光子晶體光纖中的非線性效應的研究進展

1、第卷第期年月文章編號：1007-791X(2008)02-0134-06燕山大學學報光子晶體光纖中的非線性效應的研究進展高（摘飛，侯藍田，劉兆倫，苑金輝）燕山大學紅外光纖與傳感研究所，河北秦皇島要：首先介紹了光子晶體光纖中的非線性現(xiàn)象以及其形成原因，分析了非線性系數(shù)與光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，隨后主要論述了在光子晶體光纖中獲得較高非線性系數(shù)的方法，最后對現(xiàn)有的測量光子晶體光纖非線性系數(shù)的方法進行了概括與比較。關(guān)鍵詞：光子晶體光纖；非線性效應；非線性系數(shù)中圖分類號：TN253文獻標識碼：A光子晶體光纖中的非線性一般來講，在高強度電磁場的作用下，任何電介質(zhì)對光的響應都不是線性的，這是因為非線

2、性效應和介質(zhì)的極化率相關(guān)，在強的電磁場中，就會導致材料中電子的非線性激發(fā)出的原子核位移和原子軌道的畸變，引起束縛電子的非諧振運動，因而顯現(xiàn)出非線性效應。結(jié)果就會導致電偶極子的極化強度對于電場是非線性的，通常滿足關(guān)系式應時，光纖中的非線性效應由于其作用長度長而有其獨特之處。在光纖中存在的非線性效應主要包括以下幾種：三次諧波（自相位調(diào)制（激拉曼（），四波混頻（），），受）等等。），交叉相位調(diào)制（）和受激布里淵散射（測量非線性時常用自相位調(diào)制，所謂自相位調(diào)制是指光場在光纖內(nèi)傳輸時光場本身引起的相移，其大小可以通過記錄光場相位的變化得到式中，為電極化率。由于二氧化硅分子是對稱結(jié)構(gòu)，因而石英玻璃的等于零

3、，因此光纖通常不顯示二階非線性效應，光纖中的最低階非線性效應起源于三階電極化率。光纖中的大部分非線性效應起源于非線性折射率，而光纖的折射率可表示成而非線性相移就是這為測量非線性系數(shù)提供了一種思路。光子晶體光纖由于其高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)和色散特性，使其非線性效應獨具特點，它可以通過改變光纖包層與纖芯的幾何結(jié)構(gòu)有效地控制和調(diào)節(jié)其中的非線性光學過程，諸如通過產(chǎn)生脈沖壓縮和展寬、光孤子的形成和受激拉曼散射的增強等效應，另外也有自相位調(diào)制、二次諧波和四波混頻等參量過程。特別是利用激光脈沖通過微結(jié)構(gòu)光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜的現(xiàn)象引起了人們的極大關(guān)注。的許多特性與光纖的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，使其具有了許多傳統(tǒng)光纖所不具備的優(yōu)點

4、，這也就是拉制高）；國家自然科學基金資助項目（）式中，就是非線性折射率系數(shù)，它與三階電極化率有關(guān)在研究光與物質(zhì)相互作用過程中的非線性效收稿日期：作者簡介：高飛（基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目（），男，河北任丘人。碩士研究生。主要研究方向為光子晶體光纖。第 期 高 飛 等 光子晶體光纖中的非線性效應的研究進展 非線性 的重要意義之一 。 按導光機理可以粗略的分為兩類： 即折射 率引導型光子晶體光纖（ 晶體光纖（ ）和光子帶隙型光子 所示。其中，折 在 以得到 型光纖中， 是二氧化硅的折射率， 、 中非線性系數(shù) ） ，其結(jié)構(gòu)如圖 可由包層基模的有效折射率 來代替， 于是，就可 射率引導

5、型光子晶體光纖是在二維光子晶體中心 引入實芯來制作的， 以其優(yōu)異的高非線性特性成為 人們研究的熱點。 再根據(jù)全矢量有效折射率方法 層基模有效折射率 可以計算得到包 這樣，由式 折射率引導型光子晶體光纖 光子帶隙型光子晶體光纖 和 就可以求得非線性系數(shù)和 和圖 分別是 時以及 ， 以及光頻率 的關(guān)系。 圖 處， ， 取 ， 取 圖 燕山大學拉制的光子晶體光纖端面圖 時 取值。 非線性系數(shù)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系 光纖中以非線性系數(shù) 來表征非線性的大小， 通常將其定義為 式中， 是真空中的波長， 些文獻中也定義為： 沒有太大的區(qū)別。 是有效模面積。在有 ，這兩個定義在本質(zhì)上 圖 非線性系數(shù)與空氣孔大小的關(guān)系

