（光學(xué)專業(yè)論文）微結(jié)構(gòu)光纖及其應(yīng)用研究.pdf

摘要 微結(jié)構(gòu)光纖( m f ) ，也稱多孔光纖或光子晶體光纖，它的問世打開了光紓光 學(xué)發(fā)展的新篇章。它擁有普通光纖所不具有的獨(dú)特的波導(dǎo)特性，在非線性光學(xué)、 高功率光纖激光器、醫(yī)學(xué)科學(xué)和遠(yuǎn)程通信等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。因此開展微結(jié)構(gòu)光 纖及其應(yīng)播研究其有重要的學(xué)術(shù)價值和廣閥的應(yīng)用藩景。結(jié)合國家自然科學(xué)基金 項(xiàng)目，教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目和國家“9 7 3 ”項(xiàng)疆，本論文主要圍繞m f 的特性 和優(yōu)化設(shè)計以及m f 在超連續(xù)譜和大模面積( l m a ) m f 有源器件方面進(jìn)行了理 論研究和實(shí)驗(yàn)研究。主要研究內(nèi)容包括： 1 。m f 波導(dǎo)特性的理論研究 作為本論文的基礎(chǔ)工作，結(jié)合m p b 軟件( 基于全矢量平面波法理論模型) 我們對m f 波導(dǎo)特性進(jìn)行了模擬分柝。研究了m f 韻包層氣i l 排列方式以及占空比 對模場的影響；計算了m f 的色散曲線，并分析了m f 的零色散點(diǎn)蘭移、色散平坦 化和雙零色散波長特性：探討了兩種離雙折射m f 的雙折射系數(shù)以及兩正交偏振 軸的色散特性。 2 m f 產(chǎn)生超連續(xù)譜斡理論研究 使用廣義非線性薛定鄂方程( g n l s e ) 對飛秒脈沖在m fp h 的傳輸特性進(jìn)行 了分析。利用預(yù)測一校正式分步傅立葉法( p c s s f m ) 對m f q a 超連續(xù)譜特性進(jìn) 行了數(shù)值模擬。探討了泵浦脈沖中心波長位于m f 不同色散區(qū)時超連續(xù)譜產(chǎn)生的 物理機(jī)制：研究了m f 的長度和泵浦脈沖參數(shù)對超連續(xù)譜特性的影響，詳細(xì)分析 了超連續(xù)譜演化過程。 3 m f 產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)研究了m f 中超連續(xù)譜產(chǎn)生的特點(diǎn)和演化。從實(shí)驗(yàn)和理論兩個方面研究 了泵滴脈沖的中心波長位于m f 零色散波長和反常色散區(qū)的情況f ，超連續(xù)譜的 特性和演化過程。從實(shí)驗(yàn)和理論兩個方面研究了泵浦脈沖中心波長位于高雙折射 m f 正常色敖區(qū)內(nèi)時，超連續(xù)譜產(chǎn)生的特點(diǎn)和演化過程。研究了無序多芯m f 中寬 帶連續(xù)譜特性，實(shí)驗(yàn)獲得的最寬連續(xù)譜的2 0d b 帶寬至少為1 2 6 0n l i l ；對強(qiáng)反s t o k e s 波的形成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給予了理論解釋。 4 大模面積微結(jié)構(gòu)光纖激光器與超熒光光源的實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)研究了大模面積微結(jié)構(gòu)光纖激光器( l m a m f l ) ，獲得了最大輸出功 率為4 3w 的基橫模激光輸出，斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率分別為6 9 a 和5 9 7 。 對m f 的彎曲半徑與l m a - m f l 運(yùn)轉(zhuǎn)模式的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對l m a m f 超熒 光光源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了輸出功率1 6 4 9w 、最大寬度為2 2 4n l l l 的超熒光 光源。 關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)光纖，超連續(xù)譜，光纖激光器，超熒光光源，色散，非線性， 受激拉曼散射，分步傅立葉法，廣義非線性薛定鄂方程 i i a b s t r a c t t h em i c r o s t r u c t u r e df i b e r s ( m f s ) a l s ok n o w na s h o l e y ”o rp h o t o n i c sc r y s t a l f i b e r sh a v eo p e n e dan e wc h a p t e ri nf i b e r so p t i c s t h e s ef i b e r sp o s s e s ss o m en o v e l o p t i c a lp r o p e r t i e st h a tc a n tb eo b t a i n e di nt h ed e s i g no f c o n v e n t i o t m lf i b e r sa n dh a v e p e r m i t t e ds i g n i f i c a n tp r o g r e s si nv a r i o u sd o m a i n ss u c ha sn o n l i n e a ro p t i c s ，h i g h p o w e rf i b e rl a s e r , m e d i c a ls c i e n c eo rt e l e c o m m u n i c a t i o n s i th a sa ni m p o r t a n t s c i e n t i f i cv a l u ea n da p p l i e ds i