基于莫尔光栅和光子晶体光纤的稳定可调谐的双波长光
纤激光器
徐玲玲，金龙，袁树忠，开桂云
（南开大学现代光学研究所，天津 300071）
摘 要：本文报道了一种基于四波混频的新颖的双波长掺铒光纤激光器。腔内通过接入一段高非线性的光子晶体光纤，以及用莫尔光栅进行波长选择，使得0.87nm波长间隔的双波长激光在室温下稳定运转。由高非线性光子晶体光纤引入的四波混频使得两束振荡激光间发生能量转移，从而抑制了两激光间的模式竞争得到室温下稳定的双波长激光。通过调节作用于莫尔光栅上的温度，实现了在固定的波长间隔下激光波长可调协输出。
关键词：掺铒光纤激光器；四波混频；莫尔光纤光栅；光子晶体光纤
中图分类号：TN248 文献标识码：A
Stable and Tunable Dual-wavelength Erbium-Doped Fiber Laser with a moiré Bragg Grating and Photonic
Crystal Fiber
XU Ling-ling, JIN Long, YUAN Shu-zhong, KAI Gui-yun
(Institute of Modern Optics, Nankai University, Tianjin 300071, China)
Abstract: We propose and demonstrate a novel dual-wavelength erbium-doped fiber laser using four-wave mixing (FWM). By inserting a length of highly nonlinear photonic crystal fiber (HN-PCF) in the laser cavity and using the moiré Bragg grating as the wavelength-selecting component, two stable wavelengths with 0.87nm wavelength spacing have been realized at room temperature.The energy-conversion-induced loss caused by the FWM, which happens in the HN-PCF among the two oscillating lasers and the FWM products, is believed to contribute to the stable dual-wavelength operation by suppressing the wavelength competition between the two lasers. By adjusting the temperature applied on the MBG, the output lasers can be tuned with fixed wavelength spacing .
Key words:Erbium-Doped fiber laser; Four-wave mixing; moiré bragg grating; photonic crystal fiber
基金项目：国家973计划项目基于微结构光纤的光电子功能器件的创新与基础研究（2003CB314906）
1 引言
近年来，多波长掺铒光纤激光器（EDFL）因其在波分复用（WDM）通信系统、光纤传感、光学仪器及系统检测等领域有着广泛的应用前景备受关注[1-4]。由于室温下掺铒光纤(EDF)是均匀展宽的介质从而导致了在多波长激光间有激烈的模式竞争，不能得到稳定的激光输出。为了减小模式竞争得到稳定的多波长激光输出，最直接的方法是将铒纤冷却到77k。另外还有人提出了利用空间烧孔效应、偏振烧孔效应、交叠腔结构等，实
现了多波长的稳定输出。此外利用光纤中的非线性效应也可得到室温下稳定的多波长输出。近来由于光子晶体光纤的高非线性系数而备受关注[5]。光子晶体光纤中产生的四波混频效应可通过动态的转换各个波长间的能量而实现多波长的输出。
布拉格光纤光栅因其与光纤的兼容性，易于使用，成本低廉等特点成为理想的波长选择元件。其中莫尔光纤光栅多用于在基于光纤的波分复用通信系统，多通道光纤激光器和传感测量领域[6,7]。
本文我们报道了一种用莫尔光栅选频的双波长掺铒光纤激光器。腔内接入一段高非线性光子晶体光纤，引入四波混频效应得到稳定的双波长输出。其中偏振控制器用来调节腔内的偏振态以达到合适的四波混频效应。通过调节施加于莫尔光栅上的温度，输出激光波长可调。
2 实验装置及原理 图1所示为可调谐双波长激光器示意图。掺铒光纤激光器（EDFA ）饱和输出功率为2w 。光纤耦合系统(Fiber launch)将EDFA 的输出能量耦合进单模光纤纤芯，其耦合效率为38％。腔内接入一段高非线性光子晶体光纤(HNL-PCF)用来产生四波混频(FWM)，其长度为20m ，非线性系数为11/W/km ，在1520-1610nm 范围内具有平坦且接近于零的色散。我们利用环行器1和3dB 光纤环镜使信号光通过HNL-PCF 两次，以增强非线性效应。偏振控制器用于调节进入光子晶体光纤的光的偏振态，从而获得合适的FWM 效率。激光从莫尔光栅的另一段输出并由分辨率为0.1nm 光谱仪（ADV ANTEST Q8383）进行检测。
实验中一个关键的器件是莫尔光纤光栅，在激光器中做波长选择并输出。莫尔光栅可由两个重叠写入的布拉格光纤光栅形成。如果利用两个周期分别为Λ1 和 Λ2的掩模板对同一段光纤进行两次曝光写入，那么折射率沿z 方向是一个具有慢变包络（周期为Λe =2Λ1Λ2/(Λ1-Λ2)）的快变结构（周期为Λs =2Λ1Λ2/(Λ1 +Λ2)）。我们利用拉伸和二次曝光法成功的在单模光纤上写制了莫尔光栅。.实验中，我们在未拉伸的光纤上写制第一个峰，波长为1555.44nm 。光纤悬挂一个约50g 的重物拉伸后，第一个光栅透射峰向长波方向移动0.87nm ，并在同一个位置曝光。此时另一个新峰出现在第一峰原来的位置上。在第二峰曝光生长的过程中，第一峰因为其折射率微扰幅度有所降低而慢慢减小。图2为莫尔光栅的透射谱。
光纤中传输模式的有效折射率对温度和应力敏感的，其函数关系如下
图1 双波长激光器装置图
图2 莫尔光栅的透射谱
eff eff
eff n n n T T σσ???=?+??? (1)
其中/n T ?? 是有效折射率的温度系数,ΔT 指温度的变化量, /n σ??是纵向应力系数，Δσ是施加的纵向应力。由于布拉格波长是关于n eff 的函数, 我们只需在光栅长度上施加一定的温度或应力便可简单的改变原来的传输特性。布拉格波长对应于温度改变量ΔT 的关系如下所示[7]：
