光子晶体光纤的研究现状及其在光纤通信中的应用
科技信息
1.光子晶体光纤概述
1987年,Yablonovitch在研究材料的辐射特性时[1],S. John在研究光
子局域态随折射系数的变化关系时[2],分别发现介电常数呈周期性变化
的结构会使材料中光子模的性质发生变化,从而分别提出了“光子晶体”
的概念。1991年,Russell根据根据光子晶体传光原理提出了光子晶体
光纤的概念[3],1996年,英国的南安普顿大学的 J.C.Knight等人研制出
世界上第一根 PCF[4]。光子晶体光纤(PCF)又称为多孔光纤(HF),微结构
光纤(MOF),光子带隙光纤...
科技信息
1.光子晶体光纤概述
1987年,Yablonovitch在研究材料的辐射特性时[1],S. John在研究光
子局域态随折射系数的变化关系时[2],分别发现介电常数呈周期性变化
的结构会使材料中光子模的性质发生变化,从而分别提出了“光子晶体”
的概念。1991年,Russell根据根据光子晶体传光原理提出了光子晶体
光纤的概念[3],1996年,英国的南安普顿大学的 J.C.Knight等人研制出
世界上第一根 PCF[4]。光子晶体光纤(PCF)又称为多孔光纤(HF),微结构
光纤(MOF),光子带隙光纤(PBGF),其中,PCF,HF,MOF是根据光纤的结
构来定义的,而 PBGF则是根据光纤的光学性质来定义的。与传统的光
纤不同,光子晶体光纤的包层为沿轴向规则排列着空气孔的石英光纤
阵列,纤芯则由一个破坏了包层周期性结构的缺陷组成。纤芯的缺陷可
以是折射率高于包层的材料,也可以是低于包层的材料。
根据导光机制的不同,可以将光子晶体光纤分为折射率引导型光
子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。前者的纤芯是高折射率的材
料,它利用中心缺陷区和缺陷区外周期性结构区之间的有效折射率差
将光子局域在高折射率的纤芯中,传输机理仍然是全内反射,但由于包
层含有气孔 与传统光纤的“实芯”熔融硅包层不同,并且这种光子晶体
光纤具有一些传统的全反射光纤所不具备的特性,因而把这种导光机
制成为改进的全内反射;后者纤芯的折射率低于包层,传输机理是利用
包层对一定波长的光形成光子带隙,光只能在缺陷中存在和传播。
2.光子晶体光纤的传输特性
2.1色散特性
色散是指不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传
播的物理现象。色散导致光脉冲在传播过程中展宽,致使前后脉冲相互
重叠,引起数字信号的码间串扰。在光纤传输理论中,由不同的物理机
理引起的色散有两类:波长色散和模式色散。
对光子晶体光纤而言,由于它可以由同一种材料制成,所以纤芯和
包层可以做到完全的力学和热学匹配,使得纤芯和包层间的折射率差
不会因为材料的不相容而受到限制。包层的有效折射率是波长的函数,
导致光场在包层中的分布出现了新的变化,因而产生了零色散波长可
调,近零超平坦色散,高负色散等不同于传统光纤的色散特性。
西班牙的 Ferrando等人早在 2000年就报道了他们关于近零超平
坦色散的研究结果,通过选择 d和Λ的值,可以在 1.52um为中心的
543nm波长范围内得到色散 D=+1ps/(nm.km)的 PCF(d≈0.73um,Λ≈
3.02um);在 428nm范围内得到 D=±0.5ps/(nm.km)的色散值(d≈0.63um,
Λ≈2.64um)[5]。
在纤芯中掺杂也可以改变 PCF的零色散波长,试验发现,对于空气
孔直径 d为 0.345um,空气孔间距Λ为 2.3um的 PCF,掺杂浓度 C为 7%,
掺杂半径 r 从 0um 变为 0.75um 时,零色散波长从 1.474um 变为
1.653um。当 d=0.558um,Λ=2.62um,C=3% ,r=1um 时,在 1430nm 到
1700nm波长范围内,可得到超低超平坦的色散。这种超宽带低色散的
PCF在波分复用通信系统中具有重要的应用价值。
为了克服色散对通信容量的限制,可以采用适当的技术补偿光纤
的色散,使色散导致的光信号的传输畸变减至最少。补偿光纤的负色散
值越大,所需要的光纤长度就越小。经过合理
其包层的几何结构
后,光子晶体光纤不但可以在单一波长下得到很大的负色散值,而且在
较宽的波长范围内也可以取得理想的色散效果。Birks等人的研究表明[7],
在 PCF中可以实现 - 2000ps/(nm.km)的色散,也就是说这种光纤能够对
长度为其 100倍的普通光纤进行色散补偿。
2.2无截止单模特性
在传统的阶跃光纤中,光纤的归一化频率定义为
V=k0 a(n
2
s - n
2
cl )
1
2
(1)
式中:ns———光纤芯层的折射率
ncl———光纤包层的折射率
a———光纤芯层半径
光纤的单模传输条件为 0
2.613nsa 2Δ姨 时,光
纤才是单模的,波长小于此截止波长的光波在光纤中为多模传输。