g n i f i c a n c et oc a r r yo u tr e s e a r c h e so nt h e s ef i b e r sa n d f h e i ra p p l i c a t i o n f u n d e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e r g r a n tn o , ：6 0 3 7 7 0 l o t h er e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a lp r o g r a m m eo fh i g h e r e d u c a t i o no fc h i n au n d e rg r a n tn o2 0 0 3 0 0 5 5 0 ：1 6 , a n dt h e “9 7 3 n a t i o n a i ，p r o j e e l ，l i n v e s t i g a t e di n d e x - g u i d i n gm f si nt w or e s p e c t s ：m o d e l i n ga n dd e s i g n i n gt h e i ro p t i c a l p r o p e r t i e sa n ds t u d y i n gt h e i ra p p l i c a t i o ni n c l u d i n gb o t hs u p e r c o n t m u u mg e n e r a t i o n ( s c g ) a n dl a r g em o d ea r e am i c r o s t r u c t u r e df i b e rl a s e rf l m a m f l ) t h em a i n s u h j e c t so f t h i st h e s i sa r ea st h ef o l l o w i n g ： 1 r e s e a r c ho nt h ew a v e g u i d ep r o p e r t i e so fm e s 。 a saf u 轂d m n c n t a lw o r ko fm yt h e s i s ，t h e 銣p b laf r e es o f t w a r ep 暈c k a g e b a s e do nt h ef u l l - v e c t o rp l a n e w a v ee x p a n s i o nm e t h o d w a se m p l o y e dt om o d e lt h e w a v e g u i d ec h a r a c t e r i z a t i o n o fi n d e x - g u i d i n g v l f s 。f i r s t l y , t h e i m p a c to nm o d e p r o p e r t i e sw a ss t u d i e db yc h a n g i n gt h ea r r a n g e m e n ta n df i l l i n gf r a c t i o no fa i rh o l e s ， r e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , w ec a l c u l a t e d t h em f s d i s p e r s i o na n da n a l y z e dt h en o v e l p r o p e r t i e ss u c h a sb l u e s h i f t e dz e r o d i s p e r s i o nw a v e l e n g t h ( z d w ) ，f l a t t e n e d d i s p e r s i o n , a n dd o u b l e dz d w sb ya l t e rt h ep e r i o da n df i l l i n gf r a c t i o no fa i rh o l e s f i n a l l y , w e ：d i s c u s s e dt h em f s b i r e f r i n g e n c ep r o p e r t i e s ，a n dc a l c u l a t e dt h ed i s p e r s i o n p r o f i l e so ft w oo r t h o n o r m a la x e s 2 r e s e a r c ho nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs c gi n v i f s t h eg e n e r a l i z e dn o n l i n e a rs c h r o d i n g e re q u a t i o n ( g n l s e ) w a su s e dt oa n a l y z e t h ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e so ff e m t o s e c o n dp u l s ei nm f s ，a n dt h ep r e d i c t o r - c o r r e c t o r s p l i t - s t e pf o u r i e rm e t h o d ( p c s s f m ) w a gi n t r o d u c e dt os i m u l a t et h es u p e r c o n t i n u u m g e n e r a t i o n ( s c g ) t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fs c gw a sn u m e r i c a l l ys t u d i e dw h e n t h ec e n t r a lw a v e l