/()T B f f T T K T λλαξ?=+?=? (2)
其中f α 和f ξ分别是常规单模光纤的热膨胀系数和热光系数。显然，布拉格波长随着施加的温度线性变化。 在本实验中我们将莫尔光栅置于温控箱中，温度从30o C 升至95o C ，布拉格波长也线性漂向长波方向。
波长1λ 和 2λ处的稳定振荡需满足条件[8]为
,,1i i EDF i FWM i R V G G ???= (i=1,2) （3）
其中R i , V i and G EDF ,i 分别为莫尔光栅的反射率，
往返一周腔内的损耗和EDFA 所提供的增益。这些量在 λ1 和λ2处可认为近似相等。G FWM 为腔内的四波混频效应引入的增益.由于四波混频有很强的偏振依赖性，我们通过调节腔内的偏振态选取合适的四波混频效率。因此当四波混频提供的增益和每个波长的反射率调到最佳值时，腔内双波长激光可以同时稳定输出。
另一个重要的元件就是高非线性光子晶体光纤，它在腔内引入了四波混频效应。当两波长激光进入HNL-PCF 时（ω1、ω2分别对应波长为λ1 和λ2），因简并的四波混频效应，两个频率为ω1的光子消逝，同时伴随着频率分别为ω0、ω2的两个新光子的产生。它们的频率满足关系式2ω1=ω0+ω2。同时，两个频率为ω2的光子消逝，两个频率为ω1,ω3的新光子产生，且2ω2=ω1+ω3。HN －PCF 引入的简并的四波混频导致了能量的动态转移来补偿两个波长间的能量差异，直至两者功率均衡。由此，四波混频效应有效的抑制了EDF 中的模式竞争并且显著的增强了两波长的稳定性和均衡性。
3 实验结果与讨论
当EDFA 的输出功率为500mW 时，通过调节腔内的偏振态，可以观察到稳定的双波长输出；图3是16次重复扫描的结果，每次扫描间隔为30秒。输出的激光功率为16.8mw, 最大的功率波动为0.8dB 。由图可看出，室温下双波长输出稳定性以及振幅均衡性都很好。所有的激光输出都可得到超过45dB 的信噪比。
我们将莫尔光栅置于温控箱中实现波长调谐。图4所示为布拉格波长随温度变化曲线。当温度从30o C t 升到95o C ，布拉格光栅波长线性向长波方向漂移。图5显示了室温下和95o C 时双波长输出的比较图。由于EDFA 提供增益不是很平坦，不同波长处的G EDF 也是变化的，所以在温度上升过程中需调节偏振控制器，选取合适的G FWM 来满足振荡条件，得到稳定均衡的双波长激光输出。在95o C 时，两波长仍有超过45dB 的信噪比，很小的功率波动且稳定可达半个小时之上且。
实验中，两波长的间隔为0.87nm 。在光栅的写制过程中，我们可以通过进一步精确的控制光纤的拉伸量使波长间隔标准化为0.8nm 或0.4nm 。而且可以将一根光纤多次进一步拉伸以及在同一位置多次曝光来写制多峰的莫尔光栅。因此，以同样的装置结构和原理，用更长的HN －PCF 以及多峰的莫尔光栅便可在室温下得到稳定的多波长输出。 图3 双波长输出重复扫描图 图5 室温和 95o C 下双波长输出
W a v e l e n g t h (n m )
Temperature(o C)图4 波长随温度变化
4 结论
本文提出了一种结构简单的可调谐的双波长掺铒光纤激光器，其中腔内的一段HN－PCF引入的四波混频效应有效地抑制了EDF中的模式竞争在室温下得到了稳定均衡的双波长激光输出。同时可以改变加在莫尔光栅上的温度来调节输出激光的波长。
参考文献：
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光纤光栅及其技术在电力行业上的应用 摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感 技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可 调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各 种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术 难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未 来的发展趋势。 关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM
目录 第一章光纤光栅基本原理 1.1 前言 (1) 1.2 光纤光栅定义及分类 (1) 1.2.1光纤光栅的分类 (2) 1.3光纤光栅制作方法 (6) 1.3.1光敏光纤的制备 (6) 1.3.2成栅的紫外光源 (7) 1.3.3成栅方法 (7) 第二章光纤光栅技术应用 (10) 2.1 光纤光栅传感器的工作原理 (10) 2.1.1啁啾光纤光栅传感器的工作原理 (11) 2.1.2长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理 (11) 2.2.4在电力工业中的应用 (12) 2.3 光纤光栅在光通信领域的应用 (12) 2.3.1.光纤光栅滤波器中的应用 (12) 2.3.2光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (14) 第三章光纤光栅的应用前景 (20) 3.1 光栅技术及拉曼光纤放大器发展应用 (20) 3.2 波分复用/解复用器 (20) 3.3 光纤滤波器 (21) 第四章光纤光栅结论 (21) 致谢 (22) 参考文献 (23)
第一章光纤光栅基本原理 1.1 前言 1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是用488nm 可见光波长的氩离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来梅尔茨等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤，它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-2)，这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。 1.2 光纤光栅定义及分类 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生
