光纤光学前沿.docx

光纤波导概论光纤波导概论光纤折射率随光强变化（光学克尔效应）产生的最常见的非线性现象就是自相位调制. 自相位调制是指在光传播过程中由于光场自身作用引起的相位变化.当光束在非线性介质中 传播时，由于克尔效应导致介质的折射率发生了变化，在距离 L 处光束自身的相位变化量 为 \* MERGEFORMAT (1.1)20()nn I k L 其中，，为波长.由上式可以得到自相位调制引起的非线性相移为0/2kc  .若入射光信号为脉冲（即有强度调制） ，则由式(1.1)可知自相位调制将对信20NLn k LI号在不同强度处引入了不同的相位，即引入了时域的啁啾，从而使得脉冲频谱展宽.光纤中 的自相位调制还可以与光纤的色散作用共同作用达到平衡，从而形成光孤子. 当两束或多束光波同时在介质中传播时，由于光克尔效应，每一束光都将使介质的折 射率发生变化，该非线性折射率不仅影响这束光自身（自相位调制） ，也会使得同时在介质 中传播的其他光受到影响，这就是交叉相位调制. 假设两束光同时在光纤中传播，第 j（j=1 或 2）束光在距离Ｌ处的相位变化量为 \* MERGEFORMAT (1.2)230[(2)]jjjjnn IIk L 其中，为第 j 束光的强度；右边第二项来自自相位调制；第三项就是由交叉相位调制导jI致的非线性相位.利用交叉相位调制可以实现光开关、波长转换等应用；但是它302jjIk L 也会在光纤陀螺、波分复用等系统中引入干扰. 交叉相位调制仅仅使入射的多束光波之间发生作用，但不发生能量转移；而在另一些 条件下，不同光波之间还会因其他的非线性作用从而产生新波并发生能量转移，这些非线 性现象包括以下介绍的受激布里渊散射、受激拉曼散射和四波混频. 早在 1928 年拉曼就发现受激拉曼散射，其物理现象是：一定频率的光波入射到介质上 时，很小一部分光功率会转移到新的频率的散射光上，新产生的谱线对称分布在入射频率 的两侧.一般情况下，高频率光（称之为反斯托克斯光，anti-Stokes）的产生要远远少于低 频率光（称之为斯托克斯光，Stokes） ，因此一般不考虑反斯托克斯光.若入射泵浦为较强的 激光，很容易激发出相干性很强的斯托克斯光，此时称为受激拉曼散射.当入射泵浦光的功 率达到某一阈值时，泵浦能量将迅速转换到斯托克斯波上去；而当斯托克斯波的强度又达 到阈值后，它作为泵浦源又会产生更高阶的斯托克斯波，以此类推，这一个过程称为级联 过程. 受激拉曼散射的量子描述是，介质中一个入射泵浦光子通过非线性拉曼散射转移部分 能量，产生低频斯托克斯光子，而剩余能量被介质以分子振动（光学声子）的形式吸收， 完成振动态之间的跃迁.斯托克斯频移由分子振动能级决定，其值决定了受激拉rpsvvv曼散射的频率范围，其中是泵浦光的频率，是斯托克斯光的频率.对非晶态石英光纤pvsv来说，其分子振动能级融合在一起，形成了一条能带，因而可在较宽频差范围psvv（40THz）内通过受激拉曼散射实现信号光的放大，但受激拉曼散射的阈值相对较高. 布里渊散射现象是法国物理学家 Leon Brillouin 发现的，是光纤中的另外一种重要非线性现象.它是由介质中的非线性效应引起的与声学声子相关的非线性散射.光纤中一个入(3) 射光子被转换成能量稍低一点的（低频） 、反向传输的散射光子和一个声子.这个过程在低 能量的情况下自发进行，为自发布里渊散射；当介质中的入射光达到一定阈值时就会变成 强烈的受激效应，这时布里渊散射将表现出入射光的大部分能量转移到后向传输的散射波， 导致后向散射波被非线性放大.与拉曼散射是入射光子和光学声子发生作用不同的是，布里 渊散射是入射光子和声学声子发生作用.因此光纤中的布里渊散射的表现也与拉曼散射不同：（1）布里渊散射的阈值与泵浦光的谱宽有关：如果泵浦光是谱宽很窄的连续光或准连 续光，其阈值非常低，为毫瓦量级（此时容易发生级联布里渊散射） ；而如果泵浦是脉冲且脉宽小于 1ns 或是非相干光，几乎不发生布里渊散射. （2）布里渊散射的斯托克斯频移约为 10GHz，远小于拉曼散射 （3）布里渊散射产生的斯托克斯是向后向传播的. 