砌 光是被禁止传输的 图1 2 中右上角给出了 普通三角格子光子晶体光纤示意图 它的包层是由纯石英和空气孔构成的折射率 周期分布的光子晶体结构 空气填充率是4 5 和常规光纤不同 光子晶体光纤 包层的光子晶体结构的传光范围介于空气和纯石英之间 该光子晶体包层存在二 维光子带隙 如 b y 9 的黑色手指形区域所示 其中光被完全禁止传输 1 区中的p 处位于光子晶体包层的光子带隙中 如果选取光子晶体光纤的纤芯为空气芯 光 能被束缚在空气芯中 另外 如果光子晶体光纤的纤芯采用纯石英芯 如3 区中 的q 处 光能在石英芯中传输 而不能在光子晶体包层中传输 光同样能被束缚 在纤芯中 p 和q 处显示的正是光子晶体光纤的两种导光机制 前一种是带隙导 光型 是光子晶体光纤特有的导光机制 后一种是全内反射型 类似于常规光纤 的导光机制 采用这两种导光机制的光子晶体光纤分别是光子带隙光纤和全内反 射光子晶体光纤 如图1 3 所示 世界上第一根光子晶体光纤是全内反射光子晶 体光纤 5 6 如图1 3 a 所示 这种光子晶体光纤的研究起步相对较早 发展相对 迅速 光子晶体光纤全新的结构设计突破了传统光纤的许多限制 成为近年来光纤 5 北京交通大学博士学位论文 技术领域的亮点之一 光子晶体光纤及其相关技术已经逐渐应用于通信 传感 光谱学 生物医学以及军工等众多领域 随之出现了多种多样的新型光子晶体光 纤 本论文分别研究了光子带隙光纤和全内反射光子晶体光纤 首先 基于光纤 的数值模型 理论上提出了一种高阶导模光子带隙光纤 其次 在全内反射光子 晶体光纤引入同轴双芯结构 利用双芯间的模式耦合效应实现光通信波段的色散 补偿 a c 图1 3 不同类型光子晶体光纤的扫描电镜图像 s e m s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o g r a p h a 全 内反射光子晶体光纤 6 9 b 蜂窝型光子带隙光纤 7 4 1 c 空心光子带隙光纤 7 5 1 4 1 高阶导模光子带隙光纤 1 9 9 2 年 p s t j r u s s e l l 提出光子晶体光纤概念的初衷是在光纤中引入光子带 隙效应实现对光的导引 直到1 9 9 8 年 j c k n i g h t 等研究者才研制出第一根真正 意义上的光子带隙光纤 7 4 如图1 3 c o 所示 1 9 9 9 年 r ec r e g a n 在j c k n i g h t 研究工作的基础上 设计了另外一种结构的光子带隙光纤 类似图1 3 c 所示 在光子晶体结构中心形成很大的空气孔缺陷作为光通道 7 6 这两种光子带隙光纤 的内芯都是空气 导光原理如图1 2 中的p 点 对图1 2 作进一步研究还可以发 现 对于2 区中黑色光子带隙区域中的任一点 如果选取光纤的缺陷芯是石英 6 第一章绪论 光能够得到束缚 这是一种全新的光子带隙导光机制 2 0 0 8 年 j c f l a n a g a n 对 全内反射光子晶体光纤的二维光予带隙进行研究 分析了存在于石英芯缺陷中的 基于光子带隙效应的光纤模式 7 7 在此基础上 本论文在更为普遍的光子带隙光 纤的包层结构中引入石英缺陷芯 研究基于光子带隙效应的光纤模式 提出一种 传导高阶模式的新型光子带隙光纤 理论上设计一种新型光纤 并对光纤特性进行深入研究 必须依靠一套精确 的数值模型对其进行仿真计算 随着光子晶体光纤在业界引起越来越多科研人员 的关注 许多较为成熟的数值模型不断涌现 它们分别通过标量或者全矢量的方 式建立 例如有限元模型 7 8 1 8 5 有限差分模型 8 6 8 7 束传播模型 8 8 8 9 和 平面波展开模型 9 0 1 9 2 等 在众多的数值模型中 本论文选择性地运用了有限元 模型和平面波展开模型 有限元模型是一种电磁场模型 其主要思想就是把所要 研究的波导划分成有限个微小单元 然后把所有单元的贡献转化为一个矩阵解本 征值的问题 有限元模型能够分析各种结构的光纤 包括常规光纤 特种光纤甚 至纵向非均匀的光纤 它还可以用于计算光子晶体光纤的限制损耗 