光子晶體光纖非線性特性的研究

1、前沿進(jìn)展光子晶體光纖非線性特性的研究王清月 栗巖鋒 胡明列 柴 路­*(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院超快激光研究室 光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072)摘 要 光子晶體光纖是近年來(lái)出現(xiàn)的一種通常由單一介質(zhì)構(gòu)成,并由波長(zhǎng)量級(jí)的空氣孔構(gòu)成微結(jié)構(gòu)包層的新型光纖.文章介紹了光子晶體光纖的制作工藝、工作原理、基本特性、目前的研究重點(diǎn)和進(jìn)展情況,重點(diǎn)評(píng)述了光子晶體光纖非線性特性方面的研究,特別是在超連續(xù)光譜的產(chǎn)生、光孤子效應(yīng)以及頻率變換等方面的實(shí)驗(yàn)和理論成果以及潛在的應(yīng)用.關(guān)鍵詞 光子晶體光纖,微結(jié)構(gòu)光纖,多孔光纖,非線性,超短脈沖Nonlinearpropertiesof

2、photoniccrystalfibersWANGChing-Yue­ LIYan-Feng HUMing-Lie CHAILu(UltrafastLaserLaboratory,CollegeofPrecisionInstrumentandOptoelectronicsEngineering,TianjinUniversity,KeyLaboratoryofOpto-electronicsInformationandTechnicalScience(TianjinUniversity)MinistryofEducation,Tianjin 300072,China)Abstract

3、 Photoniccrystalfibersareanewclassofsingle-materialopticalfiberswithwavelength-scaleairholesrunningdowntheentirelength.Themanufacture,principleofoperation,basicpropertiesandapplica-tionsofphotoniccrystalfibersarebrieflydescribed.Adetailedreviewofnonlineareffectsinphotoniccrystalfibersispresented,wit

4、hemphasisonsupercontinuumgeneration,thesolitoneffectandfrequencyconversion,aswellasthepossibleapplicationsoftheseeffects.KeyWords photoniccrystalfiber,holeyfiber,microstructuredopticalfiber,nonlineareffects,ultrashortlightpulses布拉格散射而產(chǎn)生能帶結(jié)構(gòu),在帶與帶之間可能存1 引言光子晶體光纖1(photoniccrystalfiber,PCF)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種通常由單

5、一介質(zhì)構(gòu)成(常用熔融硅或聚合物)、并由在二維方向上緊密排列(常為周期性六角形)而在第三維方向(光纖的軸向)保持不變的波長(zhǎng)量級(jí)的空氣孔構(gòu)成微結(jié)構(gòu)包層的新型光纖.光子晶體光纖的概念源自于光子晶體(photoniccrystal),目前研究上已經(jīng)取得了很多進(jìn)展2)子晶體的概念最早由Yablonovitch質(zhì)類似754在著帶隙.如果電子波的能量落在帶隙中,則不能傳播.能帶及帶隙結(jié)構(gòu)控制著電子或空穴的運(yùn)動(dòng).光子晶體就是將不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在一維、二維或三維空間內(nèi)組成具有光波長(zhǎng)量級(jí)的周期結(jié)構(gòu),使得在其中傳播的光子形成光子帶隙(photonicbandgap),頻率落于此帶隙中的光子將被禁止在光子晶體中

6、傳播.如果任何偏振的光都不能在帶隙中傳播,那么此帶隙就稱為完全光子帶隙.當(dāng)在光子晶體中引入缺陷使其周期性結(jié)構(gòu)遭到破壞時(shí),光子帶* 國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):60278003)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2003CB314904)和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2003AA311010)資助項(xiàng)目2004-06-11收到初稿,2004-08-11修回­ 通訊聯(lián)系人.E-mail:chywang.光于和John61987年分別提出.光子晶體與半導(dǎo)體領(lǐng)域的晶體性.晶體中原子的有序排列形成了周期勢(shì)場(chǎng),當(dāng)電子在周期勢(shì)場(chǎng)中傳播時(shí),由于受到勢(shì)場(chǎng)的年#43#前沿進(jìn)展隙就形成了具有一定頻寬的缺

