光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀及其在光纖通信中的應(yīng)用

1、科技信息專題論述光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀及其在光纖通信中的應(yīng)用萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院王松紅摘要自等人研制出世界上第一根以來，有關(guān)這方面的研究成為熱點。本文綜述了光子晶體光纖的導(dǎo)光原理、傳輸特性和理論研究模型，探討了其在光纖通信中的應(yīng)用，最后對其發(fā)展作了展望。關(guān)鍵詞光子晶體光子晶體光纖光纖通信光子晶體光纖概述1987年，Yablonovitch在研究材料的輻射特性時1，S.John在研究光2分別發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)呈周期性變化子局域態(tài)隨折射系數(shù)的變化關(guān)系時，的結(jié)構(gòu)會使材料中光子模的性質(zhì)發(fā)生變化，從而分別提出了“光子晶體”的概念。1991年，Russell根據(jù)根據(jù)光子晶體傳光原理提出了光子晶體34光子晶體光纖（P

2、CF）又稱為多孔光纖(HF)，微結(jié)構(gòu)世界上第一根PCF。光纖(MOF)，光子帶隙光纖（PBGF），其中，PCF,HF,MOF是根據(jù)光纖的結(jié)構(gòu)來定義的，而PBGF則是根據(jù)光纖的光學(xué)性質(zhì)來定義的。與傳統(tǒng)的光纖不同，光子晶體光纖的包層為沿軸向規(guī)則排列著空氣孔的石英光纖陣列，纖芯則由一個破壞了包層周期性結(jié)構(gòu)的缺陷組成。纖芯的缺陷可以是折射率高于包層的材料，也可以是低于包層的材料。根據(jù)導(dǎo)光機制的不同，可以將光子晶體光纖分為折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖和光子帶隙型光子晶體光纖。前者的纖芯是高折射率的材料，它利用中心缺陷區(qū)和缺陷區(qū)外周期性結(jié)構(gòu)區(qū)之間的有效折射率差將光子局域在高折射率的纖芯中，傳輸機理仍然是全內(nèi)反

3、射，但由于包層含有氣孔與傳統(tǒng)光纖的“實芯”熔融硅包層不同，并且這種光子晶體光纖具有一些傳統(tǒng)的全反射光纖所不具備的特性，因而把這種導(dǎo)光機制成為改進的全內(nèi)反射；后者纖芯的折射率低于包層，傳輸機理是利用包層對一定波長的光形成光子帶隙，光只能在缺陷中存在和傳播。光子晶體光纖的傳輸特性2.1色散特性色散是指不同頻率的電磁波以不同的相速度和群速度在介質(zhì)中傳色散導(dǎo)致光脈沖在傳播過程中展寬，致使前后脈沖相互播的物理現(xiàn)象。由不同的物理機重疊，引起數(shù)字信號的碼間串?dāng)_。在光纖傳輸理論中，理引起的色散有兩類：波長色散和模式色散。對光子晶體光纖而言，由于它可以由同一種材料制成，所以纖芯和包層可以做到完全的力學(xué)和熱學(xué)匹配

4、，使得纖芯和包層間的折射率差不會因為材料的不相容而受到限制。包層的有效折射率是波長的函數(shù)，導(dǎo)致光場在包層中的分布出現(xiàn)了新的變化，因而產(chǎn)生了零色散波長可調(diào)，近零超平坦色散，高負(fù)色散等不同于傳統(tǒng)光纖的色散特性。西班牙的Ferrando等人早在2000年就報道了他們關(guān)于近零超平坦色散的研究結(jié)果，通過選擇d和的值，可以在1.52um為中心的543nm波長范圍內(nèi)得到色散D=+1ps/(nm.km)的PCF(d0.73um，3.02um);在428nm范圍內(nèi)得到D=±0.5ps/(nm.km)的色散值(d0.63um，2.64um)5。為了克服色散對通信容量的限制，可以采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)補償光纖的色

5、散，使色散導(dǎo)致的光信號的傳輸畸變減至最少。補償光纖的負(fù)色散值越大，所需要的光纖長度就越小。經(jīng)過合理設(shè)計其包層的幾何結(jié)構(gòu)后，光子晶體光纖不但可以在單一波長下得到很大的負(fù)色散值，而且在較寬的波長范圍內(nèi)也可以取得理想的色散效果。Birks等人的研究表明7，在PCF中可以實現(xiàn)-2000ps/(nm.km)的色散，也就是說這種光纖能夠?qū)﹂L度為其100倍的普通光纖進行色散補償。2.2無截止單模特性在傳統(tǒng)的階躍光纖中，光纖的歸一化頻率定義為22V=k0a(ns-ncl)（1）ns光纖芯層的折射率式中：ncl光纖包層的折射率a光纖芯層半徑光纖的單模傳輸條件為0<V<2.405，即只有>2.6