但是有限元 模型程序设计复杂 需要较大的计算量 计算时需要较大的内存空间 对计算条 件的要求较高 平面波展开模型是一种利用正弦函数进行模式展开的数值模型 它不仅可以应用于光子带隙光纤 9 0 9 1 还可以应用于全内反射光子晶体光纤 9 3 9 4 特别是分析光子带隙光纤时 它能够方便快捷地分析光子带隙结构 给 出光子态密度图谱 平面波展开模型的缺点是不能分析非周期复杂结构的光纤 不能计算光子晶体光纤的限制损耗 本论文结合有限元模型和平面波展开模型 对新型的高阶导模光子带隙光纤进行了探索性的理论研究 1 4 2 色散补偿双芯光子晶体光纤 研究表明 两个分离同心芯构成的双芯光纤可以用于光纤通信中的色散补偿 f 9 5 f 9 8 这种结构的光纤支持两个超模式 偶超模和奇超模 两超模式间的强 耦合引起模式有效折射率曲线产生突变 使得偶超模中引入较大的负色散 奇超 模中引入较大的正色散 用于色散补偿的正是能够产生大负色散的偶超模 最初 的研究将此双芯结构应用于常规光纤 中心芯和环芯采用掺杂石英 包层采用纯 石英 为了增大双芯光纤的负色散值 一般采用增大光纤芯包折射率差的方式 但是由于受到掺杂浓度的限制 很难获得较大的负色散值 典型的色散值是 1 0 0 1 5 0 p s n m k m 另外 较大的掺杂浓度还会在光纤中引入较大的损耗 全内反射光子晶体光纤的导光机制类似常规光纤 利用常规光纤能够实现的 光学特性 利用全内反射光子晶体光纤能够得到进一步改善 本论文研究色散补 7 北京交通大学博士学位论文 偿双芯光子晶体光纤时 把全内反射光子晶体光纤简单称为光子晶体光纤 并能 够和光子带隙光纤区分开来 相比常规光纤 光子晶体光纤的结构灵活多变 能 够实现较大的折射率调节 研究者尝试利用光子晶体光纤进行色散补偿的工作 9 o 9 9 1 0 2 f g e r o m e 等首先把双芯结构引入光子晶体光纤 进行色散补偿 9 9 他们在双芯光子晶体光纤的环芯中引入了一圈小孔径空气孔 实现1 5 5 0 n m 波长处一2 2 0 0 p s n m k m 的负色散值 但是在这种设计中 小孔径空气孔的直径仅为 0 5 1 p m 很难实际制作出来 随后 a h u t t u n e n 和p t o r m a 采用高折射率材料的 内芯和缺失一圈空气孔的环芯构成相似的双芯光子晶体光纤 获得高达 一5 5 0 0 0 p s n m k m 的负色散值 1 0 2 较大的负色散值主要来自于有效折射率高达 1 5 2 8 的内芯 如此高的有效折射率在实际的制作中很难实现 另外如此高的有 效折射率还会引入较大的损耗 使光纤中出现一系列的高阶模 上述的色散补偿 光子晶体光纤多停留在理论分析和数值模拟阶段 第一根实际的色散补偿双芯光 子晶体光纤是由英国巴斯大学的b j m a n g a n 等人研制出来的 他们实现了色散和 色散斜率同时得到补偿 国内对这种双芯光子晶体光纤的研究起步较晚 其中清 华大学的杨四刚等联合烽火通信科技股份有限公司制作出色散值为 6 6 6 2 p s n m k m 的色散补偿双芯光纤 结构和 1 0 2 中的类似 只是中心芯采用了 低锗掺杂 1 0 3 本论文对色散补偿双芯光子晶体光纤进行了理论分析和工艺研究 并采用特殊结构降低了该光子晶体光纤的限制损耗 获得低限制损耗的色散补偿 双芯光子晶体光纤 1 5 双芯光纤及其非线性模式耦合理论 在1 4 2 部分提到的双芯光纤结构如图1 4 a 所示 它是一种同轴双芯光纤结 构 包括一个中心圆芯和一个环芯 最初在光纤中引入两个芯子 并不是同轴结 构的 而是如图1 4 b 所示的非同轴结构 这种传统的双芯光纤结构 源自于波 导 第一章绪论 于定向耦合器 1 0 4 波分复用器 1 0 5 增益平坦滤波器 1 0 6 1 0 7 可调谐衰减器 1 0 8 温度传感器 1 0 9 和非线性耦合器 1 1 0 等 各种用途的双芯光纤都是基于双 芯间的模式耦合效应 在非同轴双芯光纤中 光能量沿着光纤纵向在两个纤芯之间耦合变换 当高 强度的光通过双芯光纤时 非线性效应引起折射率分布发生改变