光子晶体及色散补偿

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1、光子晶体光纤及色散补偿一 简介光子晶体光纤 (Photonio Crystal Fiber，简称 PCF)正是基于光子晶体技术发展起来的新一代传输光纤，它实质上是一种二维光子晶体，其概念最早由英国 Bath大学的 Russell等于 1992年提出，并于 1996年首次研制成功.此后，PCF发展十分迅速。目前，人们己能研制满足不同应用要求的 PCF.与传统光纤相比，PCF 技术具有无法替代的优势，可望在光波传输与通信、光传感、光信号处理等领域获得全新的应用，因而越来越受到人们的重视，己成为当今纤维光学以及相关学科的研究热点。PCF具有许多传统光纤不具备的优良特性，如:它具有在很宽的波长范围内的

2、单模传输特性而且只要空气孔足够小那么它就不存在截止波长；对激光脉冲的展宽；通过改变光子晶体光纤截面空气孔的排序和大小可灵活地设计色散和色散斜率，提供色散补偿；光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到 1m 以下；利用中空光子晶体光纤可实现超低损耗传输；其非线性光学效应可通过改变纤芯面积控制；特别是对于 PCF的结构可调的色散特性的理论和实验研究引起了人们的极大兴趣。众所周知，光通信的发展离不开光电子器件的发展，光通信中的许多传输器件要求具有良好的色散特性，光纤的高阶色散导致的啁啾直接影响到光脉冲的传输，同时也影响到光孤子的形成以及光脉冲的压缩。此外，全球业务量的飞速增长促使光纤通信容量和速率大幅

3、度提高。宽带高速波分复用(WDM)系统带来的要求是:传输光纤在通信波段上的色散系数应接近零，而且色散曲线应十分平坦。PCF 的色散曲线可以受包层结构的控制而加以调整，从而能够设计出在通信波段上的近零色散平坦曲线。由于导光机制的不同，PCF 可分为以下两种类型:折射率传导型 PCF和利用光子禁带效应实现导光的 PCF。折射率传导型 PCF(index-guidingPCF)的芯区为实心，包层为多层空气孔。由于芯区折射率高于包层等效折射率，其导光机制可类似全内反射(total internal reflection， TIF)原理。第二类 PCF实现导光则完全基于光子禁带(photonic ban

4、d-gap，PBG) 效应。第二类 PCF的包层必须具有严格的周期性，且空气孔的直径要较大，才能出现完整的二维光子带隙。在特定的波长上，光可以在低折射率的芯区内传导。折射率传导型 PCF是目前研究最多的一类 PCF，这种 PCF包层为空气孔阵列，芯区通常由缺失空气孔造成的缺陷形成。图 1给出了几种折射率传导型 PCF。折射率传导型 PCF的导光机制类似传统光纤的全内反射原理，它并不要求包层空气孔的严格周期性排列。因而这种 PCF的包层结构具有很大的可调控性，空气孔的间距和大小可以根据需要灵活改变，从而使 PCF具有许多优良的光学性能。 图 1 折射率传导型 PCF光子带隙型 PCF，也称为空芯

5、 PCF(Hollow core PCF，HC-PCF)，典型结构如图 2所示。PCF 的中心一般为一直径较大的空气孔，形状通常为圆形，包层则为周期性排列的空气孔阵。HC-PC 能将光局域在中心的空气区并实现传导，其原理是基于严格的光子带隙效应。当 PCF包层空气孔具有严格周期性，且孔的尺寸较大时，会在某些频率范围内出现完整的二维光子带隙。在这些频率所对应波长上的光波是不能在周期性包层结构中传播的，而只能在中心的空气区中传播。利用 HC-PCF可以实现对色散的有效控制。由于 HC-PCF的芯区通常为空气，其色散参量主要依赖于波导结构。通过改变包层空气孔的间距和大小，可以控制 HC-PCF色散参

6、量的大小和分布。在非线性方面，由于光场集中分布于空气区域，HC-PCF 具有极低的低非线性。此外，中空的芯区允许在光强度最高的波导区引入气体或液体等物质，从而增强了光和物质的相互作用，同时保持较长的有效作用长度。图 2 空心 PCF二 光子晶体光纤的制造光子晶体光纤通常采用毛细管堆砌拉制方法制造。制造过程与普通光纤类似分为两个步骤，首先制造预制棒，然后在拉伸塔中把宏观尺度的预制棒拉伸成光纤。预制棒通常是由空心的石英毛细管和实心的石英棒按照要拉制的光纤结构堆砌而成。由于在堆砌过程中，这些毛细管和石英棒的排列方式可以灵活选择，也可以掺杂其它离子，所以能够很方便的制造出各种结构的光子晶体光纤。光纤的

7、最终形状不仅与预制棒的结构有关，还可通过控制拉制参数显著改变。这些参数包括:炉子的温度、预制棒进入炉子的速度和拉制速度。同样的预制棒可以产生光学性质完全不同的光纤。三关于光子晶体光纤的色散补偿近年来,由于光子晶体光纤(PCF)新奇的光学特性,引起了人们的广泛关注,尤其是PCF 可以在一个很宽的波长范围控制它的色散特性,使其成为一种新型的色散补偿光纤。而C波段(15301565nm)是掺铒光纤放大器工作的波段,是目前光纤通信中应用最多的波段,因此在这一波段设计具有高负色散系数及与SMF（单模光纤）色散斜率相补偿的宽带色散补偿光子晶体光纤(DCPCF),是很有意义的。在此就在C波段进行光子晶体光纤

