双通道可调谐滤波器bragg微结构光纤光栅的理论设计毕业论文(编辑修改稿)

双通道可调谐滤波器bragg微结构光纤光栅的理论设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

gg 微结构光纤光栅的理论设计 ........................................... 60 第四章 总结与展望 .......................................................................................................... 65 参考文献 .................................................................................................................................. 67 致 谢 .................................................................................................................................. 68 第一章 绪论 微结构光纤 (Microstructured Fiber,MF)，又称光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)，是近十年来光纤技术领域的研究热点。 由于微结构光纤具有传统光纤无法提供的导光和控光特性，在诸多应用领域的研究也随之展开，在光通信、光传感、光纤激光器、非线性光学、高功率光传输等领域表现出潜在的应用前景。 微结构光纤简介 微结构光纤 的基本概 念 众所周知，自然晶体 (如半导体 )中的电子由于受到晶格的周期性势场的散射，部分波段会因破坏性干涉而形成带隙，导致电子的色散关系呈带状分布，从而形成电子能带 (Electronic Band)。 如果将具有不同折射率 (介电系数 )的介质材料按照自然体的周期结构排布，类似的现象也存在于光子系统中。 1987 年， Vblonovitch和 Jonh 在研究如何抑制自发辐射和光子局域特性时分别独立提出了光子晶体 (Photonic Crystal)的概念：一种因折射率空间周期变化而具有光子能带的新型光学微结构材料，其折射率变化周期 为光波长量级。 在 1991 年 ， Russell 等人提出此类光纤主要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 ， 不同空气孔填充率及排列分布的空气硅包层微结构光纤。 实际中由于空气孔在横截面上的排列圈样空气孔的大小以及填充率都可以变化 ， 因此通过改变它的排列图样可灵活构造出很多结构的 微结构 光纤来从而可设计出具有不同特性的 微结构 光纤来满足不同的需要。 图 微结构 光纤 Microstructured Fiber 微结构光纤 中介质折射率的周期性变化对光子的影响与自然晶体中周期性势场对电子的影响相似： 一 电磁波经周期介质散射后，某些波段的电磁波会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统中传播，从而在频谱中形成类似于半导体 能 带的光子带隙(Photonic Band Gap,PBG)，相应色散关系也具有带状结构，形成光子能带 (Photonic Band)。 只有频率对应在光子能带中的光才能在光子晶体中传播否则会被禁止，这是 微结构 最根本的特征。 影响光子带隙的主 要因素是光子品体的结构和材料的折射率比。 在二十世纪末， 光子晶体概念的提出使人们像操纵电子那样操纵光子成为可能，为光子集成的产生提供了理论依据，具有重大的理论意义和应用前景。 微结构光纤优点： 微结构光纤的一个显著优点是其由单一材料构成（通常是石英），因此，在微结构光纤中不存在由掺杂石英纤芯和纯石英包层构成的传统光纤所面临的热应力问题。 所以，即使温度发生很大变化，微结构光纤的基本传输特性也不会受到影响 ， 这一特性非常符合光纤传感器的要求。 微结构也给干涉型 光纤传感器带来了益处，因为它已在实验室中展现出超强的双折射效 应以及与之对应的保偏能力。 微结构光纤带来的好处还表现在高功率激光器或放大器应用所需要的包层泵浦光纤或双包层光纤的生产领域。 