7、陷態(tài)或局域態(tài),而具有特定頻率的光波可以在這個(gè)缺陷區(qū)域中傳播,因此光子晶體就可以控制光在其中的傳播行為.同樣,倒格子、布里淵區(qū)、布洛赫原理等同樣能夠引入光子晶體理論中.光子晶體自提出以來(lái),就成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn),并取得了許多研究成果,但是在可見光和近紅外波段實(shí)現(xiàn)光子帶隙需要亞微米的晶格長(zhǎng)度7,對(duì)制備工藝提出了嚴(yán)格要求.此外,在二維光子晶體研究中,人們常常關(guān)注電磁波在周期結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)(in-plane)傳播時(shí)的光子帶隙情況,此時(shí)在六角形晶格中產(chǎn)生完全光子帶隙的兩種介質(zhì)的折射率之比不低于2.668.英國(guó)Bath大學(xué)的Russell小組研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)考慮到電磁波在垂直于二維光子晶體平面的方向(out-o

8、-fplane)上有一傳播常數(shù)B時(shí),如果B足夠大,采用空氣孔嵌在熔石英(SiO2)的六角形晶格就能夠產(chǎn)生完全的光子帶隙9.據(jù)此,他們?cè)?996年報(bào)道了第一根光子晶體光纖,光纖的結(jié)構(gòu)和模式花樣分別如圖1(a)、(b)所示.光子晶體光纖通常采用的制作工藝是所謂的堆拉法(stack-and-draw)1.首先按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)制作預(yù)制棒.將石英管外壁磨成六角形狀,拋光后按照預(yù)先設(shè)計(jì)尺寸要求拉絲,然后規(guī)則排列毛細(xì)管,同時(shí)中心用SiO2棒或者抽去一根或幾根毛細(xì)管來(lái)形成纖芯.然后將預(yù)制棒采用一步或兩步拉制成光纖,并涂覆保護(hù)層.1包層的折射率從而實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射,而實(shí)芯的光子晶體光纖僅由一種材料構(gòu)成,包層為空氣孔和熔

9、石英所形成的微結(jié)構(gòu),其有效折射率低于纖芯的折射率,因而能夠滿足全內(nèi)反射原理圖2(c).這種新的機(jī)理被稱為改進(jìn)的全內(nèi)反射(modifiedtotalinter-nalreflection)2,相應(yīng)的光纖也被稱為折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖(index-guidingPCF)或全內(nèi)反射光子晶體光纖(TIR-PCF).與空芯波導(dǎo)不存在全內(nèi)反射圖2(a)不同的是,理論上具有光子帶隙效應(yīng)的光子晶體光纖能夠在低折射率的纖芯內(nèi)實(shí)現(xiàn)低損耗的光傳輸圖2(b),這種光纖也稱為光子帶隙光纖(photonicbandgapfiber).為了實(shí)現(xiàn)真正的光子帶隙效應(yīng),Broeng等理論研究12發(fā)現(xiàn),采用圖1(e)中的蜂巢結(jié)構(gòu)

10、能夠極大地增加光子帶隙的寬度,并報(bào)道了第一根依賴光子帶隙效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)墓庾泳w光纖13,而且因?yàn)閹兜拇嬖?當(dāng)用白光入射時(shí)出射的模式呈現(xiàn)彩色圖1(f).蜂巢結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的光場(chǎng)并不分布在纖芯中的空氣孔缺陷中,而是分布在其周圍的熔石英區(qū)域.通過抽去六角形結(jié)構(gòu)光子晶體光纖中心的7根毛細(xì)管來(lái)形成纖芯,實(shí)現(xiàn)了真正的在空氣芯中傳輸?shù)墓庾訋豆饫w圖1(g)14,圖1(h)是在白光入射時(shí)的光纖模式.10圖2 光傳輸?shù)膸追N機(jī)理11英國(guó)Bath大學(xué)和丹麥工業(yè)大學(xué)等早期開展的光子晶體光纖的研究工作在理論和實(shí)驗(yàn)上都獲得了巨大成功,而且以這兩所大學(xué)的研究小組為依托分圖1 不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖2別成立的Blaz

