光子晶體光纖中的非線性效應(yīng)的研究進(jìn)展

1、第卷第期年月文章編號：1007-791X(2008)02-0134-06燕山大學(xué)學(xué)報光子晶體光纖中的非線性效應(yīng)的研究進(jìn)展高（摘飛，侯藍(lán)田，劉兆倫，苑金輝）燕山大學(xué)紅外光纖與傳感研究所，河北秦皇島要：首先介紹了光子晶體光纖中的非線性現(xiàn)象以及其形成原因，分析了非線性系數(shù)與光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，隨后主要論述了在光子晶體光纖中獲得較高非線性系數(shù)的方法，最后對現(xiàn)有的測量光子晶體光纖非線性系數(shù)的方法進(jìn)行了概括與比較。關(guān)鍵詞：光子晶體光纖；非線性效應(yīng)；非線性系數(shù)中圖分類號：TN253文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A光子晶體光纖中的非線性一般來講，在高強(qiáng)度電磁場的作用下，任何電介質(zhì)對光的響應(yīng)都不是線性的，這是因為非線

2、性效應(yīng)和介質(zhì)的極化率相關(guān)，在強(qiáng)的電磁場中，就會導(dǎo)致材料中電子的非線性激發(fā)出的原子核位移和原子軌道的畸變，引起束縛電子的非諧振運動，因而顯現(xiàn)出非線性效應(yīng)。結(jié)果就會導(dǎo)致電偶極子的極化強(qiáng)度對于電場是非線性的，通常滿足關(guān)系式應(yīng)時，光纖中的非線性效應(yīng)由于其作用長度長而有其獨特之處。在光纖中存在的非線性效應(yīng)主要包括以下幾種：三次諧波（自相位調(diào)制（激拉曼（），四波混頻（），），受）等等。），交叉相位調(diào)制（）和受激布里淵散射（測量非線性時常用自相位調(diào)制，所謂自相位調(diào)制是指光場在光纖內(nèi)傳輸時光場本身引起的相移，其大小可以通過記錄光場相位的變化得到式中，為電極化率。由于二氧化硅分子是對稱結(jié)構(gòu)，因而石英玻璃的等于零

3、，因此光纖通常不顯示二階非線性效應(yīng)，光纖中的最低階非線性效應(yīng)起源于三階電極化率。光纖中的大部分非線性效應(yīng)起源于非線性折射率，而光纖的折射率可表示成而非線性相移就是這為測量非線性系數(shù)提供了一種思路。光子晶體光纖由于其高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)和色散特性，使其非線性效應(yīng)獨具特點，它可以通過改變光纖包層與纖芯的幾何結(jié)構(gòu)有效地控制和調(diào)節(jié)其中的非線性光學(xué)過程，諸如通過產(chǎn)生脈沖壓縮和展寬、光孤子的形成和受激拉曼散射的增強(qiáng)等效應(yīng)，另外也有自相位調(diào)制、二次諧波和四波混頻等參量過程。特別是利用激光脈沖通過微結(jié)構(gòu)光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜的現(xiàn)象引起了人們的極大關(guān)注。的許多特性與光纖的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，使其具有了許多傳統(tǒng)光纖所不具備的優(yōu)點

4、，這也就是拉制高）；國家自然科學(xué)基金資助項目（）式中，就是非線性折射率系數(shù)，它與三階電極化率有關(guān)在研究光與物質(zhì)相互作用過程中的非線性效收稿日期：作者簡介：高飛（基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目（），男，河北任丘人。碩士研究生。主要研究方向為光子晶體光纖。第 期 高 飛 等 光子晶體光纖中的非線性效應(yīng)的研究進(jìn)展 非線性 的重要意義之一 。 按導(dǎo)光機(jī)理可以粗略的分為兩類： 即折射 率引導(dǎo)型光子晶體光纖（ 晶體光纖（ ）和光子帶隙型光子 所示。其中，折 在 以得到 型光纖中， 是二氧化硅的折射率， 、 中非線性系數(shù) ） ，其結(jié)構(gòu)如圖 可由包層基模的有效折射率 來代替， 于是，就可 射率引導(dǎo)

5、型光子晶體光纖是在二維光子晶體中心 引入實芯來制作的， 以其優(yōu)異的高非線性特性成為 人們研究的熱點。 再根據(jù)全矢量有效折射率方法 層基模有效折射率 可以計算得到包 這樣，由式 折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖 光子帶隙型光子晶體光纖 和 就可以求得非線性系數(shù)和 和圖 分別是 時以及 ， 以及光頻率 的關(guān)系。 圖 處， ， 取 ， 取 圖 燕山大學(xué)拉制的光子晶體光纖端面圖 時 取值。 非線性系數(shù)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系 光纖中以非線性系數(shù) 來表征非線性的大小， 通常將其定義為 式中， 是真空中的波長， 些文獻(xiàn)中也定義為： 沒有太大的區(qū)別。 是有效模面積。在有 ，這兩個定義在本質(zhì)上 圖 非線性系數(shù)與空氣孔大小的關(guān)系

