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正文內(nèi)容

雙通道可調(diào)諧濾波器bragg微結(jié)構(gòu)光纖光柵的理論設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-07-01 12:41 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 gg 微結(jié)構(gòu)光纖光柵的理論設(shè)計 ........................................... 60 第四章 總結(jié)與展望 .......................................................................................................... 65 參考文獻 .................................................................................................................................. 67 致 謝 .................................................................................................................................. 68 第一章 緒論 微結(jié)構(gòu)光纖 (Microstructured Fiber,MF),又稱光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF),是近十年來光纖技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。由于微結(jié)構(gòu)光纖具有傳統(tǒng)光纖無法提供的導(dǎo)光和控光特性,在諸多應(yīng)用領(lǐng)域的研究也隨之展開,在光通信、光傳感、光纖激光器、非線性光學(xué)、高功率光傳輸?shù)阮I(lǐng)域表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景 。 微結(jié)構(gòu)光纖簡介 微結(jié)構(gòu)光纖 的基本概 念 眾所周知,自然晶體 (如半導(dǎo)體 )中的電子由于受到晶格的周期性勢場的散射,部分波段會因破壞性干涉而形成帶隙,導(dǎo)致電子的色散關(guān)系呈帶狀分布,從而形成電子能帶 (Electronic Band)。如果將具有不同折射率 (介電系數(shù) )的介質(zhì)材料按照自然體的周期結(jié)構(gòu)排布,類似的現(xiàn)象也存在于光子系統(tǒng)中。 1987 年, Vblonovitch和 Jonh 在研究如何抑制自發(fā)輻射和光子局域特性時分別獨立提出了光子晶體 (Photonic Crystal)的概念:一種因折射率空間周期變化而具有光子能帶的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料,其折射率變化周期 為光波長量級。在 1991 年 , Russell 等人提出此類光纖主要是由在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成 , 通過這些微小空氣孔對光的約束實現(xiàn)光的傳導(dǎo) , 不同空氣孔填充率及排列分布的空氣硅包層微結(jié)構(gòu)光纖 。 實際中由于空氣孔在橫截面上的排列圈樣空氣孔的大小以及填充率都可以變化 , 因此通過改變它的排列圖樣可靈活構(gòu)造出很多結(jié)構(gòu)的 微結(jié)構(gòu) 光纖來從而可設(shè)計出具有不同特性的 微結(jié)構(gòu) 光纖來滿足不同的需要。 圖 微結(jié)構(gòu) 光纖 Microstructured Fiber 微結(jié)構(gòu)光纖 中介質(zhì)折射率的周期性變化對光子的影響與自然晶體中周期性勢場對電子的影響相似: 一 電磁波經(jīng)周期介質(zhì)散射后,某些波段的電磁波會因破壞性干涉而呈指數(shù)衰減,無法在系統(tǒng)中傳播,從而在頻譜中形成類似于半導(dǎo)體 能 帶的光子帶隙(Photonic Band Gap,PBG),相應(yīng)色散關(guān)系也具有帶狀結(jié)構(gòu),形成光子能帶 (Photonic Band)。