11、ephotonics和Crysta-lfibre公司已有產(chǎn)品上市.在最近三四年間,隨著國(guó)際上更多的公司和研究小組加入到這一熱點(diǎn)課題的研究中,新的研究成果不斷涌現(xiàn),光子晶體光纖的內(nèi)容更加豐富.同時(shí),國(guó)內(nèi)有很多單位也加入到光子晶體光纖的研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第一根報(bào)道的光子晶體光纖并沒有期望的光子帶隙效應(yīng),實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)脑肀唤忉尀槿珒?nèi)反射1.傳統(tǒng)光纖通過摻雜使得纖芯折射率高于#44#前沿進(jìn)展中.天津大學(xué)與燕山大學(xué)15)道.光子晶體光纖通常由單一材料構(gòu)成及包層中的空氣孔微結(jié)構(gòu)已經(jīng)超出了傳統(tǒng)光纖光學(xué)20,21的范疇,同時(shí)也具有不同于甚至優(yōu)于傳統(tǒng)光纖的特性,為克服傳統(tǒng)光纖發(fā)展中的一些技術(shù)障礙提供了可能的解決途徑.

12、這些特性主要包括2)4:寬帶單模10、可見光波段具有反常色散22、可控的模式面積23、高雙折射如圖1(c)、容易拉制多芯結(jié)構(gòu)等.目前,光子晶體光纖的研究?jī)?nèi)容非常豐富,主要包括對(duì)光子晶體光纖本身模式特征的進(jìn)一步研究和認(rèn)識(shí);光子晶體光纖各種材料和晶格結(jié)構(gòu)如圖1(f)的Kagom 晶格的研究;光子晶體光纖器件方面的研究;光子晶體光纖作為傳輸介質(zhì)的線性和非線性效應(yīng)的研究等.光子晶體光纖一些新穎的應(yīng)用研究包括在空芯光子晶體光纖中利用激光束懸浮和操縱微粒,在光子晶體光纖包層空氣孔中填入聚合物、液晶或液體等構(gòu)成的可調(diào)器件27,28,利用兩根光子帶隙光纖構(gòu)成光學(xué)二極管29等.特別需要指出的是,研究發(fā)現(xiàn)折射率引

13、導(dǎo)型光子晶體光纖包層中空氣孔的周期排列不是必要的,隨機(jī)排列足夠多的空氣孔也能夠有效降低包層的折射率,實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的全內(nèi)反射30.因此,這種光纖已經(jīng)不同于早期提出的空氣孔周期排列的光子晶體光纖,為了突出包層中排列有波長(zhǎng)量級(jí)的空氣孔的這一特征,折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖也被稱為多孔光纖(holeyfiber)或微結(jié)構(gòu)光纖(microstructuredopticalfiber).光子晶體光纖可以稱為第三代非線性光學(xué)介質(zhì).第一代非線性光學(xué)材料只解決了在高功率密度激光的作用下產(chǎn)生光學(xué)非線性效應(yīng),但相互作用距離很短.傳統(tǒng)光纖成為第二代非線性光學(xué)介質(zhì),它使相互作用距離擴(kuò)展到幾十米,但是光脈沖在光纖中的色散使其脈