e n g t ho fp u m pp u l s el i e di nd i f f e r e n td i s p e r s i o nr e g i o n t h er e l a t i o n b e t w e e nt h em f s l e n g t ha n dt h es p e c t r a lb a n d w i d t ho fs u p e r c o n t i n u u n _ 1w a ss t u d i e d n t ot h ee n d ，t h ei m p a c to ft h ei n i t i a lc h i r p i n ga n di n i t i a lw i d t ho fi n p u tp u l s eo nt h e s p e c t r a lb a n d w i d t ho fg e n e r a t e d s ci sd i s c u s s e d 3 r e s e a r c ho nt h ee x p e r i m e n t a lg e n e r a t i o no fs u p e r c o n t i n u u mi nm f s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de v o l u t i o no fs c gi nm f sw e r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d w ee x p e r i m e n t a l l ya n dh u m e r i c a l l ys t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de v o l u t i o no fs c g w h e nt h ep u m pp u l s el i e si nt h ez d wp o i n ta n dt h ea b n o r m a ld i s p e r s i o nr e g i o n r e s p e c t i v e l y t h e n ，w ee x p e r i m e n t a l l y - a n dn u m e r i c a l l ys t u d i e dt h ee h a r a c t e r i s t i c sa n d e v o l u t i o no fs c gw h e nt h ep u m pp u l s el i e si nt h en o r m a ld i s p e r s i o nr e g i o no fah i 曲 b i r e f r i n g e n c em f t 1 1 e n w ee m p l o y e d a l li r r e g u l a r l ym u l t i c o r em ft og e n e r a t e b r o a d b a n dc o n t i n u aa n dt h eb r o a d e s tc o n t i n u u ms p a n n i n ga tl e a s t1 2 6 0r t mw i t ht h e 2 0d bb a n d w i d t h t ot h ee n d ，w ee x p e r i m e n t a l l ya n dn u m e r i c a l l ys t u d i e dt h eh i g h e f f i c i e n ta n t i s o k e sw a v eg e n e r a t i o n 4 r e s e a r c ho nt h el m a m f la n dl m a m fs u p e r - f l u o r e s c e n ts o u r c e w ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dt h el a r g em o d ea r e ay b 3 + - d o p e d d o u b l e c l a d m i c r o s t r u c t u r e df i b e rl a s e r ，a n do b t a i n e du pt o4 3wo u t p u tp o w e rw i t has l o p e e f f i c i e n c yo f6 9 4 a n do p t i c a l - t o o p t i c a le f f i c i e n c yo f5 9 7 t h e n ，w es t u d i e dt h e r e l a t i o nb e t w e e nt h eb e n d r a d i u so fl m a m fa n dt h es t i m u l a t e do p e r a t i n gm o d e si n l m a m f l ，t ot h ee n d w es t u d i e dt h el m a m fs u p e r f l u o r e s c e n tl i g h ts o u r c ew i t h u dt o1 6 4 9wm a x i m u mo u t p u tp o w e ra n d2 2 4mb a n d w i d t h k e y w o r d s ：m i c r o s t r u c t u r e df i b e r ( m f ) ，s u p e r c o n t i n u u r n ( s c ) ，f i b e r l a s e r , s u p e r f l u o r e s c e n tl i g h ts o u r c e ，d i s p e r s i o n ，n o n l i n e a r , s t i m u l a t e d r a m a ns c a t t e r i n g ( s r s ) ，s t e p s p l i tf o u r i e rm e t h o d ( s s f m ) ，g e n e r a l i z e dn o n l i n e a rs c h r o d i n g e re q u a t i o n ( g n l s e ) 、 第一章緒論 1 1 微結(jié)構(gòu)光纖簡介 1 1 1 光子晶體的基本概念 眾所周知，自然晶體( 如半導(dǎo)體) 中的電子由于受到晶格的周期性勢場的散 射，部分波段會因破壞性干涉而形成帶隙，導(dǎo)致電子的色散關(guān)系呈帶狀分布，從 而形成電子能帶( e l e c t r o n i cb a n d ) 。