光子晶体及色散补偿

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1、光子晶体光纤及色散补偿一．简介光子晶体光纤(PhotonioCrystalFiber，简称PCF)正是基于光子晶体技术发展起来的新一代传输光纤，它实质上是一种二维光子晶体，其概念最早由英国Bath大学的Russell等于1992年提出，并于1996年首次研制成功.此后，PCF发展十分迅速。目前，人们己能研制满足不同应用要求的PCF.与传统光纤相比，PCF技术具有无法替代的优势，可望在光波传输与通信、光传感、光信号处理等领域获得全新的应用，因而越来越受到人们的重视，己成为当今纤维光学以及相关学科的研究热点。PCF具有许多传统光纤不具备的优良特性，如:它具有在很宽的波长范围内的单模传输

2、特性而且只要空气孔足够小那么它就不存在截止波长；对激光脉冲的展宽；通过改变光子晶体光纤截面空气孔的排序和大小可灵活地设计色散和色散斜率，提供色散补偿；光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到1μm以下；利用中空光子晶体光纤可实现超低损耗传输；其非线性光学效应可通过改变纤芯面积控制；特别是对于PCF的结构可调的色散特性的理论和实验研究引起了人们的极大兴趣。众所周知，光通信的发展离不开光电子器件的发展，光通信中的许多传输器件要求具有良好的色散特性，光纤的高阶色散导致的啁啾直接影响到光脉冲的传输，同时也影响到光孤子的形成以及光脉冲的压缩。此外，全球业务量的飞速增长促使光纤通信容量和速率大幅

3、度提高。宽带高速波分复用(WDM)系统带来的要求是:传输光纤在通信波段上的色散系数应接近零，而且色散曲线应十分平坦。PCF的色散曲线可以受包层结构的控制而加以调整，从而能够设计出在通信波段上的近零色散平坦曲线。由于导光机制的不同，PCF可分为以下两种类型:折射率传导型PCF和利用光子禁带效应实现导光的PCF。折射率传导型PCF(index-guidingPCF)的芯区为实心，包层为多层空气孔。由于芯区折射率高于包层等效折射率，其导光机制可类似全内反射(totalinternalreflection，TIF)原理。第二类PCF实现导光则完全基于光子禁带(photonicband-ga

4、p，PBG)效应。第二类PCF的包层必须具有严格的周期性，且空气孔的直径要较大，才能出现完整的二维光子带隙。在特定的波长上，光可以在低折射率的芯区内传导。折射率传导型PCF是目前研究最多的一类PCF，这种PCF包层为空气孔阵列，芯区通常由缺失空气孔造成的缺陷形成。图1给出了几种折射率传导型PCF。折射率传导型PCF的导光机制类似传统光纤的全内反射原理，它并不要求包层空气孔的严格周期性排列。因而这种PCF的包层结构具有很大的可调控性，空气孔的间距和大小可以根据需要灵活改变，从而使PCF具有许多优良的光学性能。图1折射率传导型PCF光子带隙型PCF，也称为空芯PCF(Hollowcor

5、ePCF，HC-PCF)，典型结构如图2所示。PCF的中心一般为一直径较大的空气孔，形状通常为圆形，包层则为周期性排列的空气孔阵。HC-PC能将光局域在中心的空气区并实现传导，其原理是基于严格的光子带隙效应。当PCF包层空气孔具有严格周期性，且孔的尺寸较大时，会在某些频率范围内出现完整的二维光子带隙。在这些频率所对应波长上的光波是不能在周期性包层结构中传播的，而只能在中心的空气区中传播。利用HC-PCF可以实现对色散的有效控制。由于HC-PCF的芯区通常为空气，其色散参量主要依赖于波导结构。通过改变包层空气孔的间距和大小，可以控制HC-PCF色散参量的大小和分布。在非线性方面，由于

6、光场集中分布于空气区域，HC-PCF具有极低的低非线性。此外，中空的芯区允许在光强度最高的波导区引入气体或液体等物质，从而增强了光和物质的相互作用，同时保持较长的有效作用长度。图2空心PCF一．光子晶体光纤的制造光子晶体光纤通常采用毛细管堆砌拉制方法制造。制造过程与普通光纤类似分为两个步骤，首先制造预制棒，然后在拉伸塔中把宏观尺度的预制棒拉伸成光纤。预制棒通常是由空心的石英毛细管和实心的石英棒按照要拉制的光纤结构堆砌而成。由于在堆砌过程中，这些毛细管和石英棒的排列方式可以灵活选择，也可以掺杂其它离子，所以能够很方便的制造出各种结构的光子晶体光纤。光纤的最终形状不仅与预制棒的结构有关

7、，还可通过控制拉制参数显著改变。这些参数包括:炉子的温度、预制棒进入炉子的速度和拉制速度。同样的预制棒可以产生光学性质完全不同的光纤。三．关于光子晶体光纤的色散补偿近年来,由于光子晶体光纤(PCF)新奇的光学特性,引起了人们的广泛关注,尤其是PCF可以在一个很宽的波长范围控制它的色散特性,使其成为一种新型的色散补偿光纤。而C波段(1530～1565nm)是掺铒光纤放大器工作的波段,是目前光纤通信中应用最多的波段,因此在这一波段设计具有高负色散系数及与SMF（单模光纤）