光子晶体光纤设计与分析 摘要：光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤（以下简称PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型——折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型PCF可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。关键词：PCF原理结构分析制备特性应用 正文： 一.PCF的导光原理 按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 1.1折射率导光机理 周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种 同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。 1.2光子能隙导光机理 理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。 空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。 二．PCF的结构与制作 PCF的结构一般是在石英光纤中沿径向有规律地排列着许多空气孔道，这些微小的孔道沿光纤轴线平行排列。根据其结构类型可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是纤芯为石英玻璃、包层为石英玻璃中分布许多空气孔道和石英玻璃壁的组合体。空心光纤的纤芯为一条直径较大的空气孔道，包层与实心光纤类似。通过设计这些空气孔的位置、大小、间距及占空比等波长量级的特征参数，对某以波段形成带隙，从而对这一波段的光传播是实现控制。 光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程,如Knight J C等的制作方法: (1)取一根直径为30mm的石英棒,沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔,随后将石英棒研磨成一个正六棱柱; (2)把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中,将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱丝; (3)把正六棱柱丝切成适当长度的若干段,然后堆积成需要的晶体结构,再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸,使内部空气孔的间距减小到50Λm左右,形成更细的石英丝; (4)在以上工作的基础上,把上述石英丝高温拉伸,形成最后的PCF。在以上3个阶段的拉伸过程中,晶胞减少了104数量级以上,最后形成的光子晶体的孔间距在2Λm左右。PCF 沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔,从PCF 的横切面看,存在着周期性的二维结构。如果核心处引入一个多余的空气孔,或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替,从而在光子晶体中引入一
光子晶体光纤材料 光子晶体的能带结构 电子能带与光子能带 在半导体晶体中, 电子受原子周期排列所构成的周期势场的作用, 它的能谱呈带状结构由于原子的布拉格散射, 在布里渊区边界上能量变得不连续, 出现带隙, 电子被全反射在光子晶体中, 也存在类似的周期性势场, 它是由介电函数在空间的周期性变化所提供的当介电函数的变化幅度较大且变化周期与光的波长相比拟时, 介质的布拉格散射也会产生带隙, 相应于此带隙区域的那些频率的光将不能通过介质, 而是被全部反射出去由于周期结构的相似性, 普通晶体的许多概念被引入光子晶体, 如能带、能隙、能态密度、缺陷态等实际制备的光子晶体多由两种介电常数不同的物质构成, 其中低介电物质常采用空气, 因此相应于半导体的价带和导带, 在光子晶体中存在介电带和空气带。 完全光子能隙的产生 光子能隙有完全能隙与不完全能隙的区分所谓完全能隙, 是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙, 且每个方向上的能隙能相互重叠不完全能隙, 相应于空间各个方向上的能隙并不完全重叠, 或只在特定的方向上有能隙由于能隙产生于布里渊区的边界处,原则上完全能隙更容易出现在布里渊区是近球形的结构中。FCC是具有最接近球形布里渊区的空间周期结构。 人们对光子能带的理论计算最初是照搬电子能带的计算方法, 如平面波法和缀加平面波法等, 将光子当作标量波, 利用薛定愕方程求解一计算结果显示, 包括在内的许多结构的光子晶体都将出现光子带隙然而, 随后的研究表明, 这种
标量波近似法不仅在定量上, 甚至在定性上都与实验结果不符。由于电子是自旋为1/2的费米子, 为标量波而光子是自旋为的玻色子, 是矢量的电磁波, 两者存在着本质的区别因此, 计算光子晶体的能带结构必须在矢量波理论的框架下, 从麦克斯韦方程出发在各种理论中, 平面波展开法是应用得最普遍, 也是最成功的由于光子之间没有复杂的相互作用, 理论计算可以非常精确地预言光子晶体的性质, 对实验工作起着重要的指导作用。 能带计算表明由球形颗粒构成的结构具有很高的对称性, 对称性引起的能级简并使它只存在不完全能隙, 例为了得到具有完全能隙的光子晶体结构, 需要从两方面考虑：（1）提高提高周期性介电函数的变化幅度, 即要有高的折射率反差（2）从结构上消除对称性引起的能带简并为此, 在结构的晶胞内引入两个球形粒子构成的金刚石结构, 能产生很宽的完全带隙，通过引入非球形的晶胞颗粒也能消除能带简并从而产生完全的光子带隙。利用材料介电常数的各向异性,在FCC、BCC、SC等各种简单晶格中也将产生部分能隙, 此外, 在介电质材料中引入彼此分离的金属颗粒构成的复合光子晶体, 将具有很宽的完全能隙, 然而由于在可见光和红外波段金属材料的强烈耗散, 这种光子晶体的效率很低。 光子晶体中的缺陷能级 半导体材料的广泛应用与其掺杂特性密切相关向高纯度半导体晶体中掺杂, 禁带中会产生相应的杂质能级, 从而显著改变半导体材料的电学、光学特性类似地, 可以向光子晶体中引入杂质和缺陷, 当缺陷是由引入额外的高介电材料所至图右, 其特性类似于半导体掺杂中的施主原子, 相应的缺陷能级起始于空气带底, 并随缺陷尺寸的变化而移向介电带当缺陷是由移去部分高介电材料所至, 其特性类似于半导体掺杂中的受主原子, 相应的缺陷能级起始于介电带顶, 并随缺陷