只有頻率對應(yīng)在光子能帶中的光才能在光子晶體中傳播否則會被禁止,這是 微結(jié)構(gòu) 最根本的特征。影響光子帶隙的主 要因素是光子品體的結(jié)構(gòu)和材料的折射率比。 在二十世紀末, 光子晶體概念的提出使人們像操縱電子那樣操縱光子成為可能,為光子集成的產(chǎn)生提供了理論依據(jù),具有重大的理論意義和應(yīng)用前景。 微結(jié)構(gòu)光纖優(yōu)點: 微結(jié)構(gòu)光纖的一個顯著優(yōu)點是其由單一材料構(gòu)成(通常是石英),因此,在微結(jié)構(gòu)光纖中不存在由摻雜石英纖芯和純石英包層構(gòu)成的傳統(tǒng)光纖所面臨的熱應(yīng)力問題。所以,即使溫度發(fā)生很大變化,微結(jié)構(gòu)光纖的基本傳輸特性也不會受到影響 , 這一特性非常符合光纖傳感器的要求。微結(jié)構(gòu)也給干涉型 光纖傳感器帶來了益處,因為它已在實驗室中展現(xiàn)出超強的雙折射效 應(yīng)以及與之對應(yīng)的保偏能力。微結(jié)構(gòu)光纖帶來的好處還表現(xiàn)在高功率激光器或放大器應(yīng)用所需要的包層泵浦光纖或雙包層光纖的生產(chǎn)領(lǐng)域。現(xiàn)今正在使用的大多數(shù)包層泵浦光纖是由石英聚合物組成的,其優(yōu)點是制作過程相對簡單,具有大的多模數(shù)值孔徑 (NA),這有利于采用錐形光纖束合成多個高功率泵浦二極管輸出的光束。與石英聚合物混合結(jié)構(gòu)相比,全石英結(jié)構(gòu)可獲得更好的操作性和更長的壽命,而代價只是 NA 略微減小。相比而言,微結(jié)構(gòu)光纖除了具備石英聚合物光纖所有的性能優(yōu)點外,還具備全石英結(jié)構(gòu)的易用性和可靠性。 微結(jié)構(gòu) 光纖的分類 微結(jié)構(gòu) 光纖分類依據(jù)不同, 微結(jié)構(gòu) 光纖有不同的分類。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點, 微結(jié)構(gòu)光纖 可分為實芯 微結(jié)構(gòu)光纖 和空芯 微結(jié)構(gòu)光纖 。而按導(dǎo)光機制的不同 微結(jié)構(gòu) 光纖主要分為兩大類 : 折射率導(dǎo)光型 微結(jié)構(gòu) 光纖和光子能隙導(dǎo)光型 微結(jié)構(gòu) 光纖。折射率導(dǎo)光型 微結(jié)構(gòu)光纖 是通過周期性缺陷的纖心折射率 ( 石英玻璃 ) 和周期性包層折射率 ( 空氣 ) 間的差別讓光能夠在纖芯中傳播此種結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖 導(dǎo)光機理依然是全內(nèi)反射 , 但其與常規(guī) G. 652 光纖有所不同由于包層包含空氣 , 空芯 微結(jié)構(gòu)光纖 的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長小,所以此類光纖也稱為改進的全內(nèi)反射光纖。另外,這種光纖對包層 中氣孔的排列及尺寸要求不是很嚴格包層中可以不存在光子 能 帶實現(xiàn)起來也相對容易 , 目前多數(shù)關(guān)于 微結(jié)構(gòu)光纖 的應(yīng)用研究都基于這種光纖。 光子能隙導(dǎo)光型 微結(jié)構(gòu)光纖 可以理論上通過求解光波在 微結(jié)構(gòu) 中的本征方程 , 導(dǎo)出實芯和空芯 微結(jié)構(gòu)光纖 的傳導(dǎo)條件 , 即光子能隙導(dǎo)光理論。它與折射率導(dǎo)光型 微結(jié)構(gòu)光纖 的區(qū)別在于纖芯引入了折射率低于包層材料的空缺 , 由于光子 能 帶效應(yīng)此種光纖中光是在空氣孔中而非在石英中傳播,特定頻率的光場以各不相 同的角度進入光纖遇到光子 能 帶是無法穿越而被反射回來因此只能沿著空氣通道傳輸。 