14、沖變寬,光功率密度下降.光子晶體光纖既能夠保持激光的高功率密度和相互作用長(zhǎng)度,又能夠保持脈沖寬度不變,成為最理想的第三代非線性光學(xué)介質(zhì).因此,光子晶體光纖當(dāng)前研究的另一個(gè)熱點(diǎn)是非線性效應(yīng),實(shí)驗(yàn)和理論成果已大大豐富了原有非線性光纖光學(xué)的內(nèi)容31.通過減小光子晶體光纖的模式面積如圖1(d),可以極大地增強(qiáng)光纖中的非線性效應(yīng)23,同時(shí)熔石英和空氣極大的折射率差增強(qiáng)了波導(dǎo)色散的作用,因而使得光子晶體光纖零色散點(diǎn)可以移到年圖3 在光子晶體光纖中產(chǎn)生的2個(gè)倍頻程的超連續(xù)光譜3226242518和清華大學(xué)與北京113Lm以下22,這是傳統(tǒng)光纖不能實(shí)現(xiàn)的.如果光子晶體光纖的零色散點(diǎn)移到常用的摻鈦藍(lán)寶石(Ti:

15、sapphire)飛秒激光器的工作波長(zhǎng)800nm附近,那么飛秒激光器產(chǎn)生的超短脈沖在很短的光子晶體光纖中傳輸時(shí)能夠保持極高的峰值功率,產(chǎn)生豐富的非線性效應(yīng).本文側(cè)重介紹以超連續(xù)光譜的產(chǎn)生、光孤子效應(yīng)以及頻率變換為代表的光子晶體光纖非線性特性方面的研究進(jìn)展以及這些非線性效應(yīng)的潛在應(yīng)用.玻璃研究院19拉制的光纖及其特性的研究已見報(bào)2 光子晶體光纖非線性特性的研究2.1 超連續(xù)光譜的產(chǎn)生超連續(xù)光譜(supercontinuum)產(chǎn)生是指激光脈沖在非線性介質(zhì)中傳輸時(shí)光譜急劇加寬的一種物理現(xiàn)象.Ranka等32首次報(bào)道用能量小于1nJ、脈寬100fs的脈沖,在75cm長(zhǎng)的可見光區(qū)呈現(xiàn)反常色散特性的光子晶

16、體光纖中,產(chǎn)生2個(gè)倍頻程(octave)(400)1600nm)的超連續(xù)光譜(如圖3所示,其中底部曲線為入射脈沖的光譜,頂部曲線為產(chǎn)生的超連續(xù)光譜).此后,在光子晶體光纖中產(chǎn)生超連續(xù)光譜便成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)33,而且超連續(xù)光譜在飛秒激光脈沖的相位穩(wěn)定、光學(xué)頻率測(cè)量、光學(xué)相干層析(OCT)等方面已經(jīng)帶來(lái)重要突破.目前人們除對(duì)結(jié)構(gòu)比較規(guī)則的光子晶體光纖進(jìn)行研究外31,對(duì)如圖1(d)所示的蛛網(wǎng)式(cobweb)光子晶體光纖、光子-分子蛛網(wǎng)式結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖、軟玻璃(SF6)光子晶體光纖、空氣孔無(wú)規(guī)則排列的光子晶體光纖15)18中超連續(xù)光譜的產(chǎn)生都有研究.同時(shí),除常采用鈦寶石激光器等產(chǎn)生的fs量級(jí)

17、的超短脈沖15)18外,采用ps或ns量級(jí)的脈沖在光子晶體光纖中產(chǎn)生超連續(xù)光譜的實(shí)驗(yàn)也有報(bào)道.實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的超連續(xù)光譜的寬度依賴于光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)、脈沖寬度和功率等具體參數(shù),但是大量的#45#前沿進(jìn)展理論和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)揭示了光子晶體光纖超連續(xù)光譜產(chǎn)生過程中各種效應(yīng)的影響.傳統(tǒng)光纖主要依賴自相位調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生在中心頻率兩側(cè)對(duì)稱分布的鐘形超連續(xù)光譜,而在光子晶體光纖中自相位調(diào)制、高階孤子、群速度色散、三階色散、四波混頻、交叉相位調(diào)制、雙折射以及自陡峭等諸多效應(yīng)對(duì)超連續(xù)光譜的形成都有貢獻(xiàn).Coen等35將入射脈沖寬度為ps量級(jí)時(shí)的超連續(xù)光譜的主要產(chǎn)生機(jī)理解釋為受激拉曼散射和參量四波混頻,而自相位調(diào)制的