如果將具有不同折射率( 介電系數(shù)) 的介質(zhì) 材料按照自然鼴體的周期結(jié)構(gòu)排布，類似的現(xiàn)象也存在于光子系統(tǒng)中。1 9 8 7 年， y a b l o 曲c 】 】i 【! l j 秘j j 盛凹在研究如何抑制自發(fā)輻射和光子局域特性時分別獨(dú)立提 出了光子晶體( p h o t o r i cc r y s t a l ) 的概念：一種因折射率空間周期變化而具有光 子能帶的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料，其折射率變化周期為光波長量級。 光子晶體中介質(zhì)折射率的周期性變化對光子的影響與自然晶體中周期性勢 場對電子的影喲相似：一電磁波經(jīng)周期介質(zhì)散射后，某些波段的電磁波會因破壞性 干涉而呈指數(shù)衰減，無法在系統(tǒng)中傳播，從而在頻譜中形成類似于半導(dǎo)體禁帶的 光子帶隙( p h o t o n i cb a n dg a p ，p b g ) ，相應(yīng)色散關(guān)系也具有帶狀結(jié)構(gòu)，形成光 子能帶( p h o t o n i cb a n d ) 。只有頻率對應(yīng)在光子能帶中的光才能在光子晶體中傳 播，否則會被禁止，這是光子晶體最根本的特征。影響光子帶隙的主要因素是光 子品體的結(jié)構(gòu)和材料的折射率比。光子晶體概念的提出使人們像操縱電子那樣操 縱光子成為可能，為“頻帶工程”乃至光子集成的產(chǎn)生提供了理論依據(jù)，具有重大 的理論意義和應(yīng)用前景。 1 1 2 微結(jié)構(gòu)光纖的概念與制作方法 1 微結(jié)構(gòu)光纖的概念 微結(jié)構(gòu)光纖( m f l 是一種帶有線缺陷的二維光子晶體，又稱為光子晶體光纖 或多孔光纖p 。4 1 。光纖包層由規(guī)則分布的空氣孔排列成三角形或六邊形的微結(jié)構(gòu) 組成，纖芯由石英或空氣孔構(gòu)成線缺陷，利用其局限光的能力，將光限制在缺陷 內(nèi)傳播。由于引入空氣孑l 可以得到普通光纖無法實(shí)現(xiàn)的大折射率差，而且改變空 氣孔的大小和排列可以控制其光學(xué)特性，因此設(shè)計上更加靈活。 根據(jù)導(dǎo)光機(jī)制的不同，m f 可以分為兩大類：( 1 ) 改進(jìn)的全內(nèi)反射微結(jié)構(gòu)光 纖( t i r - m f ) ，也叫做折射率引導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖( i g m f ) ，其端面結(jié)構(gòu)如圖l ( a ) 所示。該類光纖的包層中含有許多沿軸向伸展的空心管，m f 的纖芯為( 摻 雜的) 石英。其傳導(dǎo)機(jī)制與普通光纖類似，光束按照改進(jìn)的全反射原理傳輸，如 圖l ( b ) 所示。( 2 ) 光子帶隙微結(jié)構(gòu)光纖( p b g m f ) ，其端面結(jié)構(gòu)如圖2 ( a ) 所示。此類光纖的包層由石英一空氣二維光子晶體構(gòu)成( 其中高折射率為”，低 折射率為 2 ) ，具有嚴(yán)格的大小、間距和周期排布，纖芯為空氣缺陷，傳導(dǎo)機(jī)制 與普通光紓完全不同，它是通過包層光子晶體的布拉捂衍射來限制光在纖芯中傳 播的扣j ，如圖2 ( b ) 所示。當(dāng)光入射到纖芯一包層界面上時會受到包層空氣孔的 強(qiáng)烈散射，對某一特定波長和入射角，這種多重散射產(chǎn)生干涉從而使光線回到纖 芯中。即在滿足布拉格條件時出現(xiàn)光子帶隙，對應(yīng)波長的光不能在包層中傳播， 而只能限制在纖芯中傳播。 圖i ( a ) t i r m f 的端面圖倒i ( b ) t i r m f 的傳輸原理豳 圖2 ( a ) p b g m f 的端面圈圖2 ( b ) p b g m f 的傳輸原理幽 2 微結(jié)構(gòu)光纖的制作方法 m f 的制造方法與普通光纖相似【6 】。首先制造預(yù)制棒，按照預(yù)先設(shè)計好的端 面結(jié)構(gòu)在一一定尺寸的玻璃套管內(nèi)排入毛細(xì)管作為包層，中問用石英棒或抽去幾 根毛細(xì)管來做纖芯，這種制作預(yù)制棒的方法叫堆積成束法。制作預(yù)制棒的方法還 包括刻蝕法、擠壓法、打孔法、鑄造法等；然后將預(yù)制棒裝在拉絲塔上拉制成光 纖。圖3 所示為m f 的制作流程圖。拉絲溫度在2 0 0 0 0 左右，對不同結(jié)構(gòu)的m f 應(yīng)仔細(xì)設(shè)定不同溫度，以保證結(jié)構(gòu)形狀不變形。 圖3 m f 的成束與拉制 1 1 3 微結(jié)構(gòu)光纖的特性與應(yīng)用 與普通光纖相比，m f 可以由單一材料制成而無需摻雜，具有良好的匹配性 和溫度穩(wěn)定性；此外，m f 具有更高的設(shè)計自由度。m f 可以通過對包層內(nèi)空氣 孔的排列方式、間隔和大小等參數(shù)的設(shè)計，方便地控制光纖的傳輸模式、色散及 偏振等重要特性，因此m f 具有一些普通光纖無法實(shí)現(xiàn)的奇異特性，例如：光能 夠限制在空芯中傳播，產(chǎn)生“不截止單?！?，零色散波長低于普通光纖的1 2 7 0n m 等，從而突破了普通光纖光學(xué)的某些局限，大大拓展了光纖的應(yīng)用范圍。 