6、從麥克斯韋方程組出發(fā)， 同時采用慢變振幅近 似， 并把非線性感應電極化強度看作總感應電極化 強度的微擾，就可得到脈沖在光纖內(nèi)的傳輸方程 在折射率引導型光子晶體光纖中， 對石英材料非線 性折射率系數(shù)的取值如下， 是有效纖芯面積 。 ， ， 圖 非線性系數(shù)與空氣孔間距的關(guān)系 ， 采用全矢量有效折射率方法進行數(shù)值處理 可以知道對于階躍型光纖，模場直徑為： 而數(shù)值孔徑 ，因此有 ，同時有效模面積為 燕山大學學報由圖可知，的非線性系數(shù)隨著空氣孔增大而增大，隨著孔間距減小而增大，可見空氣填充率較大的應該會有較大的非線性系數(shù)。圖是波長與非線性系數(shù)的關(guān)系（空氣孔半徑，孔間距）。非線性系數(shù)隨波長的增大而減小，而

7、且在短波段的理論計算有很大的值。圖波長與非線性系數(shù)的關(guān)系中獲得高非線性的方法通過上面的討論可以看到，在光子晶體光纖中，由于高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)和色散特性，就可以合理選擇結(jié)構(gòu)以及填充非線性材料來的到所需的光纖。而的高非線性一直都是頗受關(guān)注的課題，研究人員試圖采用各種方法來提高非線性系數(shù)并對此展開了一系列的理論和實驗研究，并取得了一定的成果。通過數(shù)值分析以及非線性系數(shù)的定義可以看出要想提高非線性系數(shù)，一般來采取兩種辦法，一是減小，二是增大。而對于空氣填充率，如若不考慮其他因素則是越大越好。圖是有效模面積（非線性系數(shù)）隨纖芯直徑變化關(guān)系，可見減小纖芯直徑有助于減小，增大非線性系數(shù)。但是，不能只是一味的減小

8、纖芯直徑，這是由于盡管單位面積上的光能量會很大，然而由于纖芯較小，耦合進纖芯的總能量就不會很大，這樣，其產(chǎn)生的非線性效應也不會很強。而提高，一般有兩種途徑：一是在在纖芯中摻雜（如摻鍺等材料），這樣也可以加強對光的限制；另一個是使用高非線性折射率材料。這就是光線設計和拉制中注意的兩個問題。圖有效模面積、非線性系數(shù)與纖芯直徑關(guān)系圖中非線性研究進展在光纖非線性研究中，不能僅考慮增大非線性系數(shù)，增強非線性效應，還應該結(jié)合實際，在達到高非線性的時候，對于色散損耗也應予以考慮，這樣才會得到更好的應用。公司于年的會議中就已經(jīng)提出了一種零色散波長在處的非線性系數(shù)較高的，其可達到，這種光纖的平均孔間距是，平均空

9、氣孔直徑是，其纖芯直徑為，光纖外徑，零色散點在處?？梢钥吹?，在光子晶體光纖中可以兼顧高非線性系數(shù)的同時靈活設計光纖的色散，這是傳統(tǒng)光纖所不可比擬的。年，意大利的大學采用數(shù)值模擬的方法，模擬了兼顧最佳色散斜率和較高非線性系數(shù)（約）的。通過改變空氣孔直徑和孔間距來調(diào)整的結(jié)構(gòu)，進而數(shù)值模擬色散和非線性系數(shù)，從而得到所需參數(shù)設計的光纖。該方法為設計高非線性系數(shù)色散平坦光纖提供了理論指導。到年為止，高非線性光子晶體光纖研究進展如下。南安普頓大學光電子學研究中心研制的折射率引導型光纖，纖芯直徑約，處的非線性系數(shù)，而南安普頓大學等人采用小芯徑硅酸鹽多孔，在通信波長處達到了；同時，英國的公司拉制出了一系列的高