圖 折射率傳導(dǎo)光型 微結(jié)構(gòu)光纖 圖 光子能隙導(dǎo)光型 微結(jié)構(gòu)光纖 圖 折射率傳導(dǎo)光型微結(jié)構(gòu)光纖 , 光子能隙導(dǎo)光型微結(jié)構(gòu)光纖 Indexguiding Microstructured Fiber , Photonic band gapMicrostructured Fiber 微結(jié)構(gòu) 光纖的主要特性 MF 靈活設(shè)計的微孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其具有許多奇異的特性 , 這樣有效地擴展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。 , 微結(jié)構(gòu) 光纖在其空氣孔徑與孔間距之比小于 時,無論什么波長都能單模傳輸,與傳統(tǒng)光纖隨著纖芯尺寸的增加會出現(xiàn)多模化的特性相比;似乎不存在截止波長 ,這就,是無截止單模傳輸特性。 PCF 可在從藍光到 2um 的光波下單模傳輸, 且與光纖的絕對尺寸無關(guān),所以通過改變空氣孔間距來調(diào)節(jié)模場面積。小模場有利于非線性產(chǎn)生,大模場可防止發(fā)生非線性。這有利于提高或降低光學(xué)非線性,可用在低非線性通信用光纖,高光功率傳輸?shù)确矫妗? , 就 微結(jié)構(gòu) 光纖的結(jié)構(gòu)特征來說,它對波導(dǎo)色散有較高的控制性 . 只要改變孔徑與孔間距之比,即可達到很大的波導(dǎo)色散,還可使光纖總色度色散達到所希望的分布狀態(tài),例如零色散波長可以向短波大大推進,具有優(yōu)良性質(zhì)的色散平坦(數(shù)百 nm 帶寬范圍接近零色散 )等等。 , 在光子能隙導(dǎo)光 MF 中,可以通過減小光纖的模場面積 (或者減小 MF 纖芯空氣孔直徑 )增強單位有效面積上的光強,從而增強非線性效應(yīng),使光子 微結(jié)構(gòu)光纖 同時具備強非線性和快速響應(yīng)的特性。這一特性為制造大有效面積 MF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 , 在 MF 中通過改變其包層結(jié)構(gòu)可制出高雙折射 效應(yīng)的 MF,只要破壞光子晶體光纖剖面的圓對稱性,使其成為二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強的雙折射。實際中可通過減少一些空氣孔,或者改變一些空氣孔的尺寸來獲得高的雙折射特性。 微結(jié)構(gòu) 光纖的發(fā)展概況 在 微結(jié)構(gòu) 光纖的發(fā)展過程中,英國 Bath大學(xué)的 的研究小組起到了重要的推動作用。 1996年, 子 晶體包層的 微結(jié)構(gòu) 光纖,這種光纖以未經(jīng)摻雜的石英玻璃作為基底材料,包層具有按三角形柵格周期排列的空氣孔,并在纖芯處通過缺失一個空氣孔引 入缺陷。盡管在這種光纖中,光被局限在石英纖芯中傳導(dǎo),然而進一步的研究表明,這種光纖不存在光子帶隙,包層中存在的空氣孔使包層的有效折射率低于纖芯,從而形成類似于普通階躍光纖的基于折射率引導(dǎo)型波導(dǎo)。 盡管在折射率引導(dǎo)型 微結(jié)構(gòu) 光纖中,并沒有發(fā)現(xiàn)光子帶隙效應(yīng),但卻具有許多獨一無二的性質(zhì),比如無截至波長單模傳導(dǎo)、可設(shè)計的色散特性和模場尺寸以及高數(shù)值孔徑等等。特別是由于這種光纖的傳導(dǎo)機制與光子帶隙無關(guān),因此其包層結(jié)構(gòu)不需要遵循嚴格的周期排列,這大大提高了光纖設(shè)計的靈活性。 在隨后的研究中,學(xué)者們不斷設(shè)計和拉制出具有各種 幾何結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的基于折射率引導(dǎo)的 微結(jié)構(gòu)光纖 ,例如:通過使光纖橫截面的兩個正交方向上空氣孔的排列不對稱,可以設(shè)計出高雙折射的保偏光纖,甚至只有一個偏振模式的絕對單模光纖;利用空氣和石英之間折射率差大的特點,減小光纖模場面積,從而獲得高非線性光纖;只保留光纖包層中最里面一層的空氣孔,并使其直徑盡可能大,制造出了柚子光纖,在柚子光纖的空氣孔中可以灌入聚合物材料,從而可以制成可調(diào)諧光纖器件。 在折射率引導(dǎo) 微結(jié)構(gòu) 光纖獲得廣泛關(guān)注的同時 , 的研究小組也沒有停止對光子帶隙光纖的研究。 