18、作用可以忽略,而受激拉曼散射和四波混頻效應(yīng)明顯依賴于入射脈沖中心波長(zhǎng)相對(duì)于光子晶體光纖零色散波長(zhǎng)的位置36.Gaeta37采用對(duì)應(yīng)于Ranka等實(shí)驗(yàn)32中的參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,結(jié)果表明,當(dāng)入射脈沖波長(zhǎng)在靠近零色散點(diǎn)的反常色散區(qū)時(shí),光譜包絡(luò)主要由高階色散決定;三階色散和自相位調(diào)制的相互作用決定了光譜短波方向的寬度,同時(shí)限制了長(zhǎng)波方向的相對(duì)展寬.此外,由于光子晶體光纖拉制中不可避免地產(chǎn)生或者特意引入的雙折射,沿光纖兩個(gè)主軸方向的偏振模式的零色散波長(zhǎng)有偏移,因而入射脈沖的偏振態(tài)也會(huì)影響產(chǎn)生的超連續(xù)光譜的寬度和偏振態(tài).圖4就是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀察到的超連續(xù)光在非均勻結(jié)構(gòu)的雙折射光子晶體光纖中傳輸時(shí)出現(xiàn)的拍

19、頻現(xiàn)象(箭頭所指為同一色光的泄漏處).此外,入射脈沖的啁啾對(duì)超連續(xù)光譜的產(chǎn)生也有影響381834的一階孤子.簡(jiǎn)并的四波混頻最終將光譜加寬.圖5是波長(zhǎng)為842nm時(shí)在零色散波長(zhǎng)為806nm的光子晶體光纖中不同的輸出功率下的光譜曲線,它明顯地反映了上述過程.數(shù)值計(jì)算表明,利用高階孤子裂變效應(yīng)在高非線性材料的光子晶體光纖中可以產(chǎn)生3個(gè)倍頻程的超連續(xù)光譜42.41圖5 光子晶體光纖中不同的輸出功率下的光譜41.光子晶體光纖中產(chǎn)生的一個(gè)倍頻程和高功率的超連續(xù)光譜不但在飛秒激光脈沖的相位穩(wěn)定、光學(xué)頻率測(cè)量、光學(xué)相干層析(OCT)等方面的研究已經(jīng)帶來(lái)重要突破,而且在超短脈沖壓縮、光通信、拉曼光譜學(xué)等領(lǐng)域都有

20、潛在的應(yīng)用.利用頻域穩(wěn)頻技術(shù)能夠穩(wěn)定飛秒激光脈沖的載波包絡(luò)相位,從而鎖定激光器的絕對(duì)頻率,達(dá)到通過穩(wěn)定的微波或射頻時(shí)鐘來(lái)測(cè)量光學(xué)頻率的目的,其中的關(guān)鍵是采用自參考(sel-freferenced)的從光子晶體光纖中產(chǎn)生的一個(gè)倍頻程的鎖模激光頻率梳.光子晶體光纖中作為產(chǎn)生一個(gè)倍頻程的鎖模激光頻率梳的有效手段已經(jīng)大量用于光學(xué)頻率測(cè)量.利用從PCF中產(chǎn)生的超連續(xù)光譜可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的光學(xué)相干斷層成像技術(shù)(OCT).Hartl等44利用在中心頻率為1.3Lm、帶寬為370nm的光譜實(shí)現(xiàn)了寬帶OCT,縱向分辨率在空氣和生物組織中分別為2.5Lm和2.0Lm,這是在該波段已經(jīng)達(dá)到的最高分辨率.光子晶體光纖