1 ，空氣纖芯p b g m f 的特點(diǎn)及應(yīng)用 ( 1 ) 空氣纖芯p b g - m f 具有極低損耗、色散和非線性特性1 7 1 0 由于p b g m f 是 在空氣纖芯內(nèi)傳導(dǎo)光，材料吸收、散射、色散及非線性的影響可以被大幅度降低， 可用于高能量脈沖傳輸 8 1 。其潛在的應(yīng)用是作為低損耗傳輸光纖，用于光纖通信 中信號的無中繼傳輸t g l 。 ( 2 ) 空氣纖芯p b g - m f 端面沒有菲涅爾反射，可以作為高效光耦合器件。此外， p b g m f 獨(dú)特的傳導(dǎo)機(jī)制還允許光纖彎曲半徑足夠小，因而極大地降低了彎曲損 耗，可以應(yīng)用于微細(xì)加工、生物醫(yī)療器件等。 ( 3 ) 空氣纖芯可以作為某些待研究物質(zhì)的載體。在空芯內(nèi)填充氣體或液體，利 用超短脈沖、外加電場或其它手段，可以實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的非線性效應(yīng)進(jìn)行研究以及 控制。用于高效r a m a n 器件【1 0 】、全光開關(guān)、四波混頻器件1 1 1 、高能光學(xué)孤子生 成 1 2 1 、材料的非線性光學(xué)性質(zhì)研究、傳感、檢測及光譜學(xué)等領(lǐng)域。 2 t i r - m f 的特點(diǎn)及應(yīng)用 ( 1 ) “無截止單模”( e n d l e s s l ys i n g l em o d e ) 所謂“無截止單?！?，實(shí)際上是指截止波長很短，可在近紫外到近紅外全波段 維持單模運(yùn)轉(zhuǎn)。研究表明該特性是由m f 包層的特殊結(jié)構(gòu)形成的。 對于普通階躍光纖，其單模條件可以通過減小纖芯和包層的折射率差( n ) 來實(shí)現(xiàn)，但是普通光纖的制作工藝限制了i l 的最小差值。然而，m f 卻能夠?qū)?現(xiàn)“無截至單?！眰鬏?，這主要與兩方面因素有關(guān)：首先，其纖芯一包層的折射 率差別可通過控制微結(jié)構(gòu)包層中的氣孔占空比來決定，比普通光纖通過材料摻雜 的方式更易于實(shí)現(xiàn)；其次，隨著波長減小，光束收縮，場分布越集中于折射率較 高的石英區(qū)域，其效果相當(dāng)于提商了包層的等效折射率，降低了折射率差，結(jié)果 向短波方向擴(kuò)展了單模傳輸帶寬。 由于m f 的“無截止單?！碧匦耘c光纖絕對尺寸無關(guān)，因此m f 可以實(shí)現(xiàn)大 模面積( l m a ) 設(shè)計同時又保持單橫模傳輸。目前m f 的模場面積可達(dá)普通光 纖的十倍以上。英國南安普頓大學(xué)和b a t h 大學(xué)開發(fā)的l m a 單模m f ，芯徑可達(dá) 傳輸波長的5 0 倍【l 孓1 6 1 。l m a 單模m f 可以大大降低光功率密度，減小非線性效 應(yīng)且不易被擊穿，在高功率傳輸、高功率光纖激光器和放大器方面具有重要的作 用。 ( 2 ) 新穎的色散特性 普通石英單模光纖的零群速度色散( g v d ) 一般在1 2 7i t m 以上，利用m f 包層的特殊結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增大氣孔直徑，可使色散零點(diǎn)向短波方向位移，直到5 0 0 7 0 0i l l t l 。用這一特性，可以制成可見光波段的全光纖孤子激光器和產(chǎn)生從藍(lán)光直 到紅外波段的超連續(xù)譜。 此外，和普通光纖相比，m f 更易實(shí)現(xiàn)寬帶內(nèi)的色散平坦化，且中心波長可 移。色散值也可以根據(jù)需要為正色散、負(fù)色散、零色散。f e r r a n d o 等人研究了 1 5 5 岫光通信窗口的色散平坦化設(shè)計，色散平坦寬度接近3 0 01 2 1 1 1 ，并發(fā)展了色 散平坦化設(shè)計理論【1 7 - 1 8 l 。這一特性可用在光通信系統(tǒng)中補(bǔ)償色散以及產(chǎn)生超寬 帶、超平坦的連續(xù)譜，而用于波分復(fù)用等領(lǐng)域 1 9 - 2 4 1 。 ( 3 ) 強(qiáng)菲線往特性 m f 可以通過減小纖芯和增大包層空氣填充比來獲得大數(shù)值孔徑和緊密束縛 的模場，既提高了對光的局域能力，又增加了纖芯單位面積的光功率，因此易于 產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)，如：四波混頻、受激拉曼散射、自相位調(diào)制等。m y 的有 效截面積可以達(dá)到l “m 2 量級，典型長度可以比普通光纖縮短1 0 0 倍；m f 的強(qiáng) 非線性特性和新穎色散特性可以用于實(shí)現(xiàn)短波孤子傳輸1 2 s - 2 8 】、超連續(xù)譜產(chǎn)生1 2 9 - 3 5 1 等。 ( 4 ) 高雙折射特性 高雙折射( 或保偏) 光纖由于平行于雙折射軸的線偏振光可以保持偏振特性 面在長距離通i ；1 1 l 、傳感及特殊激光器方面具有重要應(yīng)用。高雙折射光纖的雙折射 效應(yīng)越強(qiáng)，拍長就越短，越能保持傳輸光的偏振態(tài)。普通光纖取得雙折射的方式 主要有兩種：一是使截面非圓形，二是使光纖本身材料具有雙折射。這兩種方式 在技術(shù)上都較難實(shí)現(xiàn)，且雙折射特性較弱，還受到扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸等外界影響。 對于m f ，只需改變截面的圓對稱性就能實(shí)現(xiàn)高雙折射，雙折射的系數(shù)由大小空 氣孔直徑之比決定。m f 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更大的雙折射系數(shù) 3 6 - 3 8 ，而且即使存在彎 曲和形變，也能很好保持傳輸光的偏振態(tài)。 ( 5 ) 損耗特性 小模面積m f 的纖芯尺寸一般為光波長數(shù)量級，這會增加光纖損耗。