1998 年, Knight等人又首先制造出蜂窩包層結(jié)構(gòu)的光子帶隙光纖 , 這種光纖包層具有蜂窩型空氣孔排列結(jié)構(gòu)形成光子帶隙,纖芯處通過引入一個額外的空氣孔形成缺陷,使纖芯的有效折射率小于包層,光被光子帶隙效應(yīng)限制在纖芯空氣孔周圍呈環(huán)形的石英區(qū)域中。對光子帶隙的研究表明,蜂窩形結(jié)構(gòu)比三角形結(jié)構(gòu)排列的空氣孔包層更容易在低空氣填充率下出現(xiàn)光 子 帶隙,并且具有一定的魯棒性,這是蜂窩型光子帶隙光纖被首先拉制出來的原因。但是早期研究的蜂窩形包層光子帶隙光纖由于包層空氣填充率低,在這種光纖中傳導(dǎo)的光,能量主要分布在石英中,且基模光場呈環(huán)形,不 易與其它器件耦合,所以沒有得到廣泛的應(yīng)用。 光子帶隙光纖的傳導(dǎo)與纖芯的折射率無關(guān),因此光可以被約束在空氣纖芯中傳導(dǎo),這也是光子帶隙光纖最吸引人的特點之一。最早的空氣傳導(dǎo)光子帶隙光纖于 1999年由 Cregan等人制造,光纖包層具有三角形排列的空氣孔結(jié)構(gòu),在拉制過程中去除中心 7個毛細管形成一個更大的空氣孔缺陷作為纖芯,其包層空氣填充率足 夠高從而保證光 子 帶隙支持空氣傳導(dǎo)模式。空氣傳導(dǎo)光子帶隙光纖在高功率光傳輸、氣體非線性研究以及微觀粒子傳導(dǎo)等方面具有重要的價值。 20xx 年, Bouwmans 等 人報導(dǎo) 的 PBGMF 損耗降為200dB/km; 20xx 年, Matos 等人報導(dǎo)的 PBGMF 損耗降為50dB/km;同年, Smith 等人在《自然》雜志上報導(dǎo)的 PBGMF損耗進一步降為 10dB/km ; 20xx 年,在 OFC’20xx 上,Blazephotonics 公司報導(dǎo)了損耗為 ;同年, 公司報導(dǎo)了在損耗為 dB/km 的 PBGMF,非常有應(yīng)用價值的是,這種光纖的傳輸帶寬超過 1000nm。預(yù)計不久的將來, PBGMF 的損耗可以做到比 TIRMF 還要低。 20xx 年,悉尼大學(xué) 報導(dǎo)了他們使用塑料制作的單模 MF、高雙折射 MF、雙芯MF 以及 PBGMF 光纖。 20xx 年 8 月,悉尼大學(xué)還報導(dǎo)了采用特殊工藝研制的摻雜激活粒子的塑料光纖,并利用該光纖研制了光纖放大器和光纖激光器。目前, MF 已經(jīng)商用化,國際上知名的廠家包括: Crystalfibre 公司、 Blazephotonic 公司等??蒲腥藛T利用 MF,已經(jīng)開發(fā)出許多具有優(yōu)良性能的光學(xué)器件。 Lee 等人研制了 “ 高 SBS 闞值的 FWM波長轉(zhuǎn)換器 ” ,實現(xiàn)了 10am帶寬的 10Gb/s不歸零信號的無誤差高效率波長轉(zhuǎn)換;日本的 Abedin 等人采用高雙折射 MF 制成了 10GHz、 10ps 反饋鎖模光纖激光器,這種激光器在 1535nm~ 1560nm 范圍內(nèi)能產(chǎn)生 10ps 的脈沖。丹麥的 Paulsen等人用鈦藍寶石飛秒振蕩器和一根短的 MF 制成了相干反 stokes拉曼散射 (CARS)顯微鏡,這種顯微鏡的分辨率達到亞微米級別,甚至可以檢測到分子振蕩。美國加州大學(xué) Wang 等人利用 MF 研制的 OCT,在 1100nm 波長處具有縱向分辨率為 ,這是目前在此波長處獲得的最高分辨率。丹麥理工大學(xué)的 Siahlo 等人利用 50m 長 MF 構(gòu)成的非線性光學(xué)環(huán)路鏡實現(xiàn)了對 160Gb/s 號的無誤 差分離,這將在光的時分復(fù)用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。日本的 Yusoff等人采用鎖模摻鉺光纖環(huán)形激光器發(fā)出的鄧孤子脈沖,入射到高非線性 MF 中,通過 SPM 效應(yīng)把孤子脈沖 10dB 帶寬從 3nm 展寬 到 25nm,然后利用陣列波導(dǎo)光柵把產(chǎn)生的超連續(xù)譜分為 36個 3dB帶寬 的信道,可以為 WDM 系統(tǒng)提供理想光源。 20xx 年,Nilsson 等人報導(dǎo)了連續(xù)光泵浦的波長在 1060nm 的 MF 拉曼激光器,該激光器的閾值為 5w,斜率效率為 70%。 20xx 年,德國的 等人用摻的大模雙包層 MF 獲得了高達 260W 的單橫模激光輸 出
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