6、從麥克斯韋方程組出發(fā)， 同時采用慢變振幅近 似， 并把非線性感應(yīng)電極化強(qiáng)度看作總感應(yīng)電極化 強(qiáng)度的微擾，就可得到脈沖在光纖內(nèi)的傳輸方程 在折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖中， 對石英材料非線 性折射率系數(shù)的取值如下， 是有效纖芯面積 。 ， ， 圖 非線性系數(shù)與空氣孔間距的關(guān)系 ， 采用全矢量有效折射率方法進(jìn)行數(shù)值處理 可以知道對于階躍型光纖，模場直徑為： 而數(shù)值孔徑 ，因此有 ，同時有效模面積為 燕山大學(xué)學(xué)報由圖可知，的非線性系數(shù)隨著空氣孔增大而增大，隨著孔間距減小而增大，可見空氣填充率較大的應(yīng)該會有較大的非線性系數(shù)。圖是波長與非線性系數(shù)的關(guān)系（空氣孔半徑，孔間距）。非線性系數(shù)隨波長的增大而減小，而

7、且在短波段的理論計算有很大的值。圖波長與非線性系數(shù)的關(guān)系中獲得高非線性的方法通過上面的討論可以看到，在光子晶體光纖中，由于高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)和色散特性，就可以合理選擇結(jié)構(gòu)以及填充非線性材料來的到所需的光纖。而的高非線性一直都是頗受關(guān)注的課題，研究人員試圖采用各種方法來提高非線性系數(shù)并對此展開了一系列的理論和實驗研究，并取得了一定的成果。通過數(shù)值分析以及非線性系數(shù)的定義可以看出要想提高非線性系數(shù)，一般來采取兩種辦法，一是減小，二是增大。而對于空氣填充率，如若不考慮其他因素則是越大越好。圖是有效模面積（非線性系數(shù)）隨纖芯直徑變化關(guān)系，可見減小纖芯直徑有助于減小，增大非線性系數(shù)。但是，不能只是一味的減小

8、纖芯直徑，這是由于盡管單位面積上的光能量會很大，然而由于纖芯較小，耦合進(jìn)纖芯的總能量就不會很大，這樣，其產(chǎn)生的非線性效應(yīng)也不會很強(qiáng)。而提高，一般有兩種途徑：一是在在纖芯中摻雜（如摻鍺等材料），這樣也可以加強(qiáng)對光的限制；另一個是使用高非線性折射率材料。這就是光線設(shè)計和拉制中注意的兩個問題。圖有效模面積、非線性系數(shù)與纖芯直徑關(guān)系圖中非線性研究進(jìn)展在光纖非線性研究中，不能僅考慮增大非線性系數(shù)，增強(qiáng)非線性效應(yīng)，還應(yīng)該結(jié)合實際，在達(dá)到高非線性的時候，對于色散損耗也應(yīng)予以考慮，這樣才會得到更好的應(yīng)用。公司于年的會議中就已經(jīng)提出了一種零色散波長在處的非線性系數(shù)較高的，其可達(dá)到，這種光纖的平均孔間距是，平均空

9、氣孔直徑是，其纖芯直徑為，光纖外徑，零色散點在處?？梢钥吹剑诠庾泳w光纖中可以兼顧高非線性系數(shù)的同時靈活設(shè)計光纖的色散，這是傳統(tǒng)光纖所不可比擬的。年，意大利的大學(xué)采用數(shù)值模擬的方法，模擬了兼顧最佳色散斜率和較高非線性系數(shù)（約）的。通過改變空氣孔直徑和孔間距來調(diào)整的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而數(shù)值模擬色散和非線性系數(shù)，從而得到所需參數(shù)設(shè)計的光纖。該方法為設(shè)計高非線性系數(shù)色散平坦光纖提供了理論指導(dǎo)。到年為止，高非線性光子晶體光纖研究進(jìn)展如下。南安普頓大學(xué)光電子學(xué)研究中心研制的折射率引導(dǎo)型光纖，纖芯直徑約，處的非線性系數(shù)，而南安普頓大學(xué)等人采用小芯徑硅酸鹽多孔，在通信波長處達(dá)到了；同時，英國的公司拉制出了一系列的高