布拉格光栅的研究 1 概述 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用[1]。 在光纤通信领域，利用光纤光栅可以制成光纤激光器、光纤色散补偿器、光插、分复用器、光纤放大器的增益均衡器等[2]，这些器件都是光纤通信系统中不可缺少的重要器件，可见光纤光栅对光纤通信的重要性，因此光纤光栅也被认为是掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。 在光纤传感领域，光纤光栅也起到了及其重要的作用。光纤光栅的传感机制包括温度引起的形变和热光效应、应变引起的形变和弹光效应、磁场引起的法拉第效应及折射率引起的有效折射率变化等。当光纤光栅所处的温度、应力、磁场、溶液浓度等外界环境的发生变化时，光栅周期或者光纤的有效折射率等参数也随之改变，通过测量由此带来的光纤光栅的共振波长变化或者共振波长处的透射功率变化可以获取所需的传感信息[3]，由此可见，光纤光栅是波长型检测器件，所以其不光具有普通光纤的优良特性，而且测量信号不易受光强波动及系统损耗的影响，抗干扰能力更强，还可利用波分复用技术，实现对信号的分布式测量。 由于光纤光栅的应用范围较为广泛，故本文只针对光纤光栅传感的应变检测机制进行一定的研究。光纤光栅可分为布拉格光栅和长周期光栅，在应变检测中，一般采用的布拉格光栅，下文中出现的光纤光栅指的是布拉格光栅。本文主要的工作主要是分析光纤光栅应变检测的原理，对光纤光栅应变检测进行一定的综述，以及对应变检测中很重要的增敏技术进行研究，并总结。 2 应变检测原理 根据光纤光栅的耦合模理论，光纤光栅的中心波长λB 与有效折射率n eff 和光 栅周期Λ满足如下的关系[4] Λ=eff B n 2λ (2-1) 光纤光栅的反射波长取决于光栅周期Λ和有效折射率n eff ，当光栅外部产生应变变化时，会导致光栅周期Λ和有效折射率n eff 的变化，从而引起反射光波长的偏移，通过对波长偏移量的检测可以获得应力的变化情况。由于课上已经讲过，故不多做赘述，只是简要的回顾一下。接下来主要讨论应变对光纤光栅作用的模
光纤光栅制作方法<2> 3）chirp光纤光栅的制作a）两次曝光法这种方法可采用较简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路。第一次曝光在光纤上并不形成光栅，而是仅形成一个渐变的折射率梯度，第二次曝光过程则是在第一次曝光区域上继续写入周期均匀的光栅，两次效应迭加便构成了一个chirp光栅。这种方法的优点是利用了制作均匀光栅的曝光光路，使得制作方法大大简化。b）光纤弯曲法这是在均匀光栅中引人光纤的机械变形，形成chirp光栅的一种方法，由于光纤的弯曲角度渐变，造成光栅的周期渐变。这种方法引入的chirp量不能过大，否则栅齿倾斜，会引起导模耦合成包层模而造成附加损耗。c）锥形光纤法这是利用锥形光纤形成chirp光栅的一种方法。可以在锥形光纤两端施加应力发生形变，然后写人均匀周期的光栅，应力释放后，由于锥体各部分的伸长形变不同，造成光栅周期的轴向发生均匀变化，形成chirp光栅。也可以先在锥形光纤上写人均匀光栅，然后再施加应力，可以得到相同的效果。d）应力梯度法与锥形光纤法原理相同，只是光纤中应力大小是通过将光纤粘在底座上的胶含量来调节。它的优点是可以分别调节中心波长和光栅的带宽，这对于制作高性能的色散补偿器具有重要的意义。e）复合chirp光栅法将一列不同周期的均匀光栅顺序写在光纤上，它最大限度地应用了制作均匀光纤光栅的工艺简单性，具有很大的灵活性。f）chirp光栅的全总干涉法制作这种制作chirp光栅的基本原理是通过在双光束全息光路系统中加入往面镜，使两束光的干涉角度沿着光纤轴向发生连续变化，从而造成光纤的纤芯折射率发生周期性渐变，形成chirp光纤光栅。4）新的光纤光栅制作方法a）直接写入法直接写入法是指在制作光纤光栅时，无须剥去光纤的涂覆层而直接在纤芯上写人光纤光栅的方法。此法关键是采用对紫外光透明的材料作为光纤的涂覆层。目前报道的光纤涂覆层有采用丙烯酸酯或general electric rtv615硅胶，通过加大紫外光强度、减小涂覆层厚度以及对光纤氢载等方法可以有效提高光纤光栅的写入时间。这种方法解决了以往传统方法中必须采用课光纤的弊端，减少了对光纤光栅制作完后要立即进行涂覆的工艺复杂性，具有很好的应用前景。b）在线成栅法这是最新出现的一种成栅方法。南安普敦大学的ldong等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了光纤拉制过程中写人光纤光栅的实验。它是在光纤拉制过程中在探光纤上直接写入光栅。通过对干涉系统中两束干涉光夹角的调节，可在线自动写入反射波长不同的一系列光纤光栅。使用这种方法，制造工艺简单，能连续大批量地制造光纤光栅，提高了光栅性能的稳定性，它的技术关键是要对所使用的准分子激光光束截面进行改进才能满足实用化的要求。c）光纤刻槽拉伸法用精密切割机对光纤进行周期性机械刻槽，用氢气火焰对v型槽区域的光泽进行拉伸退火，熔融玻璃表面应力的影响，以及v型槽一边的光纤的纤芯不平衡等因素，纤芯产生周期性的畸变，导致纤芯折射率的周期性变化。利用此方法已经成功研制成的长周期光纤光栅，具有很好的宽阻带特性（30nm），可应用于宽阻带滤波器的波分复用系统。这种方法的缺点是机械加工的精度要求较高，目前很少被采用。d）微透镜阵列法这种写入长周期光纤光栅方法的关键技术是采用一种微透镜阵列，将一平行的宽柬难分子激光聚焦成平行等间距的光条纹，投影到单模光纤上，其中相邻微透镜之间无间隙，其中心间距决定了写人光栅的空间周期。这种方法写入一个长周期光纤光栅仅需10s，大大提高了写入效率。通过控制写入时间和写入光栅的总长度，可以用同一块微透镜模板写入不同波长、不同透射率的长周期光栅。这种方法的缺点是做透镜模板制作非常困难，使它的应用受到了限制。e）用聚焦二氧化碳激光器写入lpg 采用10.6μm自由空间二氧化碳激光器对光纤直接曝光，通过计算机控制平移台，实现光纤的准直和固定及曝光间距的控制，可以写入不同周期的长周期光栅。这种方法无须采用紫外光，对光纤可以不用载氢处理，这种方法具有很好的应用前景。f）移动平台法利用一个周期不变的相位掩膜，可以写入调瞅、波长任意的光纤bragg光栅，通过改变光束的聚焦，可以写入阶跃chirp光栅。实验结构的主体包括两个移动平台，相位掩膜与光纤固定在一起，可以移动。改变两个透镜之间的距离就可以改变写入光纤的布拉格波长，控制每个基本光栅的曝光时间可控制切趾光栅剖面，这对于抑制反射谱中旁瓣的影响具有重要的意义。g）用聚焦离子束写入光纤光栅利用聚焦离子束（focused ion beam：fib）可以写入任意的光纤光栅结构，fib既可以采用研磨方式，也可以采用沉积方式。光栅研磨出的槽离纤芯只有几μm，研磨15～20个槽即可获得高的反射率，槽数越多反射越大。研磨方法简单但实现不易，常用的方法是用氟化氢腐蚀掉部分包层后开始研磨，但光纤研磨下来的物质充电沉积在研磨区，将会降低研磨效率，并且由于材料的再沉积，糟的深宽比将被限制在一个较小的值。研磨时间取决于研磨材料和束电流。这种方法的关键是要解决工艺难度，才有可能获得广泛的应用。3结束语对光纤通信而