21、中產(chǎn)生的一個(gè)倍頻程的超連續(xù)光43圖4超連續(xù)光傳輸時(shí)的拍頻現(xiàn)象Husakou與Herrmann39提出了光子晶體光纖40中超連續(xù)光譜產(chǎn)生的一個(gè)新的機(jī)理)高階孤子裂變(fission)效應(yīng),并得到了實(shí)驗(yàn)上的證實(shí).當(dāng)入射的fs脈沖位于光子晶體光纖的反常色散區(qū)時(shí),在同樣脈沖強(qiáng)度下,寬脈沖比窄脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)光譜可以更寬.這是因?yàn)樵诿}寬較寬時(shí),孤子的階數(shù)更大,N階孤子會(huì)裂變?yōu)镹個(gè)脈沖,同時(shí)每個(gè)脈沖發(fā)出對(duì)應(yīng)的藍(lán)移而且相位匹配的非孤子波,這N個(gè)脈沖最終穩(wěn)定并形成N個(gè)紅移的且中心波長(zhǎng)不同#46#前沿進(jìn)展譜,為進(jìn)一步壓縮產(chǎn)生更短的脈沖提供了可能性.但是同在光學(xué)頻率測(cè)量中應(yīng)用一樣,輸入脈沖的噪聲會(huì)引起超連續(xù)光譜光

22、譜幅度和相位的起伏,進(jìn)而破壞超連續(xù)光譜的相干性,甚至觀察到熱效應(yīng)也會(huì)引起超連續(xù)光譜的有規(guī)律振蕩.因此,目前已經(jīng)在超連續(xù)光譜特性的測(cè)量、噪聲對(duì)超連續(xù)光譜產(chǎn)生的影響、采用偏振效應(yīng)或兩個(gè)零色散波長(zhǎng)優(yōu)化超連續(xù)光譜等方面開展了深入研究.此外,在1.5Lm附近產(chǎn)生的超連續(xù)光譜是潛在的WDM通信光源.2.2 光孤子效應(yīng)在光纖的反常色散區(qū),由于色散和非線性效應(yīng)的相互作用,可產(chǎn)生光孤子效應(yīng).光孤子是一種特殊的波包,它可以傳播很長(zhǎng)距離而不變形31.光子晶體光纖的零色散點(diǎn)能夠移到傳統(tǒng)光纖不能達(dá)到的可見光區(qū),因而極大地?cái)U(kuò)展了能夠產(chǎn)生光孤子效應(yīng)的波段.Wadsworth等報(bào)道,采用中心波長(zhǎng)為850nm、脈寬為200fs

23、的超短脈沖,在零色散波長(zhǎng)為740nm的光子晶體光纖中觀察到了孤子效應(yīng)45.Wash-burn等采用摻鈦藍(lán)寶石激光器輸出的110fs的超短脈沖,在光子晶體光纖產(chǎn)生了從850)1050nm可調(diào)的孤子46.Reid等報(bào)道了用波長(zhǎng)為810nm的摻鈦藍(lán)寶石激光器泵浦光子晶體光纖,產(chǎn)生了頻移至1260nm處的光孤子47圖6 不同功率下光子晶體光纖的孤子頻移光譜51非線性效應(yīng)是四波混頻.四波混頻是一個(gè)光子或幾個(gè)光子湮滅同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)不同頻率新光子的過程31.Sharping等首次報(bào)道從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了光子晶體光纖中非兼并的四波混頻53.光子晶體光纖纖芯面積小導(dǎo)致了非線性系數(shù)V的提高.他們?cè)诹闵⒉ㄩL(zhǎng)(U750nm