10、非線性光纖，其非線性系數(shù)范圍為。而丹麥的公司也拉制出了非線性系數(shù)為的光纖。莫斯科國家大學(xué)拉制的，第期高飛等光子晶體光纖中的非線性效應(yīng)的研究進(jìn)展非線性系數(shù)在處達(dá)到的是處達(dá)到，在個和色散都有限制，同時在非線性相移的測量中存在著很大的不確定性，對光脈沖的初始波形也有要求。優(yōu)點就是方法簡便，容易實現(xiàn)光的耦合。圖是的實驗裝置圖。調(diào)節(jié)輸入光源，不過這種光纖使用玻璃，采用了小纖芯，纖芯周圍為與芯基本相同的小空氣孔，再外面才是包層空氣孔，理論分析可知采用這種結(jié)構(gòu)的二氧化硅光纖的非線性系數(shù)也將會是很大的數(shù)值。的兩個激光器，使其頻率接近，就可以產(chǎn)生拍頻信號。忽略色散拍頻信號在被測光纖中傳播所產(chǎn)生的非線性相移可以表

11、示為非線性系數(shù)測量單模光纖中非線性系數(shù)的測量以下是幾種測試光纖非線性系數(shù)的方法，其中，。產(chǎn)生的非線主要是使用了自相位調(diào)制，交叉相位調(diào)制以及四波混頻這些非線性效應(yīng)來測量。目前，已提出的非線性系數(shù)測量方法有：單脈沖激光器（法、雙連續(xù)激光器（法、圖法等等。是的實驗裝置圖，它由脈沖激光器）的）的法、要獲得非線性系數(shù)，只要有性相移就可以，非線性相移可以在頻域中測得。將第一式做傅立葉變換，就可以得到零階諧波和一階諧波的比產(chǎn)生高斯脈沖，輸入測試光纖之后最終要測量的是所致的展寬頻譜中峰的數(shù)目。由非線性光纖光學(xué)可知，與系為公式效應(yīng)產(chǎn)生的非線性相移關(guān)，據(jù)此就可以求得非線性相移，由就可以得到非線性系數(shù)。這種這樣就可

12、以通過測量得到的值得到相移從而得到非線性系數(shù)。這種方法僅需要普通的泵浦源，不需太長的光纖，可測試高色散值的光纖。但是，色散、光纖長度、兩個光源的波長間隔和注入功率等這些測試條件對結(jié)果的準(zhǔn)確性很關(guān)鍵。方法需要特殊的窄脈沖光源，對所測試光纖的長度圖單脈沖激光器法的實驗裝置圖燕山大學(xué)學(xué)報圖、圖分別是交叉相位和四波混頻測量的實驗裝置圖，前一個是通過測量得到基波和一次諧波的比來計算光強(qiáng)度與所引起的相移，從而得到非線產(chǎn)生的光強(qiáng)度之比，非線性系數(shù)就性系數(shù)；后一個則是從輸出信號光譜圖中得到泵浦圖交叉相位調(diào)制測量非線性系數(shù)實驗裝置圖圖四波混頻測量非線性系數(shù)實驗裝置圖作用的認(rèn)識，擴(kuò)展了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域，本文主要介紹

13、了中非線性的成因和現(xiàn)象，如何獲得較高中的非線的非線性系數(shù)，以及一些非線性系數(shù)的測量方法，這只是簡要的介紹，期望對今后的性研究工作的展開有所幫助。圖中測量的到的典型頻譜圖第 期 參考文獻(xiàn) 高 飛 等 光子晶體光纖中的非線性效應(yīng)的研究進(jìn)展 錢士雄 王恭明 非線性光學(xué)原理與進(jìn)展 旦大學(xué)出版社 譚維翰 非線性與量子光學(xué) 上海 復(fù) 劉潔 楊昌喜 金國藩 等 一種新型高非線性色散平坦光子 晶體光纖結(jié)構(gòu) 光學(xué)學(xué)報 北京 科學(xué)出版社 王清月 栗巖鋒 胡明列 等 光子晶體光纖非線性特性的研 究 物理 。 孫喜文 王清月 胡明列 等 光子晶體光纖中非線性傳輸?shù)?數(shù)值分析 中國激光 胡明列 王清月 栗巖鋒 等 飛秒激光在光子晶體光纖中產(chǎn) 生超連續(xù)光譜機(jī)制的實驗研究 物理學(xué)報 陳國慶 單模光纖有效面積測量研究 李春雷 盛秋琴 光子晶體光纖非線性系數(shù)與其結(jié)構(gòu)參量及光 波長的關(guān)系 光子學(xué)報 陳