8、的色散补偿研究。1.关于光纤色散由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传播过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为光纤色散。即：在光纤中传输光根据其波长以不同的速度传播就是色散，色散引起光通信系统脉冲展宽。根据色散现象的成因，由于在光纤中不同光波长的传输速率不同，则不同光波长的信号传过同样的距离所需的时间不同，这样就导致光信号在传输过程中产生了时延差。时延差越大，色散就越严重，因此时延差表示了色散的严重程度。光纤的色散，通常分为模间色散和模内色散两类。模间色散是由光纤中存在多个模式引起的；模内色散则是由单个模式中的成分的行为所发生的效果

9、引起的。模内色散又分为材料色散和波导色散还有偏振模色散。材料色散的产生是由于折射率与波长的相关性引起的，脉冲中具有不同波长的分量在光纤中会以不同的速度传播，进而以不同的时间到达接收器一端，这样就造成了脉冲展宽。作为一种波导，光纤具有导向作用，而波导色散正是由于光纤结构而产生的。在开路介质中，这种色散是不存在的。由于光纤的结构是在纤芯外面包裹一层包层构成的，当信号光进入光纤后，携带信息的光脉冲在纤芯和包层中间分布，其主要部分在纤芯中传播，但也有小部分是在包层中传播。因为纤芯和包层的材料介质不同，所以折射率不同，这就导致在这两部分中传播的光脉冲以各自不同的速度传播，从而产生色散。这种色散就称为波导

10、色散。光纤产生色散的根本原因就是光纤的纤芯和包层的不同折射率组合。对于偏振模色散，由于单模光纤中传输着两个相互正交的偏振模，在双折射效应下便产生偏振模色散。 2.光纤色散补偿原理光纤的总色散可由下式得到:（ ） =2()2(1)由于光纤的色散系数D随波长变化,因此在宽带色散补偿中,必须考虑对色散系数D和色散斜率D slope同时进行补偿, 宽带色散补偿条件为: D 1L1+ D2L2 =0, Dslope1 L1+ Dslope2 L2=0,其中L 1、D 1和D slope1为被补偿光纤的长度、色散系数和色散斜率,L 2 、D 2和D slope2为色散补偿光纤的相应参数。(2)11 =22

11、为此定义一个新的参数相对色散斜率(RDS) :(3)=(0)它表示器件对光纤色散和色散斜率同时补偿的能力。在光通信系统中一般要求色散补偿光纤与被补偿光纤的RDS值接近或相等。G.652光纤在C波段1550nm处的RDS值是0.0037 -1。在多信道多波长WDM系统中,实现宽带色散补偿需要在色散斜率和色散值之间找到一个平衡,两者均能兼顾为最佳。通常情况下,我们用补偿后的残余有效色散系数D e来评价色散补偿PCF的宽带色散补偿性能: (4)()=1()1+2()21+2其中,L 1、D 1分别为被补偿光纤的长度和色散系数 ,L2、D 2分别为色散补偿PCF 的长度和色散系数。为了使色散补偿PCF

12、能够完全补偿= 0处累积色散 , L1和L 2必须满足以下关系 :(5)=12=1(0)2(0)同时还需考虑有效模场面积：(6)=223.色散补偿光子晶体光纤目前被人们大量研究的双层芯色散补偿光子晶体光纤,它的原理是当波长达到相位匹配波长 p时,内芯的基模和外层芯的二阶模发生强烈耦合,导致在这一波长出现大负色散系数,色散曲线在这一波长出现一个凹陷区。由于这一凹陷区的出现,双层芯DCPCF在某一个波长对SMF进行色散补偿还行之有效,但若要在宽带范围实现补偿可利用的带宽就很窄了。考虑到SMF的色散曲线在C波段几乎是线性的,为了补偿SMF的色散斜率,只能利用凹陷区的左侧部分。所以在C波段这一相对较窄

13、的波段对SMF 实现色散及色散斜率补偿,双层芯DCPCF 还是最有效的手段之一。如图1 所示为双层芯PCF的端面图,d为空气孔直径 ,是包层孔孔间距 ,外层芯空气孔直径减小至d s。虽然双层芯光子晶体光纤的二阶模会产生正色散,但是当波长小于相位匹配波长 p时,二阶模的影响很小。所以在设计结构时,应使 p大于1565nm或更大。这样在C波段就只考虑基模色散。图1 双层芯PCF端面图应用多极法或有限元法进行数值模拟，分析外层芯层数或者是掺杂区半径R，然后对影响色散补偿光子晶体光纤的三个主要参数：包层空气孔间距 ,内层芯d/和外层芯ds /，它们的变化对D、D slope和D e 的影响，进而得出色

14、散补偿PCF的理想方案。现有的一个结果为：选取外层芯层数为6 层(第27层空气孔)DCPCF 的最优结构参数,当d/= 0.62 、ds /= 0. 444 ,= 1. 71m时,色散值在- 520 ps/(km.nm)和-390ps/(km .nm) 之间,相关色散斜率(RDS) 在0.0032nm-1的色散补偿光纤,其残余有效色散系数近似为零,1550 nm 处的RDS 值与标准单模光纤匹配,有效模场面积优于常规DCF,可以对其长度30倍、用于宽带传输的标准单模光纤进行色散和色散斜率补偿。对于低折射率芯PCF如图2：图2 低折射率PCF可以有结构参数分别为：d=0.06m,=2.0m,R=1.0m；d=0.56m ,=1.8m,R=1.0m； d=0.58m,=2.0m,R=1.0m的三种色散补偿PCF。