论光子晶体光纤技术的现状和发展 摘要: 光子晶体光纤，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。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。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的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性 1 引言 1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），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PCF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[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF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[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。 2 光子晶体光纤概述 2.1 光子晶体光纤导光原理 光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。 带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图2-1（a）。 折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）
第24卷第3期Vo l.24,No.3滨州学院学报Journal of Binzho u University 2008年6月Jun.,2008 大模场光子晶体光纤设计 收稿日期:2008-01-04第一作者简介:薛 华(1976 ),女,山东惠民人,讲师,在读硕士,主要从事无线电物理研究. 薛 华,韩春艳 (滨州学院物理与电子科学系,山东滨州256603) 摘 要:全内反射型光子晶体光纤纤具有为高折射率,包层为石英-空气周期结构,光通过高折射率纤芯与低平均折射率包层间的全内反射向前传播.包层的周期结构要求也不严格,甚至可以无序.利用其特有的 无截止单模 特性,对大模场光子晶体光纤进行了设计. 关键词:光子晶体光纤;无截止单模;模场 中图分类号:TN 252 文献标识码:A 文章编号:1673-2618(2008)03-0079-04 PCF(Photonic Cry stal Fiber,PCF)的概念最早由ST.J.Russell 等人[1]于1992年提出,它的结构由石英棒或石英毛细管排列而成的,在中心形成缺陷,所以又被称为多孔光纤(H o ly Fiber)或微结构光纤(M icro -structured Fiber).PCF 根据其导光原理可以分为两种,一种是光子带隙光纤(Pho to nic Band Gap PCF,PBG -PCF),另一种是改进的全内反射PCF(T otal Internal Reflection PCF,TIR -PCF),也称作折射率引导PCF(Index Guiding PCF ).T IR -PCF 与传统光纤的差别在于包层具有与PBG -PCF 相似的六角形排列的空气孔,正是这种周期性结构提供了许多独特性质.由于不依赖光子带隙,包层中空气孔并不要求大直径,排列的形状与周期性要求也不严格,甚至包层中可为无序排列的空气孔,同样可以实现相同的导光特性.比较两种PCF,全内反射PCF 无论在理解或是制作上都更为简单,因为它可沿用经典的全内反射理解导光机制,而且不需要精确的空气孔排列,更适合于制作,故在目前大多数的研究和应用都是针对全内反射型PCF [2]. 1 无截止单模(Endlessly single mode)特性 这是T IR -PCF 的一个重要的特性.对于标准的阶跃型单模光纤,其归一化频率V 由下式决定 [3]:V =(2 / )(n 2c o -n 2cl )1/2,(1) 式中n co 和n c l 分别为光纤纤芯和包层材料的折射率, 为纤芯半径, 为光波长.归一化频率V 决定了模式数目,当V <2.405时,光纤才是单模的.对应于V =2.405的波长就称为传统光纤的截止波长,只有当工作波长大于此截止波长时光波才能在光纤中实现单模传输.而PCF 不存在截止波长,用有效折射率模型[4]可以较好地解释这一现象.类似于传统光纤的归一化频率,在PCF 中,亦可定义一个等效的归一化频率为[5]: V ef f =(2 / )(n 2co -n 2ef f )1/2,(2) 其中n c o 和n ef f 分别为PCF 芯层和包层的等效折射率, 为芯层半径.PCF 包层的等效折射率n e f f 可以根据包层晶胞的等效数学模型解出.它是光辐射波长的函数,当波长减小时,光束截面随之收缩,光波模式分布向纤芯集中,因此n ef f 增大,从而n co 和n e f f 的差减小,这就抵消了波长减小的趋势,使V ef f 趋于定值,从而满足了单模传输条件.理论计算及实验证明:只要满足空气孔径与孔间距之比小于0.2,[6]PCF 就具有无截止单模特性.更重要的是,PCF 的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸无关,只取决于光纤的相对尺
调研报告 课程：光纤通信 学院：电气工程学院 班级： 14级电子专业02班 学号： 20144470220 姓名：郑浩