6、13nsa姨時，光纖才是單模的，波長小于此截止波長的光波在光纖中為多模傳輸。應(yīng)用有效折射率模型，得到光子晶體光纖包層的有效折射率后，我們可以定義一個等效的歸一化頻率為：Veff=k0a(ns-neff)221（2）ns光纖芯層的折射率式中：neff包層的有效折射率a光纖芯層半徑有效折射率的大小與包層的結(jié)構(gòu)和傳輸光波的波長有關(guān)。當(dāng)波長減小時，光束截面向纖芯收縮，這樣就會使得有效折射率增加，導(dǎo)致纖芯和包層的折射率差減小，使得Veff在波長減小時可以趨向于一個固定的值，這樣就使得當(dāng)波長減小時可以滿足Veff<2.405，從而能維持較短波長的單模傳輸。適當(dāng)設(shè)計包層的參數(shù)就可以在任意波長上滿足單模

7、傳輸條件，試驗發(fā)現(xiàn)，對于中心缺陷一個空氣孔的PCF，當(dāng)=10um(兩相鄰空氣孔的中心距)，d/0.45(d空氣孔的直徑)時，可d/0.25時，可實實現(xiàn)單模傳輸；中心缺陷三個空氣孔時，當(dāng)=6um，8現(xiàn)單模傳輸。2.3高雙折射效應(yīng)傳統(tǒng)的保偏光纖是基于高雙折射光纖的，常采用的方法有制作非非軸對稱性的纖芯折射率分布。制作高雙折射光纖一般需圓截面光纖、要引入形狀雙折射或者應(yīng)力雙折射，這樣會使它的工藝難度和制作成本大大增加。但是對于光子晶體光纖來說，我們可以通過改變它的包層結(jié)構(gòu)參數(shù)來使其具有高雙折射性。研究光子晶體光纖的理論模型3.1有效折射率法有效折射率模型采用的是普通階躍光纖的分析方法，并合理的略去光

8、子晶體光纖的細(xì)節(jié)，利用幾個關(guān)鍵的參數(shù)從整體上描述光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點。目前使用的有效折射率法有標(biāo)量有效折射率法（SEIM）和全矢量有效折射率法（FVEIM）。這兩種方法相比較而言，標(biāo)量有效折射率法適用隨著空氣填充比的增加，由于纖芯和基空間填充于弱波導(dǎo)近似的情況。在波長較短模之間的折射率差增大，標(biāo)量有效折射率的準(zhǔn)確性將降低。時，兩種方法得到的差異不大，但是隨著波長的增加，差異變得明顯，原因是由于纖芯和包層的有效折射率差依賴于波長。在纖芯和包層有效折射率較大的情況下，F(xiàn)VEIM所得到的結(jié)果會更精確些。3.2時域有限差分法該方法在分析弱導(dǎo)光纖時很有效，可以大大節(jié)省計算機內(nèi)存和計算時間；采用這種方法

9、可以直接在數(shù)值空間模擬電磁波的傳播以及它與物體的相互作用過程，有效的應(yīng)用于設(shè)計具有特定色散和偏振特性的光子晶體光纖。3.3超格子法這超格子法將PCF的橫向介電常數(shù)表示為兩種周期性結(jié)構(gòu)疊加，兩種周期性結(jié)構(gòu)分別用余弦函數(shù)或正弦函數(shù)展開；同時將橫向電場按厄密·高斯函數(shù)分解展開。利用正交函數(shù)的性質(zhì)，將全矢量波動方程轉(zhuǎn)化為矩陣本征值問題，可求得光子晶體光纖的模式、特性、色散特性、偏723科技信息專題論述對于光纖通信系統(tǒng)具有非常重要的意義。4.5脈沖壓縮超短光脈沖是未來超高速光通信系統(tǒng)所必不可少的，為此通常采用孤子效應(yīng)壓縮方案來獲取超短脈沖，壓縮用的非線性介質(zhì)一般是色散位移光纖（DSF）。若想得

