光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展

图 是波长与非线性系数的关系（空气孔半径
，孔间距
）。非线性系数随波长的增
大而减小，而且在短波段的理论计算有很大的值。
图 有效模面积、非线性系数与纤芯直径关系图
图 波长与非线性系数的关系
中获得高非线性的方法
通过上面的讨论可以看到，在光子晶体光纤
中，由于高度可调的结构和色散特性，就可以合理
选择结构以及填充非线性材料来的到所需的光纤。
钱士雄 王恭明 非线性光学——原理与进展 旦大学出版社
上海 复
谭维翰 非线性与量子光学
北京 科学出版社
刘洁 杨昌喜 金国藩 等 一种新型高非线性色散平坦光子 晶体光纤结构 光学学报
王清月 栗岩锋 胡明列 等 光子晶体光纤非线性特性的研
究 物理
。
孙喜文 王清月 胡明列 等 光子晶体光纤中非线性传输的 数值分析 中国激光
应时，光纤中的非线性效应由于其作用长度长而有 其独特之处。在光纤中存在的非线性效应主要包括 以下几种：三次谐波（ ），四波混频（ ）， 自相位调制（ ），交叉相位调制（ ），受 激拉曼（ ）和受激布里渊散射（ ）等等。 测量非线性时常用自相位调制，所谓自相位调制是 指光场在光纤内传输时光场本身引起的相移，其大 小可以通过记录光场相位的变化得到
式中， 为电极化率。由于二氧化硅分子是对称结 构，因而石英玻璃的 等于零，因此光纤通常不显 示二阶非线性效应，光纤中的最低阶非线性效应起 源于三阶电极化率。
光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折 射率，而光纤的折射率可表示成
式中， 就是非线性折射率系数，它与三阶电极化 率 有关
在研究光与物质相互作用过程中的非线性效
等人采用小芯径－硅酸盐多孔 ，在
通信波长处达到了
；同时，英国的
公司拉制出了一系列的高非线性光纤，其非
线性系数范围为
。而丹麦的
公司也拉制出了非线性系数为
的光纤。莫斯科国家大学 拉制的 ，
第期
高 飞 等 光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展
非线性系数在
处达到
，在 和色散都有限制，同时在非线性相移的测量中存在
而
的高非线性一直都是颇受关注的课题，研
究人员试图采用各种方法来提高非线性系数并对
此展开了一系列的理论和实验研究，并取得了一定
的成果 。
通过数值分析以及非线性系数的定义可以看 出要想提高非线性系数，一般来采取两种办法，一 是减小 ，二是增大 。而对于空气填充率，如若 不考虑其他因素则是越大越好。
图 是有效模面积（非线性系数）随纤芯直径 变化关系，可见减小纤芯直径有助于减小 ，增大 非线性系数。但是，不能只是一味的减小纤芯直 径，这是由于尽管单位面积上的光能量会很大，然 而由于纤芯较小，耦合进纤芯的总能量就不会很 大，这样，其产生的非线性效应也不会很强。
第 卷第 期 年月
文章编号：1007-791X (2008) 02-0134-06
燕山大学学报
光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展
高 飞 ，侯蓝田 ，刘兆伦 ，苑金辉
（ 燕山大学 红外光纤与传感研究所，河北 秦皇岛
）
摘 要：首先介绍了光子晶体光纤中的非线性现象以及其形成原因，分析了非线性系数与光子晶体光纤结构参 数之间的关系，随后主要论述了在光子晶体光纤中获得较高非线性系数的方法，最后对现有的测量光子晶体光 纤非线性系数的方法进行了概括与比较。
而非线性相移就是
这为测量非线性系数提供了一种思路。
光子晶体光纤由于其高度可调的结构和色散
特性，使其非线性效应独具特点 ，它可以通过改
变光纤包层与纤芯的几何结构有效地控制和调节
其中的非线性光学过程，诸如通过
产生脉冲
压缩和展宽、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强
等效应，另外也有自相位调制、二次谐波和四波混
在 型光纤中， 是二氧化硅的折射率， 、 可由包层基模的有效折射率 来代替，于是，就可 以得到 中非线性系数
再根据全矢量有效折射率方法 可以计算得到包 层基模有效折射率
折射率引导型光子晶体光纤
光子带隙型光子晶体光纤
图 燕山大学拉制的光子晶体光纤端面图
这样，由式 和 就可以求得非线性系数和
， 以及光频率 的关系。图 和图 分别是
和
可知，只要测量出 就可
以通过数值计算得到自相位调制产生的相移，从而 就能求得非线性系数。
图 是该文献中测得一个频谱图，通过它就 可以求得非线性系数。这与单模光纤中的测量还有 一点差异，实际上对于折射率引导型光纤 是已知 的，只要求得有效模面积就可以得到非线性系数， 这为非线性系数的测量开辟了新的途径。这种测量 方法要求也是很严格的，对光纤的色散，长度，光 源要求都很高，因此，找到一种简便而又行之有效 的测量方法就成了当务之急。