光子晶体光纤(PCF)在光纤通信中的应用与展望 郑浩 （南华大学电气工程学院，湖南衡阳） 摘要：光纤是光纤通信系统中的传光媒质，开发性能优异、独特的新型光纤是实现更远距离光通信的重要发展方向。本文将侧重三个方面，先着重介绍光子晶体光纤的导光原理及传输特性，再介绍光子晶体光纤的各个发展节点中的重要成果和突破，最后是对光子晶体光纤的发展前景做出的总结和评价。 关键词：光纤通信; 光子晶体;光子晶体光纤;传输特性 1 引言 光子晶体光纤(PCF)因为其灵活的色散裁剪、完美的抗弯曲特性、良好的非线性等新颖特性，一经提出便广受关注。1960年，华人科学家高锟对于光纤的低损耗的可实现性所做的论述，是开启以光纤通信为主的光通信时代的一把钥匙，所以可以说光通信的广泛使用正是有赖于光纤技术的不断进步，而研发出新型光纤或提高现有光纤的品质一直以来都是光通信领域的重点。光子晶体光纤正是传统光纤的替换选择之一。 光子晶体这一概念最早由E.Yablonovitch与S. John分别提出，光子晶体就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料[1]。1991 年，Russell首次提出了光子晶体光纤的概念。光子晶体光纤是一种由单一介质(石英玻璃、塑料等)构成，并且在二维的方向上呈现周期性紧密排列(如周期性六角形等)、而在三维空间(光纤轴向)基本保持不变的波长量级空气孔所构成的微结构包层的新型光纤[2]。光子晶体光纤(PCF)根据光纤的结构不同，又称为多孔光纤(HF)或微结构光纤(MOF)。根据导光的机制的不同，可以将光子晶体光纤分为折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤，本文将主要介绍后者。尽管光子晶体光纤具有传统光纤无可比拟的新特性，但受限于理论模型的精确度，尤其是生产工艺与单位价格。本综述中所引用的所有文献截止时间为2017年9月。 2 原理与特点分析 2.1 PCF的结构 按光纤结构的不同，光子晶体光纤可分为空心光纤和实心光纤。其中空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤；而实心光纤则是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。PCF 也是使用传统光纤的熔融拉丝方法拉制而成。光子晶体光纤的剖面是按照周期性点阵排列的。这种与波长大小相当的周期性点阵就是PCF的“晶格”。 2.2 PCF的导光机理[3] 普通光纤是利用掺杂方式来获得光波导结构, 从而实现光纤的光传输性能的要求。而光子晶体光纤的导光机理可分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机制。 折射率导光机理是指，周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率之间有一定的差别, 从而使光能够在纤芯中传播, 所以这种结构的
Optoelectronics 光电子, 2018, 8(3), 98-105 Published Online September 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/6416902198.html,/journal/oe https://https://www.doczj.com/doc/6416902198.html,/10.12677/oe.2018.83014 Development in Fiber Bragg Grating Sensing Technology Shanchao Jiang School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu Received: Aug. 21st, 2018; accepted: Sep. 6th, 2018; published: Sep. 13th, 2018 Abstract In order to promote the development of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology, this paper introduces the development of fiber Bragg grating in its spectrum analysis, sensor parameters (such as strain, displacement, pressure, flow rate, anchor bolt, inclination, etc.) detection, multip-lexing technology and other aspects in detail. This provides basic support for further diversifica-tion and practicability of FBG sensing technology. Keywords FBG, Spectrum Analysis, Detection Sensor, Multiplexing Technology 光纤光栅传感技术发展综述 蒋善超 盐城工学院电气工程学院，江苏盐城 收稿日期：2018年8月21日；录用日期：2018年9月6日；发布日期：2018年9月13日 摘要 为促进光纤光栅传感技术的发展，本文较为详细的介绍了光纤光栅在其光谱分析、传感器参数(如应变、位移、压力、流速、锚索锚杆、倾斜等)检测、复用技术等方面的发展现状，为推动光纤光栅传感技术进一步的多样化、实用化提供基础支持。 关键词 光纤光栅，光谱分析，检测元件，复用技术
光纤布拉格光栅写制技术研究 摘要：光纤光栅广泛应用于光纤传感和光纤通信领域，不同的应用场合对光纤光栅的特征参量提出了不同的要求。本文通过调节光纤光栅相位掩模法制作参数，测定不同参数对光纤光栅光谱特性的影响规律并分析其原因，进而通过写制参数控制光纤光栅的光谱形状，对制作确定光谱参数的光纤光栅具有指导意义。 关键词：光纤光学；光纤光栅；制作技术 中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0092-03 1 引言 相位掩模法[1]是制作光纤布拉格光栅最常用的方法，在商业化的大批量生产中，一般通过制作大量光纤光栅，从中选取符合设计要求的使用。对于大规模光纤光栅传感阵列[2-4]，需要在单根光纤上制作多个具有确定性能的光纤光栅，这需要精确控制制作参数以保证写制光纤光栅的性能符合设计要求。光纤光栅新型器件[5-12]的制作需要将光纤光栅写在不同的波导结构上，同样需要对光栅写制参数的精确控制，因此，研究光纤光栅写制参数对其性能的影响规律具有重要的实用价值。 本文通过分析影响光纤光栅光谱特性的主要参数，搭建