布里渊散射产生的布里渊移量与光纤中的声速成正比，而光纤的折射率和声速都与光 纤的温度及所受的应力等因素有关，这使得布里渊频移随这些参数变化而变化，温度和光 纤应变部分都会造成布里渊散射频率产生线性移动. 四波混频（four-wave mixing,FWM）是光纤介质的非线性三阶极化率实部作用产生的一 种光波间耦合效应，是因不同波长是两三个光波相互作用而导致在其他波长上产生所谓混 频产物或边带的新光波，这种相互作用可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应.所谓 参量效应，指的是非线性效应对介质参量如折射率的调制，而发生四波混频的原因是入射 光中的某一个波长上的光会使光纤的折射率发生改变，则在不同的频率上产生了光波相位 的变化，从而产生了具有新的波长的光波.与前述受激散射产生新波长的原理不同的是，四 波混频是非弹性过程，光纤起被动作用；而受激散射是弹性散射，光纤起主动作用. 受发生条件的限制，光纤中常见的四波混频现象，通常是两个泵浦光子湮灭同时生成 两个频率不同个光子，它们满足能量和动量守恒条件.这两个条件的具体表现就是泵浦光频 率之和与生成光频之和相等，且满足相位匹配条件.这是参量过程与前述的拉曼散射、布里 渊散射所不同的地方.光子晶体光纤光子晶体光纤由于结构可以灵活设计，光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）可以产生许多的 特性，如无截止波长传导、灵活的色散、高双折射及高非线性等，使得 PCF 在通信、传感 等领域具有广泛的应用前景，成为了光纤发展的新方向，是当前光纤光学领域的一个研究 热点. 所谓光子晶体就是折射率在空间周期性变化的介电结构，其变化周期为光波长数量级. 我们熟知的微电子学对电流精确控制是建立在半导体材料的能带理论基础上的.电子禁带是 一个能量带，它能有效地阻止电子通过半导体.电子禁带的存在及其性质主要取决于禁带晶 体的原子类型和晶体结构（即晶格的间距和形状）.光子的光子晶体中的运动规律类似于电 子在固体晶格中的运动规律.在固体晶格中由于电子的势能具有周期性，电子的能量呈现带 状结构，在电子的能量的允许能带之间存在着电子能量不可能取值的禁带.在光子晶体中， 由于折射率呈现周期性变化，光子在其中运动时，其能量也具有带状结构，带与带之间存 在着光子禁带.在光子禁带内，光子晶体将反射入射方向上的所以偏振态的电磁波，不允许 任何电磁波传播模式，这将显著地改变光与物质相互作用的方式.而光子晶体中光子禁带的 存在和性质与电子禁带类似，主要取决于介质的类型和晶体的排列结构.尤其是排列结构， 可以引起光子晶体许多性质的变化，如改变介质大小和形状，改变介质的排列，改变晶体 的周期从而使其形成缺陷态等.由于光子晶体存在光子带隙，可以在大小、形状、周期等方 面改变其折射率从而改变其传播特性，在无阈值激光器、光波导、光开关等领域有相当广 泛的应用前景. 在自然界中，存在着天然的光子晶体结构，如蝴蝶的翅膀，蛋白石等. 光子晶体光纤是光纤芯子位置沿 Z 轴（传输方向）引入缺陷的二维光子晶体，一般由 石英玻璃基底和空气孔构成.按导模机制的不同，PCF 可以分为两大类：全内放射型和光子 带隙型. 光子晶体光纤与传统阶跃光纤最大的区别在于光子晶体光纤的包层由空气孔按一定规 律排列形成，这也使得光子晶体光纤的传播特性与传统光纤有很大不同.光子晶体光纤和传 统光纤的最大区别是其横截面上空气孔的引入.正是由于这些空气孔的存在，光子晶体光纤 才呈现出许多新颖的传输特性.光子晶体光纤的出现突破了传统光纤在单模光纤、色散、有 效模场面积、双折射等方面的一些限制.光子带隙导模型光子晶体光纤还可以做到将模式场集中在低折射率区（如空芯）.它的出现极大地拓展了光纤光学的研究领域. 