色散補償.doc

課程設計 題 目 設計光子晶體光纖色散補償學 院 物理與光電學院 專 業(yè) 光電信息一班 學生姓名 廖振輝（201430450360）指導教師 黃學勤 提交日期 2016 年 7 月 7 日 目錄1. 光子晶體光纖32. 光子晶體簡介33. 光子晶體光纖的導光原理和特點 44.1 色散補償原理54.2 色散補償技術75. 色散補償光子晶體光纖的研究意義91. 光子晶體光纖 光子晶體光纖(Photonics Crystal Fiber，PCF)是基于光子晶體技術發(fā)展起來的新一代光纖。由于光子晶體光纖的結構有很大的控制余地以及其具有獨特的光學特性，自從其問世以來就受到國內(nèi)外的廣泛關注。作為研究的熱門領域，PCF 在光通信系統(tǒng)、光器件的制作、非線性光學研究以及在光纖的傳感應用方面都呈現(xiàn)出了它的應用潛力。2. 光子晶體簡介 在二十世紀，半導體技術在微電子領域占據(jù)著非常重要的位置，并且得到了高速的發(fā)展。在現(xiàn)在的日常生活中，各個領域幾乎都涉及到半導體的應用，如半導體器件、CPU、存儲器等，并且在不久的將來，它將繼續(xù)深刻的影響著我們的日常生活。原子在半導體中排列整齊有序，晶體從而形成了具有周期性特征的勢場。電子能級經(jīng)過周期性特征勢場的影響展開形成了能帶，在能帶與能帶之間存在著能夠傳播電子的導帶和不能使電子傳播的禁帶即帶隙。而電子帶隙的相關性質主要與晶體的排列結構以及晶體中的原子類型相關。所以可以通過對帶隙結構的設計來實現(xiàn)對電子以及空穴運動的控制。 光子晶體(Photonic Crystal，PC) 即在光波的尺度下，介電常數(shù)不同的介質材料在三種空間范圍(一維、二維和三維)下，被制造呈周期分布的晶體。這種晶體的性質類似于半導體，同樣會產(chǎn)生導帶和禁帶，從而實現(xiàn)對入射光波的選擇。在光子晶體里，由于光具有不同的偏振態(tài)，禁帶包括兩種：光在所有的傳播方向都不能實現(xiàn)傳播的完全光子帶隙和光在某些方向可以傳播而在另外一些方向不能傳播的非完全光子帶隙。通過改變介質材料的分布方式以及周期的結構，可以達到控制 PC 性質的目的。按照介質材料不同的周期分布，PC 可以分為一維、二維和三維。如下圖所示 一維光子晶體指介電材料只在空間的一個方向具有周期結構。在一維光子晶體的結構里，落入禁帶的光只能在垂直于這個方向上進行傳播；二維光子晶體指在空間的兩個方向上介電材料具有周期結構，落入禁帶的光波可以在垂直于周期結構的方向上進行傳播；三維光子晶體指介電材料在空間的三個方向呈周期排列，在這種結構里，光在任何方向都不能進行傳播。 由于在 PC 中，光波的傳播方向可以被控制，因而 PC 成為了國內(nèi)外研究的熱點，并且在應用領域展露了它的魅力。一維光子晶體主要運用于傳感領域，如 Bragg光柵；二維光子晶體如 PCF，在光通信系統(tǒng)、非線性應用以及傳感等領域展現(xiàn)了巨大的潛力。此外，在光開關、耦合器、以及波分復用等光器件也應運而生。隨著光子晶體理論的深入和制作工藝的進步，在越來越多的領域，將會看到光子晶體的身影。 3. 光子晶體光纖的導光原理和特點 光子晶體光纖的導光原理 ： PCF 由二維光子晶體和背景材料構成，背景材料一般為硅單質和二氧化硅，二維光子晶體一般呈周期排列。但是光纖中的缺陷會破壞包層的周期性，這個缺陷形成了光子晶體光纖的纖芯。這個缺陷既可以是硅，也可以是空氣孔。根據(jù)纖芯材料的不同，光子晶體光纖分為兩種不同的導光機制：全內(nèi)反射型導光機制和帶隙型導光機制。