光栅写制实验测试平台，通过调节准分子激光器的重复频率、脉冲能量、曝光时间及改变待刻栅光纤两端的预应力，测试写制参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，为写制确定光谱特性的光纤光栅以及光纤光栅写制过程中的调整提供 指导。 2 写制参数控制实验 实验采用248nm准分子激光器曝光相位掩模板写入法，图1就是相位掩模法制作光纤光栅的示意图。 通过相位掩模法制作光纤光栅的工艺过程分析，有一些工艺制作因素对实际制作的光纤光栅性能影响颇为明显，我们选取准分子激光器的脉冲能量、重复频率和曝光时间、施加在光纤两端的预应力等写制参数作为研究对象，搭建光纤光栅制作系统，测试上述参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，实验测试及分析过程如下： 2.1 曝光能量 ?x用载氢三周的普通抗弯光纤作为研究对象，写入光栅长度6mm，设定准分子激光器脉冲重复频率10Hz，光纤两端施加恒定0.5N的预拉力，用同一块相位掩模板，依次调节激光器输出能量为19kv、22kv、26kv、30kv，测试不同脉冲能量下写入光栅的特性差异。 从写制过程可看出，随着脉冲能量增大，刻写相同反射率光纤光栅所需的曝光时间减少，所能达到的最大反射率增
特种光纤技术及其发展趋势 摘要：本文首先回顾了我国民族光纤产业的巨大进步与突破，进而引出激烈竞争情况下的特种光纤年差异化发展策略。着重讲述了我国特种光纤研究进展，包括前沿的光子晶体光纤技术、色散补偿光纤技术、保偏光纤、掺稀土光纤、能量传输光纤等。最后结合国家科技发展计划，阐述了特种光纤的发展趋势。 关键词：光纤通信、光纤、预制棒、光子晶体光纤、特种光纤 一、引言 “十一五”期间，在国家有关部门和各级政府的重点支持下，特别是国家科技部在“十一五”国家科技攻关和“863”光电子新材料研究计划中，安排了光纤预制棒科技支撑计划项目，国内光纤企业积极迎接挑战、踊跃投入，各相关行业协会大力促进，加快了具有自主知识产权的光纤预制棒新技术、新工艺和新材料的开发步伐。在国家自主创新政策的引领下，民族光纤的自主创新研究显著增强，我国的预制棒技术取得了突破性进展，光纤预制棒制造技术与设备研究及产业化等方面均实现了跨越式发展：制造工艺从MCVD与PCVD，发展到OVD与VAD技术，光棒制造能力从2家发展到4家，国内光纤制造商的单模光纤年生产能力突破1000万芯公里的企业迅猛增加到4家，我国已经发展称为名符其实的光纤制造第一大国。 虽然，我国常规单模产能实现了历史性跨越与进步。但是，在经济全球化的今天，常规单模光纤的竞争日趋白热化。加之发达国家将制造业向中国转移，这种现实的环境更是加速了民族光纤产业的竞争，价格迅速下滑，产能将再度出现供大于求的窘境。 因此，民族光纤产业一方面要更一步增强自主创新，狠抓光纤上游核心—－光纤预制棒规模化技术，抢夺利润来源主体；另一方面，民族光纤企业家需要站在全球化市场的战略高度，苦练内功，强化管理，将民族光纤产业走出国门，推向全球市场；第三，面对利润微薄的常规光纤市场实际，要创造性地展开差异化竞争，自主创新地研究与开发特种光纤新产品，拓展新的利润增长点。 二、光子晶体光纤 烽火通信科技股份有限公司在十一五国家重点基础研究发展计划973项目“微结构光纤结构设计及制备工艺的创新与基础研究”（2003CB314905）、高新技术产业化项目“863”计划“光子晶体光纤及器件的研制与开发”（2007AA03Z447）、973计划项目“微结构光纤的创新设计、精确制备及其标准化”（2010CB327606）的支撑下，从微结构光纤设计、制备技术和应用技术等多方面进行了系统深入的研究，取得了重大的科研成果。烽火通信已经初步形成了微结构光纤（光子晶体光纤）的工艺技术与设备控制技术，以及自主知识产权的专利技术，先后制造出如图1～图6所示的光子晶体光纤，包括：高非线性光子晶体光纤、色散平坦光子晶体光纤、FTTH用微结构光纤、大模场单模光子晶体光纤、空心PBG型光子晶体光纤、全固态PBG型光子晶体光纤，以及双包层掺镱光子晶体光纤、掺铒光子晶体光纤等。
目录 摘要 (1) 引言 (2) 1.光纤光栅制作方法 (2) 1.1光纤光栅的特点 (2) 1.2光纤光栅的分类 (4) 1.2.1按其空间周期和折射率系数分布特性 (4) 1.2.2根据光纤光栅的成栅机理 (5) 1.3光栅光纤的制备 (6) 1.4成栅的紫外光源 (7) 1.5成栅方法 (8) 1.5.1短周期光纤光栅的制作 (8) 1.5.2长周期光纤光栅的制作 (10) 2光纤光栅的应用 (11) 2.1光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (13) 2.1.1有源器件 (13) 2.1.2无源器件 (13) 2.2可见光纤光栅的应用 (13) 2.2.1光源 (14)
2.2.2光纤放大器 (15) 2.2.3色散补偿器 (15) 2.2.4光分插复用器（OADM） (16) 2.2.5光终端复接器（OTM） (17) 2.2.6波长交换 (18) 3发展前景展望 (19) 参考文献 (21)
摘要：近年来，各种新的光纤光栅写入方法成出不穷，各种新型光纤光栅及其应用领域不断涌现，而且光纤光栅的制作技术与其应用领域有着密切的联系。本文主要综述了光纤光栅的制作技术及其一些特种光栅制作方法的最新进展。 为了介绍各种光光纤光栅制作方法的应用领域，本文首先介绍了光纤光栅的光学特性，光敏光纤的制备方法和所需光源等知识。对于光纤的制作技术，分别说明了短周期光纤光栅（FBG），长周期光纤光栅（LFPG）的各种写入方法，啁啾光纤光栅和切趾光纤光栅以其独到的优势而备受关注，因此，本文也对他们的特殊写入方法进行了阐述。并比较了各自的优缺点。 目前，光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其他光纤器件融成一体等特性，是全光网中的关键技术器件。光纤光栅技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端复接器（OTM）、光交叉连接（OXC）等关键部件提供解决方案。本文介绍了光纤光栅在全光网络中所发挥的作用，阐述了光纤光栅的特点，对光纤光栅进行了分类，着重分析了光纤光栅在光通信系统中的典型应用，并对其发展前景作出了展望。 关键词：光纤光栅成栅机理光纤无源器件全光通信
光子晶体光纤简介及原理 中文摘要: 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。 中文关键字：光子晶体光纤 PCF导光机理 PCF的特性 英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications. 英文关键字: photonic-crystal fiber 光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其 概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的 结构材料。 光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电 子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其 周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。可以预见，