因?yàn)樵?靠近纖芯的空氣與石英邊界上，光的相互作用加強(qiáng)，同時表面粗糙度的影響變得 明顯。盡管如此，采用氣相軸向沉積技術(shù)制成高純度的石英，減小o h 。1 含量， 以及改進(jìn)拉制技術(shù)等都能夠有效減小m f 的損耗。 m f 的彎曲損耗特性也與普通光纖明顯不同，m f 不僅在長波長存在彎曲損 耗邊，在短波長上也存在彎曲損耗邊。當(dāng)波長超過長波彎曲損耗邊時，光場會因 大量擴(kuò)散到低折射率區(qū)而使光能損耗嚴(yán)重：當(dāng)波長低于短波彎曲損耗邊時光場 會因纖芯一包層折射率差的消失而大量損耗。m f 的臨界曲率半徑為： r 。吲切? ，當(dāng)曲率半徑小于臨界值時，短波長將發(fā)生嚴(yán)重的彎曲損耗【8 】。 ( 6 ) 有源特性 m f 易于實(shí)現(xiàn)大模面積、雙“空氣；f l 石英”包層結(jié)構(gòu)，和大數(shù)值孔徑( o ，5 ) 的內(nèi)包層設(shè)計以及“無截止”單模運(yùn)轉(zhuǎn)特性，使摻雜( 稀土元素) m f 用于全波段、 高功率、高光束質(zhì)量的單模光纖激光器成為新的研究熱點(diǎn)3 9 - 4 1 ，在通信、測量、 材料加工、軍事等方面具有廣泛的用途。 1 1 4 微結(jié)構(gòu)光纖的研究進(jìn)展 1 國外的研究進(jìn)展 1 9 9 6 年k n i g h t 等人【4 剮首次研制出具有周期性結(jié)構(gòu)包層的m f ，它屬于全內(nèi) 反射型m f ，它獨(dú)特的單模特性、損耗特性以及色散關(guān)系等引起了科學(xué)家們的關(guān) 注，打開了光纖發(fā)展的新篇章；隨后，在1 9 9 8 年，英國b a t h 大學(xué) 4 3 1 研制成功了 具有蜂窩型空氣孔排列結(jié)構(gòu)的光予帶隙光纖。然而研究發(fā)現(xiàn)，這種光纖的基模能 量主要分布在空氣纖芯周圍的石英中，且光場呈環(huán)形分布。這一特點(diǎn)使之不易與 其它器件耦合，應(yīng)用受到限制。1 9 9 9 年，由c r e g a n 等人【4 4 j 成功研制出光在空氣 介質(zhì)中傳導(dǎo)的光子帶隙光纖。光纖包層具有三角形排列的空氣孔結(jié)構(gòu)，纖芯通過 在拉制過程中去除中心7 個毛細(xì)管形成一個更大的空氣孔，并且包層空氣填充率 足夠高，從而保證在光子帶隙內(nèi)存在傳導(dǎo)模式。由于微結(jié)構(gòu)光纖在短時間就展現(xiàn) 出普通光纖不能比擬的優(yōu)越特性和巨大的發(fā)展?jié)摿?，引起各國科學(xué)家的普遍重 視。 早期的m f ，由于拉制水平的問題，普遍存在損耗極大的問題，不利于m f 的實(shí)用。為了能夠減小m f 的損耗，科研人員在拉制工藝的改進(jìn)上做了大量卓有 成效的工作。2 0 0 1 年，日本n t l 公司報導(dǎo)的t i r - v i f ，在1 5 5 0n m 處的損耗降低到 1 3d b k m l 4 5 j ，拉制長度可達(dá)1 5k m ；同年，日本的s u m i t o m oe l e c t r i ci n d u s t r i e s 公司報導(dǎo)的t i r m f 在1 5 5 0 n m 處損耗降低到0 4 1d b k m l 4 6 】；在2 0 0 3 年日本的n t t 公司研制出損耗為o 2 8d b k m 的t i r m f 4 7 1 ，這是迄今報導(dǎo)的損耗最低的 t i r m f ，已經(jīng)非常接近普通光纖的0 2d b k m 的水平。 = = 與t i r - m f 相比，最早研制的p b g m f 由于制作工藝還不成熟，損耗比較 大，以1 9 9 9 年c r e g a n 等人h 在科學(xué)雜志上報導(dǎo)的p b g - m f 為例，其損耗 為1 0 3d b & m ：隨著拉制工藝的改進(jìn)，p b g - m f 的損耗急劇下降。2 0 0 2 年， b o u w m a n s 等人【4 s 】報導(dǎo)的p b g m f 損耗降為2 0 0d b k m ；2 0 0 3 年，m a t o s 等人h 9 】 報導(dǎo)的p b g m f 損耗降為5 0d b k r n ；同年，s m i t h 等人【5 0 】在自然雜志上報 導(dǎo)的p b g m f 損耗進(jìn)一步降為1 0d b k m ；2 0 0 4 年，在o f c 2 0 0 4 上，b l a z e p h o t o n i c s 公司【5 l j 報導(dǎo)了損耗為1 7d b k m 的p b g m f ：同年，c r y s t a l f i b r e 公司【5 2 1 報導(dǎo)了 在損耗為1 0d b k r n 的p b g m f ，非常有應(yīng)用價值的是，這種光纖的傳輸帶寬超 過1 0 0 0n l n 。預(yù)計不久的將來，p b g m f 的損耗可以做到比t i r - m f 還要低。 由于m f 可以由單一材料制作，就避免了普通光纖的必須經(jīng)過摻雜而形成纖 芯和包層交界面問題，因此更多性能優(yōu)良的材料可被用來制作m f 。例如，采用 復(fù)合玻璃可增加m f 的非線性效應(yīng)，s f 5 7 的非線性是石英的2 0 倍。英國 s o u t h a m p t o n 大學(xué)1 5 川用s f 5 7 研制的m f ，在1 5 5 0m n 處有效非線性系數(shù)測量值為 6 4 0 w 。k m 一，比標(biāo)準(zhǔn)通信光纖強(qiáng)6 4 0 倍。這將使得非線性光纖具有史無前例的低 工作功率( 1 0 1 0 0m w ) 和超短長度( o 1 1 m ) 。而采用塑料來制作m f ，既 可以提高光纖的柔韌性，又可以簡化制作工藝。2 0 0 3 年，悉尼大學(xué)1 5 4 】報導(dǎo)了他 們使用塑料制作的單模m f 、高雙折射m f 、雙芯m f 以及p b g m f 光纖。