光子晶體光纖根據(jù)這兩種不同的導光機制，PCF 分為折射率引導型光子晶體光纖和帶隙型光子晶體光纖。1) 折射率引導型光子晶體光纖 如果 PCF 的纖芯是硅，那么在包層里將不會存在帶隙。光纖纖芯基模的有效折射率介于硅的折射率和空氣孔折射率二者之間，小于硅的有效折射率，從而使光像傳統(tǒng)光纖一樣以全內(nèi)反射的形式被限制在纖芯中。光由于全內(nèi)反射被限制在光纖的纖芯中進行傳輸?shù)墓庾泳w光纖被稱為折射率引導型光子晶體光纖。如下圖所示： 2) 帶隙型光子晶體光纖 纖芯為空氣孔的 PCF，由于纖芯空氣孔的有效折射率比包層的有效折射率低，光通過全內(nèi)反射在纖芯中傳輸已經(jīng)不可能了。這種 PCF 是通過包層的布拉格衍射將光限制在纖芯傳輸。這種導光機制稱作光子帶隙型導光機制。以帶隙型導光機制為傳播方式的光子晶體光纖稱作帶隙型光子晶體光纖。如下圖所示。 3) 混合型導光機制光子晶體光纖 如果對 PCF 進行合適的設計，全內(nèi)反射導光機制和光子帶隙型導光機制將會共存于 PCF 中。這種擁有兩種導光機制的光子晶體光纖被稱為混合導光機制光子晶體光纖。在 2006 年，Cerqurira等人就首次提出了一種基于混合導光機制的光子晶體光纖，如下圖所示。在這種混合導光機制的光子晶體光纖里，纖芯和背景材料為硅介質，沿光纖橫截面 x 軸的空氣孔變成了高折射率柱，如下圖(a)白色部分。由于纖芯的折射率大于含空氣孔包層區(qū)域的等效折射率，空氣孔產(chǎn)生全內(nèi)反射，同時，纖芯折射率小于含高折射率柱包層區(qū)域的等效折射率，高折射率柱將會產(chǎn)生光子帶隙效應。帶隙會產(chǎn)生于硅的有效折射率與高折射率柱的有效折射率之間，如下圖(b)所示。通過實驗結果，證明了在這種光纖中存在兩種導光機制。 4. 色散補償?shù)脑硪约跋嚓P技術 4.1 色散補償原理 色散補償?shù)脑?在光纖通信系統(tǒng)中，由于進入光纖的信號中具有不同的頻率成分或者不同的能量，模式傳輸相同的距離會產(chǎn)生一定的時延，這樣會引起信號脈沖發(fā)生展寬的現(xiàn)象，使信號產(chǎn)生畸變從而導致誤碼(如下圖所示)，這種現(xiàn)象稱之為色散。在光纖中，色散與信息量有著密切的聯(lián)系，脈沖色散越小，所攜帶的信息容量就越大。色散值對于波分復用系統(tǒng)來說是非常重要的。 光纖中色散主要有：模式色散、波導色散和材料色散。在單模光纖中，傳輸?shù)哪Ｊ街挥谢?，所以沒有模式色散。而材料色散與光纖的制作材料有關系，但是在光纖制作完成時，材料就定了，材料色散對光纖的影響比較小。所以在光子晶體光纖中，需要考慮的是波導色散。波導色散通常表現(xiàn)為光纖模式的有效折射率隨波長變化的一種傾向。從而在目前對于光子晶體光纖色散的研究主要集中在波導色散的研究。 色散補償?shù)脑?色散補償?shù)脑硎遣捎靡粋€或多個具有大負色散的光器件對通信中光纖所產(chǎn)生的正色散進行抵消，從而達到降低總色散的目的。 一個脈沖在單模光纖中傳輸，可以用方程 1.5 表示： 其中，A 代表光信號的緩變振幅；L 代表光信號傳輸?shù)木嚯x；2 為光信號的速度色散；3 為高階色散系數(shù)。與 2 相比，3 對光脈沖的影響比較小。當b 時，可以不考慮 3。對上面的方程進行求解得： 其中，A(0,w)為 A(0,T)的傅里葉變換。色散引起光信號產(chǎn)生的畸變的是，因此可以得出單位長度的色散值為公式 ：4.2 色散補償技術 在通信系統(tǒng)中，運用的色散補償方法主要有：虛像相位陣列法，啁啾光纖光柵色散補償法，中點譜反轉法以及具有負色散的光子晶體色散補償光纖法。 