胡明列 王清月 栗岩锋 等 飞秒激光在光子晶体光纤中产 生超连续光谱机制的实验研究 物理学报
李春雷 盛秋琴 光子晶体光纤非线性系数与其结构参量及光 波长的关系 光子学报
陈国庆 单模光纤有效面积测量研究 暨光电缆及系统测试技术研讨会 苏州
全国首届光通信
陈国庆 单模光纤 与电缆及其应用技术
波段非线性系数的测量方法 光纤
图
非线性系数与空气孔大小的关系
在折射率引导型光子晶体光纤中，对石英材料非线
性折射率系数的取值如下，
，
是有效纤芯面积 。
采用全矢量有效折射率方法进行数值处理 ，
可以知道对于阶跃型光纤，模场直径为：
，
而数值孔径
，同时有效模面积为
，因此有
图
非线性系数与空气孔间距的关系
燕山大学学报
由图可知， 的非线性系数随着空气孔增大 而增大，随着孔间距减小而增大，可见空气填充率 较大的应该会有较大的非线性系数。
数（约
）的
。通过改变空气
孔直径和孔间距来调整
的结构，进而数值模
拟色散和非线性系数，从而得到所需参数设计的光
纤。该方法为设计高非线性系数色散平坦光纤
提供了理论指导。
到 年为止，高非线性光子晶体光纤研究
进展如下。南安普顿大学光电子学研究中心研制的
折射率引导型光纤，纤芯直径约
，
处的非线性系数
，而南安普顿大学
第期
非线性
高 飞 等 光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展
的重要意义之一 。
按导光机理可以粗略的分为两类：即折射 率引导型光子晶体光纤（ ）和光子带隙型光子 晶体光纤（ ），其结构如图 所示。其中，折 射率引导型光子晶体光纤是在二维光子晶体中心 引入实芯来制作的，以其优异的高非线性特性成为 人们研究的热点。
结束语
光子晶体光纤的出现深化了对光与物质相互
作用的认识，扩展了光纤的应用领域，本文主要介
绍了 中非线性的成因和现象，如何获得较高
的非线性系数，以及一些非线性系数的测量方法，
这只是简要的介绍，期望对今后的
中的非线
性研究工作的展开有所帮助。
虚线为输入频谱；实线为输出频谱
图
中测量的到的典型频谱图
第期
高 飞 等 光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展 参考文献
公司于 年的 会议中就
已经提出了一种零色散波长在
处的非线
性系数较高的 ，其 可达到
，这种
光纤的平均孔间距是
，平均空气孔直径是
，其纤芯直径为
，光纤外径
，
零色散点在
处。可以看到，在光子晶体
光纤中可以兼顾高非线性系数的同时灵活设计光
纤的色散，这是传统光纤所不可比拟的。
年，意大利的
大学采用数值模拟
的方法，模拟了兼顾最佳色散斜率和较高非线性系
而提高 ，一般有两种途径：一是在在纤芯中 掺杂（如掺锗等材料），这样也可以加强对光的限 制；另一个是使用高非线性折射率材料。这就是光 线设计和拉制中注意的两个问题。
中非线性研究进展
在光纤非线性研究中，不能仅考虑增大非线性 系数，增强非线性效应 ，还应该结合实际，在 达到高非线性的时候，对于色散损耗也应予以考 虑，这样才会得到更好的应用。
图 单脉冲激光器 法的实验装置图
图 双连续激光器 法实验装置图
燕山大学学报
图 、图 分别是交叉相位和四波混频测量的
实验装置图，前一个是通过测量得到基波和一次谐
波的比来计算
所引起的相移，从而得到非线
性系数；后一个则是从输出信号光谱图中得到泵浦
光强度与
产生的光强度之比，非线性系数就
可通过数值法求解非线性薛定鄂方程而得出。在文
华颖 陈永诗 单模光纤非线性系数 的测量方法 光 通信研究
李曙光 刘晓东 侯蓝田 一种晶体光纤基模色散特性的矢量 法分析 物理学报
Research advances of nonlinearity in the photonic crystal fiber
Abstract Key words
处达到
，不过这种光纤使用 着很大的不确定性，对光脉冲的初始波形也有要
的是
玻璃，采用了小纤芯，纤芯周围为 个 求。优点就是方法简便，容易实现光的耦合。
与芯基本相同的小空气孔，再外面才是包层空气 孔，理论分析可知采用这种结构的二氧化硅光纤的 非线性系数也将会是很大的数值。
图是
的实验装置图。调节输入光源
的两个激光器，使其频率接近，就可以产生拍频信
献中提到
测量法可用于多种类型的光纤，而
且具有较为准确和可重复性好的优点。然而，为了
保证精度和
的效率，对测试光纤的长度要求
很严格。
图 交叉相位调制测量非线性系数实验装置图
图 四波混频测量非线性系数实验装置图
一种 中非线性系数的测量
南安普顿大学提出了一种 的测试方法，与
中提到的双连续激光器
极为相似。由式
图是
的实验装置图，它由脉冲激光器