24、)附近實(shí)現(xiàn)了相位匹配,而且泵浦峰值功率僅為6W時(shí)就在6.1m長(zhǎng)的光纖中觀察到了超過13dB的參量增益.通過相位匹配,四波混頻產(chǎn)生的斯托克斯和反斯托克斯分量能夠加寬光譜54,55,而且能夠高效地產(chǎn)生三次諧波56和高次諧波57(3).Liu等在文獻(xiàn)48中,報(bào)道在僅為15cm長(zhǎng)的拉錐后的光子晶體光纖中,觀察到了超過光學(xué)頻率20%的孤子頻移.通過改變輸入的波長(zhǎng)為1.3Lm、寬度為200fs的入射脈沖的能量,可以產(chǎn)生從1.3)1.6Lm可調(diào)的脈寬低于100fs的孤子.目前,在0.78)1.0Lm49、1.0)1.3Lm50、1.56)1.677Lm51等波段的可調(diào)諧的孤子效應(yīng)都有報(bào)道.圖6是在不同功率下

25、光子晶體光纖的輸出光譜應(yīng).51,成為頻率變換的有效手段.四波混頻的相位匹配中往往需要高階模式的參56與56,57,圖7中給出了光子晶體光纖中三次諧波的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑花樣,其中頂部各圖為理論計(jì)算結(jié)果,底部各圖為實(shí)驗(yàn)結(jié)果.此外,相位匹配條件還與入射脈沖偏振態(tài)有關(guān)54,55,因而改變?nèi)肷涿}沖的偏振態(tài)就能夠改變斯托克斯和反斯托克斯分量的波長(zhǎng)甚至光斑模式,圖8就是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中獲得的入射脈沖在不同偏振態(tài)下光子晶體光纖輸出的反斯托克斯分量的光譜及模式近場(chǎng)花樣,其中A,B分別對(duì)應(yīng)于入射脈沖偏振方向平行于光纖的快軸和慢軸.光子晶體光纖作為頻率變換的有效手段,產(chǎn)生的斯托克斯和反斯托克斯分量在光致變色效應(yīng)59、拉曼光譜學(xué)

26、60,從中可以看到明顯的孤子頻移效值得注意的是,由于空氣或者填充氣體的非線性效應(yīng)很弱,光子帶隙型光纖能夠支持高功率的孤子傳輸52.空氣芯的光子帶隙型光纖能夠支持峰值功率為2MW的孤子,在填充了氙氣后,可以支持5.5MW的孤子,將光纖中能夠傳輸?shù)墓伦庸β侍岣吡?個(gè)數(shù)量級(jí).由于色散的可調(diào)性,從光子晶體光纖中產(chǎn)生的光孤子覆蓋了傳統(tǒng)光纖不能夠達(dá)到的波段,在光通信、超短脈沖傳輸?shù)确矫娑季哂袠O大的應(yīng)用潛力.2.3 頻率變換效應(yīng)同傳統(tǒng)光纖一樣,光子晶體光纖中一個(gè)重要的年等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用.3 結(jié)束語(yǔ)包層中空氣孔構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)使得光子晶體光纖#47#前沿進(jìn)展910111213141516BirksTA,Rob

27、ertsPJ,RussellPStJetal.Electron.Lett.,1995,31(22):1941BirksTA,KnightJC,RussellPStJ.Opt.Lett.,1997,22(13):961KnightJC,RussellPStJ.Science,2002,296(5566):276BroengJ,BarkouSE,BjarklevAetal.Opt.Commun.,1998,156(4-6):240KnightJC,BroengJ,BirksTAetal.Science,1998,282(5393):1476圖7 光子晶體光纖中三次諧波的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑花樣56Cregan

28、RF,ManganBF,KnightJCetal.Science,1999,285(5433):1537LiSG,HouLT,JiYLetal.Chin.Phys.Lett.,2003,20(8):1300李曙光,冀玉領(lǐng),周桂耀等.物理學(xué)報(bào),2004,53(2):478LiSG,JiYL,ZhouGYetal.ActaPhysicaSinica,2004,53(2):478(inChinese)17胡明列,王清月,栗巖鋒等.中國(guó)激光,2004,31(5):567HuML,WangQY,LiYFetal.Chin.J.Lasers,2004,31(5):567(inChinese)1819HuM