引言 光子晶体光纤（PCF），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PCF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，因而成为目前国际上研究的热点。在光纤激光器这一领域，PCF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已有报道。本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。
第一章光子晶体光纤概述 §1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展 上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。 1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。直到1989年，Yablonovitch和Gmittern首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。1999年国际权威杂志（Science）在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。 1992年，Russell提出光子晶体光纤的概：它是包层为有序排列的二维光子晶体，纤芯为破坏了包层有序排列的缺陷，光被局限在缺陷中进行传播。1996年英国的Southampton大学研制成功了世界上第一根光子晶体光纤，这项研究成果给光通信和光研究领域注入了新的活力，引起了全世界人们的普遍兴趣。接下来短短的十年间里，光子晶体光纤的研究和应用已经取得了较大的进步，并在（Science）和（Nature）杂志上多次有过相关报道，发表的论文数也是与
光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S] 英文题名 The Basic Characteristic and the Applications Study of Photonic Crystal Fibers 专业凝聚态物理关键词光子晶体光纤; 多极法; 色散; 有效模场面积; 非线性特性; 双折射; 英文关键词 Photonic crystal fibers; Multipole method; Chromatic dispersion; Effective model field area; Nonlinearity; Double refraction; 中文摘要光子晶体光纤是一种新型的光纤,由于它具有普通光纤所无法比拟的结构设计和光学特性,在近几年成为光纤研究领域的热点。本文介绍了光子晶体光纤的研究背景及发展现状,分析了它的结构特性,并列举了一些不同结构的光子晶体光纤,简单介绍了它的两种导光原理和制备方法,以及在各个方面的应用。设计了两种结构的光子晶体光纤,并对它们的基本特性进行了数值研究。论文所做的主要工作如下: 首先,对几种数值模拟光子晶体光纤特性的理论方法进行了介绍和对比,系统介绍了多极法的原理、方程以及适用条件,突出了多极法的特点和优势并选择多极法作为本文的主要研究方法。其次,采用多极法对实芯六角形光子晶体光纤的色散、有效模场面积与结构参数的关系进行了研究。得到如下结论:通过调节空气孔直径和包层空气孔间距的大小,改变空气孔填充介质的折射率,可以有效地控制光子晶体光纤的色散特性和有效模场面积。再次,设计了一种具有双折射的光子晶体光纤。数值研究发现:通过调节空气孔直径、包层空气孔间距的大小以及x和y方向的结构的不对称性,可以有效地调节光子晶体光纤的双折射特性,使双折射效应显著增强,甚至可以达到比普通光纤高出一个数量级的结果。这些结论为... 英文摘要 Photonic Crystal Fiber(PCF)is a new type of optical fiber. Because of its special structure design and optical properties, PCF has been a focus in optical fiber area in recent years. This paper introduces the research background and current development of PCF, analyzes its two kinds of transmission principle and manufacture ,as well as its application in various aspects.In this paper, it has designed two kinds of structures of PCF,and calculated some basic characteristic of PCF as well.The original jobs in ... 摘要 4-5 Abstract 5-6 第1章绪论 11- 25 1.1 引言 11 1.2 光子晶体简介 11-13 1.3 光子晶体光纤的导光原理 13-16 1.3.1 带隙型光子晶体光纤 13- 15 1.3.2 折射率引导型光子晶体光纤 15-16 1.4 光子晶体光纤基本特性 16-20 1.4.1 无截止单模性质 16- 18 1.4.2 色散特性 18 1.4.3 非线性特性 18-19 1.4.4 双折射特性 19-20 1.5 光子晶体光纤的发展现状及应用前景分析 20-23 1.5.1 光子晶体光纤研究现状 20-22 1.5.2 光子晶体光纤的应用前景分析 22- 23 1.6 本课题的研究目标及实现方法 23-25 第2章光子晶体光纤的研究方法 25-37 2.1 引言 25 2.2 几种光子晶体光纤的研究方法简介 25-28 2.2.1 有效折射率方法 25- 26 2.2.2 平面波法 26 2.2.3 Galerkin 方法 26 2.2.4 有限差分法 26-27 2.2.5 超元胞晶格方法 27-28 2.2.6 光束传播法 28 2.3 多极法