应用有效折射率模型,得到光子晶体光纤包层的有效折射率后,我
们可以定义一个等效的归一化频率为:
Veff=k0 a(n
2
s - n
2
eff )
1
2
(2)
式中:ns———光纤芯层的折射率
neff———包层的有效折射率
a———光纤芯层半径
有效折射率的大小与包层的结构和传输光波的波长有关。当波
长减小时,光束截面向纤芯收缩,这样就会使得有效折射率增加,导致
纤芯和包层的折射率差减小,使得 Veff在波长减小时可以趋向于一个固
定的值,这样就使得当波长减小时可以满足 Veff<2.405,从而能维持较短
波长的单模传输。适当设计包层的参数就可以在任意波长上满足单模
传输条件,试验发现,对于中心缺陷一个空气孔的 PCF,当Λ=10um
(Λ———两相邻空气孔的中心距),d/Λ≈0.45(d———空气孔的直径)时,可
实现单模传输;中心缺陷三个空气孔时,当Λ=6um,d/Λ≈0.25时,可实
现单模传输[8]。
2.3高双折射效应
传统的保偏光纤是基于高双折射光纤的,常采用的有制作非
圆截面光纤、非轴对称性的纤芯折射率分布。制作高双折射光纤一般需
要引入形状双折射或者应力双折射,这样会使它的工艺难度和制作成
本大大增加。但是对于光子晶体光纤来说,我们可以通过改变它的包层
结构参数来使其具有高双折射性。
3.研究光子晶体光纤的理论模型
3.1有效折射率法
有效折射率模型采用的是普通阶跃光纤的分析方法,并合理的略
去光子晶体光纤的细节,利用几个关键的参数从整体上描述光子晶体
光纤的结构特点。
目前使用的有效折射率法有标量有效折射率法(SEIM)和全矢量有
效折射率法(FVEIM)。这两种方法相比较而言,标量有效折射率法适用
于弱波导近似的情况。随着空气填充比的增加,由于纤芯和基空间填充
模之间的折射率差增大,标量有效折射率的准确性将降低。在波长较短
时,两种方法得到的差异不大,但是随着波长的增加,差异变得明显,原
因是由于纤芯和包层的有效折射率差依赖于波长。在纤芯和包层有效
折射率较大的情况下,FVEIM所得到的结果会更精确些。
3.2时域有限差分法
该方法在分析弱导光纤时很有效,可以大大节省计算机内存和计
算时间;采用这种方法可以直接在数值空间模拟电磁波的传播以及它
与物体的相互作用过程,有效的应用于设计具有特定色散和偏振特性
的光子晶体光纤。
3.3超格子法
超格子法将 PCF的横向介电常数表示为两种周期性结构叠加,这
两种周期性结构分别用余弦函数或正弦函数展开;同时将横向电场按
厄密·高斯函数分解展开。利用正交函数的性质,将全矢量波动方程转
化为矩阵本征值问题,可求得光子晶体光纤的模式、特性、色散特性、偏
光子晶体光纤的研究现状及其在光纤通信中的应用
莱芜职业技术学院 王松红
[摘 要]自J.C.Knight等人研制出世界上第一根PCF以来,有关这方面的研究成为热点。本文综述了光子晶体光纤的导光原理、
传输特性和理论研究模型,探讨了其在光纤通信中的应用,最后对其发展作了展望。
[关键词]光子晶体 光子晶体光纤 光纤通信
专题论述
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振特性等。
3.4多极法
多极法是在分析传统多芯光纤的多极公式的基础上发展起来的,
这种方法具有精确度高、收敛快、可以处理各种光纤几何参数变化的情
况的特点。不过该法一般只适用于圆形空气孔,并且对于我们不熟悉的
光纤几何结构进行模式分析很困难。
3.5有限元法
有限元法通过将具体问题化为等价的泛函形式来求解,把光纤分
成许多具有相同性质的单元,对每一单元运用离散的麦克斯韦方程,再
在这些单元的边界上加上连续性条件,来计算具有任意结构的光子晶
体光纤。
利用有限元方法分析的优势在于能够对具有任笃意形状、大小以
及分布的光子晶体光纤进行求解,而最近发展起来的利用曲线 /边界
节点有限元的全矢量有限元法则更加可以避免伪解,很精确的分析光
子晶体光纤的多种性质[10]。
除以上方法外,还有多重散射法、平面波法、局域函数法、频域有限
差分法、多元法等。
4.光子晶体光纤在光纤通信中的应用
4.1色散补偿光纤
普通色散补偿光纤的纤芯和包层之间的折射率差较小,所以其色
散补偿能力差,而 PCF的纤芯和包层之间的折射率差较大,所以具有很
强的色散补偿能力。
C.Peucheret等人利用 5.6Km的 PCF线路进行工作波长为 1550nm
的 40Gbit/s的传输实验中,利用 PCF的非线性效应四波混频制作了光
相位共轭器进行色散补偿,将光相位共轭器与 2.6Km和 3Km的 PCF链
路级联时,通过光相位对前后两段 PCF进行色散补偿,使得整条 PCF
的色散的累计之和为零。
由于 PCF的优良的色散补偿性能,使其有望代替普通的色散补偿
光纤成为新一代色散补偿光纤。
4.2作为光信号传输媒质
目前 PCF已进入实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段,K.