10、非線性光纖，其非線性系數(shù)范圍為。而丹麥的公司也拉制出了非線性系數(shù)為的光纖。莫斯科國家大學拉制的，第期高飛等光子晶體光纖中的非線性效應的研究進展非線性系數(shù)在處達到的是處達到，在個和色散都有限制，同時在非線性相移的測量中存在著很大的不確定性，對光脈沖的初始波形也有要求。優(yōu)點就是方法簡便，容易實現(xiàn)光的耦合。圖是的實驗裝置圖。調(diào)節(jié)輸入光源，不過這種光纖使用玻璃，采用了小纖芯，纖芯周圍為與芯基本相同的小空氣孔，再外面才是包層空氣孔，理論分析可知采用這種結(jié)構(gòu)的二氧化硅光纖的非線性系數(shù)也將會是很大的數(shù)值。的兩個激光器，使其頻率接近，就可以產(chǎn)生拍頻信號。忽略色散拍頻信號在被測光纖中傳播所產(chǎn)生的非線性相移可以表

11、示為非線性系數(shù)測量單模光纖中非線性系數(shù)的測量以下是幾種測試光纖非線性系數(shù)的方法，其中，。產(chǎn)生的非線主要是使用了自相位調(diào)制，交叉相位調(diào)制以及四波混頻這些非線性效應來測量。目前，已提出的非線性系數(shù)測量方法有：單脈沖激光器（法、雙連續(xù)激光器（法、圖法等等。是的實驗裝置圖，它由脈沖激光器）的）的法、要獲得非線性系數(shù)，只要有性相移就可以，非線性相移可以在頻域中測得。將第一式做傅立葉變換，就可以得到零階諧波和一階諧波的比產(chǎn)生高斯脈沖，輸入測試光纖之后最終要測量的是所致的展寬頻譜中峰的數(shù)目。由非線性光纖光學可知，與系為公式效應產(chǎn)生的非線性相移關(guān)，據(jù)此就可以求得非線性相移，由就可以得到非線性系數(shù)。這種這樣就可

12、以通過測量得到的值得到相移從而得到非線性系數(shù)。這種方法僅需要普通的泵浦源，不需太長的光纖，可測試高色散值的光纖。但是，色散、光纖長度、兩個光源的波長間隔和注入功率等這些測試條件對結(jié)果的準確性很關(guān)鍵。方法需要特殊的窄脈沖光源，對所測試光纖的長度圖單脈沖激光器法的實驗裝置圖燕山大學學報圖、圖分別是交叉相位和四波混頻測量的實驗裝置圖，前一個是通過測量得到基波和一次諧波的比來計算光強度與所引起的相移，從而得到非線產(chǎn)生的光強度之比，非線性系數(shù)就性系數(shù)；后一個則是從輸出信號光譜圖中得到泵浦圖交叉相位調(diào)制測量非線性系數(shù)實驗裝置圖圖四波混頻測量非線性系數(shù)實驗裝置圖作用的認識，擴展了光纖的應用領(lǐng)域，本文主要介紹

13、了中非線性的成因和現(xiàn)象，如何獲得較高中的非線的非線性系數(shù)，以及一些非線性系數(shù)的測量方法，這只是簡要的介紹，期望對今后的性研究工作的展開有所幫助。圖中測量的到的典型頻譜圖第 期 參考文獻 高 飛 等 光子晶體光纖中的非線性效應的研究進展 錢士雄 王恭明 非線性光學原理與進展 旦大學出版社 譚維翰 非線性與量子光學 上海 復 劉潔 楊昌喜 金國藩 等 一種新型高非線性色散平坦光子 晶體光纖結(jié)構(gòu) 光學學報 北京 科學出版社 王清月 栗巖鋒 胡明列 等 光子晶體光纖非線性特性的研 究 物理 。 孫喜文 王清月 胡明列 等 光子晶體光纖中非線性傳輸?shù)?數(shù)值分析 中國激光 胡明列 王清月 栗巖鋒 等 飛秒激光在光子晶體光纖中產(chǎn) 生超連續(xù)光譜機制的實驗研究 物理學報 陳國慶 單模光纖有效面積測量研究 李春雷 盛秋琴 光子晶體光纖非線性系數(shù)與其結(jié)構(gòu)參量及光 波長的關(guān)系 光子學報 陳