现今正在使用的大多数包层泵浦光纤是由石英聚合物组成的，其优点是制作过程相对简单，具有大的多模数值孔径 (NA)，这有利于采用锥形光纤束合成多个高功率泵浦二极管输出的光束。 与石英聚合物混合结构相比，全石英结构可获得更好的操作性和更长的寿命，而代价只是 NA 略微减小。 相比而言，微结构光纤除了具备石英聚合物光纤所有的性能优点外，还具备全石英结构的易用性和可靠性。 微结构 光纤的分类 微结构 光纤分类依据不同， 微结构 光纤有不同的分类。 根据其结构特点， 微结构光纤 可分为实芯 微结构光纤 和空芯 微结构光纤。 而按导光机制的不同 微结构 光纤主要分为两大类 ： 折射率导光型 微结构 光纤和光子能隙导光型 微结构 光纤。 折射率导光型 微结构光纤 是通过周期性缺陷的纤心折射率 （ 石英玻璃 ） 和周期性包层折射率 （ 空气 ） 间的差别让光能够在纤芯中传播此种结构的微结构光纤 导光机理依然是全内反射 ， 但其与常规 G. 652 光纤有所不同由于包层包含空气 ， 空芯 微结构光纤 的小孔尺寸比传导光的波长小，所以此类光纤也称为改进的全内反射光纤。 另外，这种光纤对包层 中气孔的排列及尺寸要求不是很严格包层中可以不存在光子 能 带实现起来也相对容易 ， 目前多数关于 微结构光纤 的应用研究都基于这种光纤。 光子能隙导光型 微结构光纤 可以理论上通过求解光波在 微结构 中的本征方程 ， 导出实芯和空芯 微结构光纤 的传导条件 ， 即光子能隙导光理论。 它与折射率导光型 微结构光纤 的区别在于纤芯引入了折射率低于包层材料的空缺 ， 由于光子 能 带效应此种光纤中光是在空气孔中而非在石英中传播，特定频率的光场以各不相 同的角度进入光纤遇到光子 能 带是无法穿越而被反射回来因此只能沿着空气通道传输。 图 折射率传导光型 微结构光纤 图 光子能隙导光型 微结构光纤 图 折射率传导光型微结构光纤 ， 光子能隙导光型微结构光纤 Indexguiding Microstructured Fiber , Photonic band gapMicrostructured Fiber 微结构 光纤的主要特性 MF 灵活设计的微孔结构导致了其具有许多奇异的特性 ， 这样有效地扩展和增加了光纤的应用领域。 ， 微结构 光纤在其空气孔径与孔间距之比小于 时，无论什么波长都能单模传输，与传统光纤随着纤芯尺寸的增加会出现多模化的特性相比；似乎不存在截止波长 ,这就，是无截止单模传输特性。 PCF 可在从蓝光到 2um 的光波下单模传输， 且与光纤的绝对尺寸无关，所以通过改变空气孔间距来调节模场面积。 小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性。 这有利于提高或降低光学非线性，可用在低非线性通信用光纤，高光功率传输等方面。 ， 就 微结构 光纤的结构特征来说，它对波导色散有较高的控制性 . 只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态，例如零色散波长可以向短波大大推进，具有优良性质的色散平坦(数百 nm 带宽范围接近零色散 )等等。 ， 在光子能隙导光 MF 中，可以通过减小光纤的模场面积 (或者减小 MF 纤芯空气孔直径 )增强单位有效面积上的光强，从而增强非线性效应，使光子 微结构光纤 同时具备强非线性和快速响应的特性。 这一特性为制造大有效面积 MF奠定了技术基础。 ， 在 MF 中通过改变其包层结构可制出高双折射 效应的 MF，只要破坏光子晶体光纤剖面的圆对称性，使其成为二维结构就可以形成很强的双折射。 实际中可通过减少一些空气孔，或者改变一些空气孔的尺寸来获得高的双折射特性。 微结构 光纤的发展概况 在 微结构 光纤的发展过程中，英国 Bath大学的 的研究小组起到了重要的推动作用。 1996年， 子 晶体包层的 微结构 光纤，这种光纤以未经掺杂的石英玻璃作为基底材料，包层具有按三角形栅格周期排列的空气孔，并在纤芯处通过缺失一个空气孔引 入缺陷。 尽管在这种光纤中，光被局限在石英纤芯中传导，然而进一步的研究表明，这种光纤不存在光子带隙，包层中存在的空气孔使包层的有效折射率低于纤芯，从而形成类似于普通阶跃光纤的基于折射率引导型波导。 尽管在折射率引导型 微结构 光纤中，并没有发现光子带隙效应，但却具有许多独一无二的性质，比如无截至波长单模传导、可设计的色散特性和模场尺寸以及高数值孔径等等。 特别是由于这种光纤的传导机制与光子带隙无关，因此其包层结构不需要遵循严格的周期排列，这大大提高了光纤设计的灵活性。 