光子晶体光纤的损耗主要分为三类：①散射损耗；②吸收损耗；③限制损耗.其中限制 损耗是光子晶体光纤所特有的，它是由于光子晶体光纤包层空气孔的有限性引起的.限制吸 收是与吸收无关的损耗，依赖于光子晶体光纤的结构及光场，与结构参数、包层空气孔的 层数、波长等因素有关.限制损耗的产生原因是纤芯的折射率与包层基质折射率是相同的， 从而模式是泄露的，由于层数的有限，导致模式的泄露，形成限制损耗，随着空气孔层数 的增加，限制损耗是不断降低的.同时占空比的增加也可以降低限制损耗.光纤结构不变，波 长的增加则会导致限制损耗的增大. 妨碍光子晶体光纤技术获得广泛应用的一个关键因素是光纤的熔接问题.光子晶体光纤 与普通单模光纤的接续，以及光子晶体光纤之间的接续是其获得实际应用必须解决的问题. 光纤之间的接续损耗主要由两个方面引起：模场不匹配已经熔接过程中对光纤结构的损坏. 模场不匹配因素是由两侧光纤的固有结构所决定的，可以通过理论公式进行估算；熔接过 程中对光纤结构的损坏则导致模场失配是由实际熔接工艺和熔接参数决定的.而对于由大量 空气孔构成的光子晶体光纤而言，这方面的影响往往更为重要.一般来说光纤熔接的质量依 赖于光纤端面处理的平整程度、光纤间的对准和折射率、熔接的功率和熔接的时间. 色散是光纤的一个重要参数，它指的是由于输入信号中包含不同频率的光，它们在光 纤中传输速度不同，不能同时到达输出端，从而导致输出端脉冲展宽变形，形成失真的现 象.光纤的色散用色散系数 D 表示.无啁啾脉冲在光纤中传播时，其展宽与其中心频率处的 色散系数 D 成正比，因此控制光纤的色散对信号的传输非常重要. 光子晶体光纤中的石英玻璃和空气具有较大的折射率差，光纤中空气孔的大小和排列 方式也可以实现多种设计.因此光子晶体光纤较传统光纤而言，可以更加灵活地设计其色散 特性.微纳光纤微纳光纤器件的微型化是科学研究和技术发展的重要趋势之一，是未来高速光通信系统和高速 信息处理等应用的核心技术.作为微纳光子器件中最基本的光信息传输单元，微纳尺度的光 波导结构是当前光子学领域的研究热点之一. 与其他种类的微纳光波导（如硅基平面波导、金属表面等离子体波导）相比，微纳光 纤具有易制备、结构简单、均匀度高、传输损耗低、物化性能稳定和机械强度高等特点， 而且可以方便地与现有光纤系统耦合和集成，近年来受到越来越多的关注.由于微纳光纤的 直径接近或小于传输光的波长，光纤与环境包层之间的折射率差很大，因此，与普通光纤 相比，微纳光纤具有一些特殊的光学特性，如强约束能力——可以将光约束在具有亚波长 截面的模场上传输、强倏逝场——光纤外传输的倏逝场能量比例可以超过 90%、异常波导 色散——波导色散可以远高于材料色散，从而使总色散取值范围比常规光纤大几个数量级.光纤光源光纤光源DFB 光纤激光器优于 DBR 光纤激光器之处在于它只用一个光栅就能实现反馈和波长选 择，容易获得单纵模、窄线宽工作，而且频率稳定性更好，还避免了有源光纤与光栅的熔 接损耗.DFB 光纤激光器的缺点是掺铒光纤纤芯含锗量少，光敏性较差，光栅制作比较困难. 简而言之，DFB 光纤激光器的基本原理是：在有缘光纤布拉格光栅中引入 π/2 的相移，当 泵浦光注入时，将产生单模激光输出，从而形成 DFB 光纤激光器.因此对 DFB 光纤激光器的 分析可以从了解 π/2 相移光栅的传输特性入手.所谓相移光栅，是在常规光纤布拉格光栅的某一特定部位引入一定的相移，产生两个 相互异相的光栅，这两个相互异相的光栅类似于波长选择法布里-珀罗谐振腔，允许谐振波 长的光注入到光纤布拉格光栅的阻带，在阻带中打开一个线宽极窄的透射窗口. 拉曼增益与泵浦波长和光纤介质有关.石英光纤的拉曼增益谱很宽，达到 40THz；最大 增益位于泵浦频率的下端 13.2THz（440cm-1）处，因此拉曼增益谱的选择范围很广.光纤拉 曼激光器具有结构简单、输出光束质量好、波长选择范围光等优点，但由于非线性效应强 弱与泵浦光功率有很大光系，拉曼散射的阈值。