10、到重復(fù)率10GHz的脈寬2ps左右的短脈沖，需要的常規(guī)色散位移光纖的長度通常都在數(shù)公里以上，即使采用高非線性色散位移光纖，也需要60500米。由于小芯徑、高色散值的PCF的零色散波長在可見光附近同時具有高非線性和大的負(fù)色散特性，利用它進行孤子壓縮可以大大減小所需光纖的長度。目前的技術(shù)僅需要10米長的保偏光子晶體光纖就可以得到10GHz輸出功率為16mw的1.26ps脈沖。除此之外，已經(jīng)取得研究進展的光子晶體光纖與光纖通信的相關(guān)應(yīng)用還有光波長變換、連續(xù)譜發(fā)生器、光纖光柵等。在光纖通信領(lǐng)域中，光子晶體光纖具有傳統(tǒng)光纖無法比擬的優(yōu)越性，尤其是在長途通信系統(tǒng)中。其極低的損耗保證了信號的長距離傳輸；極低

11、的非線性效應(yīng)保證了信號的保真度；全波段的單模工作為波分復(fù)用系統(tǒng)提供了信道資源；零色散波長的人為控制避免了信號的相互串?dāng)_。展望光子晶體光纖的出現(xiàn)對于光纖及光纖通信、光纖器件等領(lǐng)域是一個重大的突破，在其傳輸理論方面，還需要進行深入的研究。隨著對其理論研究的深入及制作工藝的成熟，光子晶體光纖將在未來的光纖通信領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻，：，（）：，：，：，：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：振特性等。3.4多極法多極法是在分析傳統(tǒng)多芯光纖的多極公式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，收斂快、可以處理各種光纖幾何參數(shù)變化的情這種方法具有精確度高、況的特點。不過該法一般只適用于圓

12、形空氣孔，并且對于我們不熟悉的光纖幾何結(jié)構(gòu)進行模式分析很困難。3.5有限元法有限元法通過將具體問題化為等價的泛函形式來求解，把光纖分成許多具有相同性質(zhì)的單元，對每一單元運用離散的麥克斯韋方程，再在這些單元的邊界上加上連續(xù)性條件，來計算具有任意結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖。利用有限元方法分析的優(yōu)勢在于能夠?qū)哂腥魏V意形狀、大小以及分布的光子晶體光纖進行求解，而最近發(fā)展起來的利用曲線/邊界節(jié)點有限元的全矢量有限元法則更加可以避免偽解，很精確的分析光子晶體光纖的多種性質(zhì)10。除以上方法外，還有多重散射法、平面波法、局域函數(shù)法、頻域有限差分法、多元法等。光子晶體光纖在光纖通信中的應(yīng)用4.1色散補償光纖普通色散補

13、償光纖的纖芯和包層之間的折射率差較小，所以其色散補償能力差，而PCF的纖芯和包層之間的折射率差較大，所以具有很強的色散補償能力。由于PCF的優(yōu)良的色散補償性能，使其有望代替普通的色散補償光纖成為新一代色散補償光纖。4.2作為光信號傳輸媒質(zhì)目前PCF已進入實驗室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗研究階段，K.Tajima等人于2003年通過改進PCF的制作工藝，制成了在1550nm波長處衰減為0.3dB/km長度超過10km的超低衰減的PCF，并利用他們所設(shè)計出的超低衰減的PCF成功的進行了810Gbit/s的波分復(fù)用傳輸K.試驗，證明了PCF在實際的通信系統(tǒng)中使用的可行性11。2004年，Nakajima

14、等人利用他們所研制的=5.6um,d/=0.5的零色散波長在8501550nm的超低衰減的60孔PCF進行了19×10Gbit/s的波分復(fù)用并且沒傳輸實驗，證實了這種PCF可以在850nm波段實現(xiàn)單模傳輸，12有明顯的模式延遲。4.3光纖激光器和光纖放大器通過調(diào)整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設(shè)計出模場面積范圍使得PCF在光纖激光器和光放大器研制中比G.為11000um2的PCF，652光纖具有更大的優(yōu)勢。2000年，英國Bath大學(xué)的Wadsworth和Knight等第一個實驗報道了連續(xù)波的摻鐿光子晶體光纖激光器，實驗耦合效率為40%時，最大實現(xiàn)了18mw的激光輸中泵浦功率為300mw，13出，激光閾值小于10mw。4.4拉曼放大器基于目前傳統(tǒng)光纖的拉曼放大器所用光纖長度少則幾公里，多則幾十公里，這不僅增加了設(shè)計拉曼光纖放大器的復(fù)雜性，而且由于瑞利散射噪聲的影響，限制了放大器系統(tǒng)性能的進一步提高?？梢酝ㄟ^靈活調(diào)整包層中空氣孔的大小、形狀、樹木及分布情況，可方便的改變包層可提供比傳統(tǒng)光纖的每單有效折射率，從而設(shè)計成小模場面積的PCF，位長度高10100倍的非線性系數(shù)，這使得開發(fā)新一代短