29、L,WangCY,LiYFetal.LaserPhys.,2004,14(5):776倪屹,彭江得,柯亞杰等.中國(guó)激光,2003,30(10):901NiY,PengJD,KeYJetal.Chin.J.Lasers,2003,30(10):901(inChinese)20圖8不同偏振態(tài)下光子晶體光纖輸出的反斯托克斯分量及模式近場(chǎng)花樣SnyderAW,LoverJD.OpticalWaveguideTheory.London:ChapmanandHall,1983HechtJ.UnderstandingFiberOptics.Beijing:PublishingHouseofElectroni

30、csIndustry,2003KnightJC,ArriagaJ,BirksTAetal.IEEEPhoton.Tech-nol.Lett.,2000,12(7):807BroderickNGR,MonroTM,BennettPJetal.Opt.Lett.,1999,24(20):1395KawanishiS,YamamotoT,KubotaTetal.IEICETrans.Electron.,2004,E87-C(3):336BlanchardPM,BurnettJG,ErryGRGetal.SmartMater.Struct.,2000,9(2):132BenabidF,KnightJC

31、,RussellPStJ.Opt.Express,2002,10(21):1195EggletonBJ,AhujaAK,FederKSetal.IEEEJ.Sel.Top.Quant.Electron.,2001,7(3):409KerbageC,EggletonBJ.Opt.FiberTechnol.,2004,10(2):133KonorovSO,Sidorov-biryukovDA,BugarIetal.Appl.Phys.B,2004,78(5):547MonroTM,BennettPJ,BroderickNGRetal.Opt.Lett.,2000,25(4):206AgrawalG

32、P.NonlinearFiberOptics(2nded.)SanDiego:AcademicPress,1995RankaJK,WindelerRS,StentzA.J.Opt.Lett.,2000,25(1):25栗巖鋒,胡明列,王清月.光電子#激光,2003,14(11):1240LiYF,HuML,WangQY.J.Opto.Laser,2003,14(11):1240(inChinese)2122具有不同于而且優(yōu)于傳統(tǒng)光纖的很多特性,以超連續(xù)光譜的產(chǎn)生、光孤子效應(yīng)、頻率變換為代表的非線性特性的研究構(gòu)成了當(dāng)前光子晶體光纖研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn).可以預(yù)料,隨著對(duì)光子晶體光纖本身的各種特性以及

33、非線性效應(yīng)的更加深入研究,光子晶體光纖將展示出傳統(tǒng)光纖無(wú)法比擬的優(yōu)越性,而這些非線性效應(yīng)也將會(huì)有更加廣泛深入的應(yīng)用.參12345671996,21(19):1547RussellP.Science,2003,299(5605):358KnightJC.Nature,2003,424(6950):847趙玲慧,魏志義.物理,2004,33(5):335ZhaoLH,WeiZY.Wuli(Physics),2004,33(5):335(inChinese)YablonovitchE.Phys.Rev.Lett.,1987,58(20):2059JohnS.Phys.Rev.Lett.,1987,5

34、8(23):2486JoannopoulosJD,MeadeRD,WinnJN.PhotonicCrystals:MoldingtheFlowofLight.Princeton:PrincetonUniversityPress,19958VilleneuvePR,Pich M.Phys.Rev.B,1992,46(8):496933293031322526272324考文獻(xiàn)28KnightJC,BirksTA,RussellPStJetal.Opt.Lett.,#48#前沿進(jìn)展3435363738394041424344454647ApolonskiA,PovazayB,UnterhuberAetal.J.Opt.Soc.Am.B,2002,19(9):2165CoenS,ChauAHL,LeonhardtRetal.J.Opt.Soc.Am.B,2002,19(4):753WadsworthWJ,JolyN,KnightJCetal.Opt.Express,2004,12(2):299GaetaAL.Opt.Lett.,2002,27(11):924ZhuZ,BrownTG.Opt.Express,2004,12(4):689HusakouAV,HerrmannJ.Phys.Rev.Lett.,2001,87(20):203901Herrmann