虛像相位陣列法 在虛像相位陣列補償陣列中主要包括準直透鏡、柱面透鏡、玻璃板、球面透鏡和三維反射鏡，如下圖所示。此法的本質在于產(chǎn)生的虛像與光傳播的距離密切相關，而傳播距離隨著光的波長發(fā)生改變，從而產(chǎn)生了色散。這里產(chǎn)生的色散既可以是正的色散也可以是負的色散。正色散和負色散的形成跟三維反射鏡的形狀有關系。當反射鏡是凹鏡的時候，會產(chǎn)生正的色散；當反射鏡是凸鏡時，這時候會產(chǎn)生負的色散。三維反射鏡處于不同的位置對色散的影響也是不同的，所以可以通過改變?nèi)S反射鏡的擺放位置實現(xiàn)色散的可調。 虛像相位陣列補償技術的優(yōu)點在于它可以同時實現(xiàn)色散和色散斜率的補償。同時，它不僅可以實現(xiàn)正色散進行補償也可以實現(xiàn)對負色散進行補償。但是，通帶窄是它致命的缺點。 啁啾光纖光柵色散補償法 FBG 能用于色散補償?shù)脑蛟谟诠鈻诺闹芷谘刂饫w的方向呈現(xiàn)周期變化，不同波長的光在光柵上的不同區(qū)域被反射，波長短的光比波長長的光跑的慢，從而出現(xiàn)了一定的時間差，抵消了前面長波長與短波長光傳輸?shù)臅r間差，達到了色散補償?shù)哪康模缦聢D所示。 FBG 補償法的優(yōu)點在于：器件體積小便于放置，對偏振效應也不怎么敏感以及可以通過施加壓力或者調節(jié)溫度實現(xiàn)對色散的調諧。然而，外界的溫度以及光功率會對光柵本身的性能產(chǎn)生影響，這會給 FBG 色散補償系統(tǒng)的應用增加難度。 中點譜反轉法 中點譜反轉法的原理如下圖所示：在通信傳輸鏈路的中點將信號頻譜共軛反轉，這樣就會產(chǎn)生正負不同的兩種色散，使前一段光纖中產(chǎn)生的色散和后一段光纖產(chǎn)生的色散相互抵消，從而達到色散補償?shù)哪康摹?中點譜反轉法的優(yōu)點在于它對光纖帶來的非線性效應可以予以補償，但是中途譜反轉色散補償系統(tǒng)過于復雜，這樣會導致成本過高。 具有負色散性能的色散補償光纖法 具有負色散性能的色散補償光纖(Dispersion Compensation Fiber，DCF )補償法的基本思想如上圖所示。在光通信系統(tǒng)中，傳輸光纖會帶來正色散，如果將具有負色散性能的色散補償光纖安裝于傳輸光纖的中間，這樣這個負色散性能的色散補償光纖就會與傳輸光纖帶來的正色散抵消。從而使正負色散抵消達到色散補償?shù)哪康摹?DCF 補償法的最大的優(yōu)點在于：DCF 是一種本身具有大負色散系數(shù)和負色散斜率的特殊光纖，因此可將 DCF 直接接入光纖通信傳輸系統(tǒng)中，以抵消單模光纖帶來的正色散，從而使整條光纖線路在摻鉺光纖放大器提供的增益波長范圍內(nèi)滿足波分復用系統(tǒng)對光纖色散的要求。 然而，在目前的色散補償光纖中，傳輸單模的色散補償光纖的限制損耗很高(0. 5dB/km )。同時，目前所研究的色散補償光纖的纖芯比較小， 需要較大的入射功率，從而增大了非線性效應。5. 色散補償光子晶體光纖的研究意義 在光纖通信系統(tǒng)中，色散的累積會導致誤碼的產(chǎn)生，所以必須將系統(tǒng)產(chǎn)生的色散補償?shù)?。由于光子晶體光纖結構的可控，其色散具有可調諧性，廣泛應用于通信領域和激光器的研究，因此對光子晶體光纖色散特性的研究具有重要的價值。 目前對于光子晶體光纖的研究中，所采用的多為包層空氣孔呈六角格子或者四邊形排列的結構，四角格子光子晶體光纖主要應用于平坦色散的