在随后的研究中，学者们不断设计和拉制出具有各种 几何结构和光学特性的基于折射率引导的 微结构光纤 ，例如：通过使光纤横截面的两个正交方向上空气孔的排列不对称，可以设计出高双折射的保偏光纤，甚至只有一个偏振模式的绝对单模光纤；利用空气和石英之间折射率差大的特点，减小光纤模场面积，从而获得高非线性光纤；只保留光纤包层中最里面一层的空气孔，并使其直径尽可能大，制造出了柚子光纤，在柚子光纤的空气孔中可以灌入聚合物材料，从而可以制成可调谐光纤器件。 在折射率引导 微结构 光纤获得广泛关注的同时 ， 的研究小组也没有停止对光子带隙光纤的研究。 1998 年， Knight等人又首先制造出蜂窝包层结构的光子带隙光纤 ， 这种光纤包层具有蜂窝型空气孔排列结构形成光子带隙，纤芯处通过引入一个额外的空气孔形成缺陷，使纤芯的有效折射率小于包层，光被光子带隙效应限制在纤芯空气孔周围呈环形的石英区域中。 对光子带隙的研究表明，蜂窝形结构比三角形结构排列的空气孔包层更容易在低空气填充率下出现光 子 带隙，并且具有一定的鲁棒性，这是蜂窝型光子带隙光纤被首先拉制出来的原因。 但是早期研究的蜂窝形包层光子带隙光纤由于包层空气填充率低，在这种光纤中传导的光，能量主要分布在石英中，且基模光场呈环形，不 易与其它器件耦合，所以没有得到广泛的应用。 光子带隙光纤的传导与纤芯的折射率无关，因此光可以被约束在空气纤芯中传导，这也是光子带隙光纤最吸引人的特点之一。 最早的空气传导光子带隙光纤于 1999年由 Cregan等人制造，光纤包层具有三角形排列的空气孔结构，在拉制过程中去除中心 7个毛细管形成一个更大的空气孔缺陷作为纤芯，其包层空气填充率足 够高从而保证光 子 带隙支持空气传导模式。 空气传导光子带隙光纤在高功率光传输、气体非线性研究以及微观粒子传导等方面具有重要的价值。 20xx 年， Bouwmans 等 人报导 的 PBGMF 损耗降为200dB/km； 20xx 年， Matos 等人报导的 PBGMF 损耗降为50dB/km；同年， Smith 等人在《自然》杂志上报导的 PBGMF损耗进一步降为 10dB/km ； 20xx 年，在 OFC’20xx 上，Blazephotonics 公司报导了损耗为 ；同年， 公司报导了在损耗为 dB/km 的 PBGMF，非常有应用价值的是，这种光纤的传输带宽超过 1000nm。 预计不久的将来， PBGMF 的损耗可以做到比 TIRMF 还要低。 20xx 年，悉尼大学 报导了他们使用塑料制作的单模 MF、高双折射 MF、双芯MF 以及 PBGMF 光纤。 20xx 年 8 月，悉尼大学还报导了采用特殊工艺研制的掺杂激活粒子的塑料光纤，并利用该光纤研制了光纤放大器和光纤激光器。 目前， MF 已经商用化，国际上知名的厂家包括： Crystalfibre 公司、 Blazephotonic 公司等。 科研人员利用 MF，已经开发出许多具有优良性能的光学器件。 Lee 等人研制了 “ 高 SBS 阚值的 FWM波长转换器 ” ，实现了 10am带宽的 10Gb/s不归零信号的无误差高效率波长转换；日本的 Abedin 等人采用高双折射 MF 制成了 10GHz、 10ps 反馈锁模光纤激光器，这种激光器在 1535nm～ 1560nm 范围内能产生 10ps 的脉冲。 丹麦的 Paulsen等人用钛蓝宝石飞秒振荡器和一根短的 MF 制成了相干反 stokes拉曼散射 (CARS)显微镜，这种显微镜的分辨率达到亚微米级别，甚至可以检测到分子振荡。 美国加州大学 Wang 等人利用 MF 研制的 OCT，在 1100nm 波长处具有纵向分辨率为 ，这是目前在此波长处获得的最高分辨率。 丹麦理工大学的 Siahlo 等人利用 50m 长 MF 构成的非线性光学环路镜实现了对 160Gb/s 号的无误 差分离，这将在光的时分复用领域具有重要应用。 日本的 Yusoff等人采用锁模掺铒光纤环形激光器发出的邓孤子脉冲，入射到高非线性 MF 中，通过 SPM 效应把孤子脉冲 10dB 带宽从 3nm 展宽 到 25nm，然后利用阵列波导光栅把产生的超连续谱分为 36个 3dB带宽 的信道，可以为 WDM 系统提供理想光源。 20xx 年，Nilsson 等人报导了连续光泵浦的波长在 1060nm 的 MF 拉曼激光器，该激光器的阈值为 5w，斜率效率为 70%。 20xx 年，德国的 等人用掺的大模双包层 MF 获得了高达 260W 的单横模激光输 出。