Tajima等人于 2003年通过改进 PCF的制作工艺,制成了在 1550nm波
长处衰减为 0.3dB/km长度超过 10km的超低衰减的 PCF,并利用他们
所设计出的超低衰减的 PCF成功的进行了 8 10Gbit/s的波分复用传输
试验,证明了 PCF在实际的通信系统中使用的可行性 [11]。2004年,K.
Nakajima等人利用他们所研制的 Λ=5.6um,d/Λ=0.5 的零色散波长在
850~1550nm的超低衰减的 60孔 PCF进行了 19×10 Gbit/s的波分复用
传输实验,证实了这种 PCF可以在 850nm波段实现单模传输,并且没
有明显的模式延迟[12]。
4.3光纤激光器和光纤放大器
通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围
为 1~1000um2的 PCF,使得 PCF在光纤激光器和光放大器研制中比 G.
652光纤具有更大的优势。2000 年,英国 Bath 大学的 Wadsworth 和
Knight等第一个实验报道了连续波的掺镱光子晶体光纤激光器,实验
中泵浦功率为 300mw,耦合效率为 40%时,最大实现了 18mw的激光输
出,激光阈值小于 10mw[13]。
4.4拉曼放大器
基于目前传统光纤的拉曼放大器所用光纤长度少则几公里,多则
几十公里,这不仅增加了设计拉曼光纤放大器的复杂性,而且由于瑞利
散射噪声的影响,限制了放大器系统性能的进一步提高。可以通过灵活
调整包层中空气孔的大小、形状、树木及分布情况,可方便的改变包层
有效折射率,从而设计成小模场面积的 PCF,可提供比传统光纤的每单
位长度高 10~100倍的非线性系数,这使得开发新一代短长度的紧凑、
高效的拉曼放大器提供了可能。2002年,Yusoff和 Lee等报道了第一个
光子晶体光纤拉曼放大器[14];在 2002年世界光纤通信会议上,Fuochi和
Poli等第一次报道了连续波泵浦的波长在 1060nm的光子晶体光纤拉
曼激光器,该激光器的阈值为 5W,斜率效率为 70%[15]。
传统光纤拉曼放大器中存在瑞利散射影响严重、必须根据线路的
实际使用光纤情况进行设计、灵活性差等缺点,光子晶体光纤拉曼放大
器不仅具有传统光纤拉曼放大器的所有优点,还可以克服以上缺点,这
对于光纤通信系统具有非常重要的意义。
4.5脉冲压缩
超短光脉冲是未来超高速光通信系统所必不可少的,为此通常采
用孤子效应压缩来获取超短脉冲,压缩用的非线性介质一般是色
散位移光纤(DSF)。若想得到重复率 10GHz的脉宽 2ps左右的短脉冲,
需要的常规色散位移光纤的长度通常都在数公里以上,即使采用高非
线性色散位移光纤,也需要 60~500米。由于小芯径、高色散值的 PCF的
零色散波长在可见光附近同时具有高非线性和大的负色散特性,利用
它进行孤子压缩可以大大减小所需光纤的长度。目前的技术仅需要 10
米长的保偏光子晶体光纤就可以得到 10GHz输出功率为 16mw的
1.26ps脉冲。
除此之外,已经取得研究进展的光子晶体光纤与光纤通信的相关
应用还有光波长变换、连续谱发生器、光纤光栅等。
在光纤通信领域中,光子晶体光纤具有传统光纤无法比拟的优越
性,尤其是在长途通信系统中。其极低的损耗保证了信号的长距离传
输;极低的非线性效应保证了信号的保真度;全波段的单模工作为波分
复用系统提供了信道资源;零色散波长的人为控制避免了信号的相互
串扰。
5.展望
光子晶体光纤的出现对于光纤及光纤通信、光纤器件等领域是一
个重大的突破,在其传输理论方面,还需要进行深入的研究。随着对其
理论研究的深入及制作工艺的成熟,光子晶体光纤将在未来的光纤通
信领域中发挥越来越重要的作用。
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