2 0 0 4 年8 月，悉尼大學(xué)【5 5 】還報導(dǎo)了采用特殊工藝研制的摻雜激活粒子的塑料光纖， 并利用該光纖研制了光纖放大器和光纖激光器。 目前，m f 已經(jīng)商用化，國際上知名的廠家包括：c r y s t a l f i b r e 公司、 b l a z e p h o t o n i c 公司等?？蒲腥藛T利用m f ，已經(jīng)開發(fā)出許多具有優(yōu)良性能的光學(xué) 器件。l e e 等人研制了“高s b s 闞值的f w m 波長轉(zhuǎn)換器”，實(shí)現(xiàn)了1 0a m 帶寬的 1 0g b s 不歸零信號的無誤差高效率波長轉(zhuǎn)換【56 j ；日本的a b e d i n 等人采用高雙折 射m f 制成了1 0g h z 、1 0p s 反饋鎖模光纖激光器唧，這種激光器在1 5 3 5 1 5 6 0 n l l l 范圍內(nèi)能產(chǎn)生1 0p s 的脈沖。丹麥的p a u l s e n 等人用鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩器和一 根短的m f 制成了相干反s t o k e s 拉曼散射( c a r s ) 顯微鏡1 5 ，這種顯微鏡的分 辨率達(dá)到亞微米級別，甚至可以檢測到分子振蕩。美國加州大學(xué)w a n g 等人利用 m f 研制的o c t 5 9 1 ，在1 1 0 0n m 波長處具有縱向分辨率為1 3u m ，這是目前在 此波長處獲得的最高分辨率。丹麥理工大學(xué)的s i a h l o 等人利用5 0m 長m f 構(gòu)成 的非線性光學(xué)環(huán)路鏡( n o 【m ) 實(shí)現(xiàn)了對1 6 0g b s 信號的無誤差分離，這將 在光的時分復(fù)用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。日本的y u s o f f 等人采用鎖模摻鉺光纖環(huán)形 激光器發(fā)出的2 ，l 鄧孤子脈沖，入射到高非線性m f 中，通過s p m 效應(yīng)把孤子 脈沖1 0d b 帶寬從3n m 展寬到2 51 2 1 t i l 6 “，然后利用陣列波導(dǎo)光柵把產(chǎn)生的超連 續(xù)譜分為3 6 個3d b 帶寬o 6 3n l l l 的信道，可以為w d m 系統(tǒng)提供理想光源。2 0 0 2 年，n i l s s o n 等人報導(dǎo)了連續(xù)光泵浦的波長在1 0 6 0a n l 的m f 拉曼激光器，該激 光器的閾值為5w ，斜率效率為7 0 。2 0 0 3 年，德國的j l i m p e r t 等人用摻y(tǒng) b ” 的大模雙包層m f 獲得了高達(dá)2 6 0 w 的單橫模激光輸出，這標(biāo)志著m f 激光器已 經(jīng)達(dá)到并正在超越普通雙包層光纖激光器的水平。 2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 國家對微結(jié)構(gòu)光纖這一新型材料的特性以及發(fā)展給予了相當(dāng)重視，在“8 6 3 ” 計劃和“9 7 3 ”計劃分別列為重要研究課題。2 0 0 2 年，燕山大學(xué)在“8 6 3 ”計劃的資助 下，拉制出第一根微結(jié)構(gòu)光纖，并在中國光電報導(dǎo)了研究結(jié)果。天津大學(xué)與 燕山大學(xué)聯(lián)合，在高非線性微結(jié)構(gòu)光纖的拉制和超連續(xù)譜的研究上做了大量研究 工作，取得諸多研究成果。北京郵電大學(xué)、南開大學(xué)、天津大學(xué)、北方交通大學(xué)、 燕山大學(xué)等七家大學(xué)聯(lián)合，申請到“9 7 3 ”計劃的支持，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，對 微結(jié)構(gòu)光纖相關(guān)理論、光纖拉制及各功能器件如光柵、摻稀土元素光纖激光器、 拉曼光纖激光器等開展了研究工作，并取得了可喜的研究成果。國內(nèi)的許多大學(xué) 和研究單位，如清華大學(xué)、深圳大學(xué)、中山大學(xué)、大連民族學(xué)院，上海光機(jī)所等 也在相關(guān)領(lǐng)域開展了研究工作，其中上海光機(jī)所2 0 0 4 年報導(dǎo)拉劊出芯徑達(dá)4 01 t m 的單模m f ，而摻釹的l m a m f 正在研制中，這是。項(xiàng)非常重要的研究成果。 1 2 本文研究的主要內(nèi)容和創(chuàng)新性研究成果 本論文的研究工作是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( # 6 0 3 7 7 0 1 0 ) ，“高等學(xué)校博 士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)基金”( # 2 0 0 3 0 0 5 5 0 1 6 ) ，開放實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目( 撐2 0 0 3 2 3 ) 和國 家“9 7 3 7 計劃的資助下完成的。鑒于當(dāng)前m f 領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、發(fā)展方向及現(xiàn) 有的實(shí)驗(yàn)條件，在理論上研究工作主要集中在m f 的傳導(dǎo)機(jī)制、基本特性研究、 m f 中產(chǎn)生超連續(xù)譜的數(shù)值模擬：在實(shí)驗(yàn)研究方面，開展了脈沖激光泵浦m f 產(chǎn) 生超連續(xù)譜和l m a m f l 的研究工作。 1 2 1 主要內(nèi)容 1 闡述本文工作的研究背景、研究進(jìn)展和本文研究的主要內(nèi)容。( 第一章) 2 對m f 的傳導(dǎo)特性進(jìn)行了理論研究。 ( 第二章) ( 1 ) 概括和歸納了當(dāng)前研究m f 波導(dǎo)特性的常用方法，闡述了m p b 軟件和全矢 量平面波法的理論模型。 ( 2 ) ：研究了m f 的模場特性，探討了包層氣孔排列方式以及空氣占空比對模場 的影響。 ( 3 ) 研究了m f 的色散特性，理論分析了m f 的零色散點(diǎn)藍(lán)移、色散平坦化和雙 零色散波長特性。 ( 4 ) 研究了m f 的偏振特性，理論計算了兩種高雙折射m f 的雙折射系數(shù)以及兩 正交偏振軸的色散。 3 對飛秒脈沖在m f 中的傳輸產(chǎn)生超連續(xù)譜進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬。( 第三 章) ( 1 ) 概括和歸納了當(dāng)前計算飛秒脈沖在m f 中的傳輸產(chǎn)生超連續(xù)譜的常用的理 論方法。 ( 2 ) 介紹了分步傅立葉法的理論模型和改進(jìn)的分步傅立葉法。 ( 3 ) 理論探討了泵浦脈沖中心波長位于m f 不同色散區(qū)時超連續(xù)譜產(chǎn)生的物理 機(jī)制。 ( 4 ) 理論研究了m f 長度和脈沖參數(shù)對超連續(xù)譜的影響。 4 實(shí)驗(yàn)研究了m f 中超連續(xù)譜的產(chǎn)生( 第四章) ( 1 ) 概括和歸納了超連續(xù)譜產(chǎn)生的研究進(jìn)展。 ( 2 ) 實(shí)驗(yàn)和理論研究了泵浦脈沖中心波長位于m f 零色散波長和反常色散區(qū)內(nèi) 時，超連續(xù)譜產(chǎn)生的特點(diǎn)和機(jī)制。 ( 3 ) 實(shí)驗(yàn)和理論研究了泵浦脈沖中心波長位于高雙折射m f 正常色散區(qū)內(nèi)時， 超連續(xù)譜產(chǎn)生的特點(diǎn)和機(jī)制。 ( 4 ) 實(shí)驗(yàn)和理論研究了無序多芯m f 中產(chǎn)生寬帶連續(xù)譜和強(qiáng)反s t o k e s 波。 5 實(shí)驗(yàn)研究了m f 激光器和m f 超熒光寬帶源。( 第五章) ( 1 ) 概括和歸納了m f 激光器的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀。 ( 2 )以l m a m f 作為增益光纖，獲得的最大輸出功率為4 - 3w 的基橫模激光輸 出。 ( 3 ) 實(shí)驗(yàn)研究了l m a m f 彎曲半徑與l m a m f l p q 的運(yùn)轉(zhuǎn)模式的關(guān)系。 ( 4 ) 實(shí)驗(yàn)研究了l m a m f 超熒光光源，獲得了超熒光的最大功率為1 6 4 9w 。 1 2 2 創(chuàng)新性成果 1 選用預(yù)測一校正式分步傅立時法，探討了泵清暾沖波長位于m f 不同色散區(qū) 的情況下超連續(xù)譜的演化過程，分析了超連續(xù)譜產(chǎn)生的物理機(jī)制。 2 飛秒脈沖泵浦無序多芯m f ，獲得了2 0d b 帶寬為1 2 6 0n m 的寬帶連續(xù)譜，在 國內(nèi)處于先進(jìn)水平。 3 對飛秒脈沖泵浦無序多芯m f 產(chǎn)生強(qiáng)反s t o k e s 波的實(shí)驗(yàn)研究，以及基于四波混 頻理論對強(qiáng)反s t o k e s 波產(chǎn)生的物理機(jī)制分析尚屬首次。 4 對m f 的彎曲半徑與l m a m f l 運(yùn)轉(zhuǎn)模式的關(guān)系的研究具有創(chuàng)新性。 s 所研制的輸出功率1 6 4 9w 、最大寬度為2 2 4n m 的l m a m f 超熒光光源未見 報道。 參考文獻(xiàn) 【1 】ey a b l o n o v i t c h ，e ta 1 ，i n h i b i t e ds p o n t a n e o u se m i s s i o ni ns o l i d s t a t ep h y s i c sa n de l e c t r o n i c s ， p h y s r e v l e r ，1 9 8 7 ，5 8 ：2 0 5 9 2 0 6 1 【2 】s j o h ne , ta 1 ，s g o n gl o c a l i z a t i o no fp h o t o n si nc e r t a i nd i s o r d e r e dd i e l e c t r i cs u p e r t a t t i c a s ， p h y s r e v l e f t 。1 9 8 7 ，5 8 ：2 4 8 6 2 4 8 9 3 】p s t r u s s e l l ，j c k n i g h t ，t fa b i r k s ，e ta 1 ，r e c e n tp r o g r e s si np h o t o n i cc r y s t a lf i b r e s ， o f c 2 0 0 0 1 c ，2 0 0 0 ，3 ：9 8 1 0 0 4 1j c k n i g h t ，j b r o e n g ，ta b i r k s ，e ta 1 p h o t o n i cb a n dg a pg u i d a n c ei no p t i c a lf i b e r s s c i e n c e ，1 9 9 8 。2 8 2 ：1 4 7 6 - 1 4 7 8 5 】c h ih a o ，z e n gq i n g j i ，j i a n gc h u n ，e ta 1 ，p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ：t h e o r y , a p p l i c a t i o n s a n dr e c e n tp r o g r e s s ，j o u r n a lo fo p t o e l e c t r o n i c sl a s e r , 2 0 0 2 ，1 3 ：5 3 4 5 3 7 【6 1pj ，b e n n e t t ，e ta t ，t o w a r dp r a c t i c