《国内光子晶体光纤的制造技术、应用研究现状》由会员分享，可在线阅读，更多相关《国内光子晶体光纤的制造技术、应用研究现状（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二届中国通信光电线缆产业高峰论坛既中周光纡光缆3 0 年大会国内光子晶体光纤的 制造技术、应用研究现状李进延陈伟蒋作文彭景刚李海清罗文勇烽火通估科技股份有限公司光纤研发郑摘要：光子晶体光纤由于其相对于常规光纤独特的性能和较高的设计自由度受到越来越广泛的关注，这些独特的性能使光子晶体光纤在光纤激光器、光源、色散补偿、光传感及其它新型光子晶体光纤器件中有广泛的应用前景。国内对光子晶体光纤的研究总体上落后于国际先进水平，但差距并不大，在国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 项目的支持下，多家高校和科研机构从光纤设计、制备技术和应用技术等多方面进行了系统深入的研究。本文分析了国内光子晶体光纤制
2、造技术及高非线性光子晶体光纤、色散补偿光子晶体光纤和有源光子晶体光纤的研究现状和发展方向。一、引言近年来，光子晶体光纤也称微结构光纤或多孔光纤由于其相对于常规光纤独特的性能和较高的设计自由度受到越来越广泛的关注。光予晶体光纤具备许多独特而新颖的物理特性，如：可控的非线性、可调节的奇异色散、低弯曲损耗、无尽单模特性与大模场等特性，这些特性是常规石英单模光纤所很难或无法实现的。随着光子晶体光纤制造工艺技术的进步，光子晶体光纤的各种指标已经取得了突破性进展，各种光子晶体光纤新产品应运而生。它不仅应用到常规光通信技术领域，而且广泛地应用到光器件领域，如：高功率光纤激光器、光纤放大器、超连续光谱、色散补
3、偿、光开关、光倍频、滤波器、波长变换器、孤子发生器、模式转换器、光纤偏振器、医疗、生物传感等领域，具备广泛的应用前景。本文将分析国内光子晶体光纤相关领域的研究进展，提出国内光子晶体光纤相关技术的发展趋势和方向。二国内光r 晶体光纤的研究现状分析总体上国内光子晶体光纤相关领域的研究起步较晚，在在国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 项目( 新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究) 的支持下，由北京邮电大学、武汉邮电科学研究院( 烽火通信科技股份有限公司) 、清华大学、天津大学、南开大学等单位从光子晶体光纤结构设计、制备技术、器件应用技术等方面进行了系统深入的研究，迅速缩
4、小了与国际先进水平的差距，具体叙述如下：1 光子晶体光纤制造技术光子晶体光纤的制造技术不同于常规光纤制造工艺技术，国内外基本没有光子晶体光纤工艺技术的细一1 3 2 第二膳巾幽通信光电线缆产业高峰论坛暨中囝j 匕纤光缆3 0 年人会节报道。但是总体来说，光子晶体光纤制造技术土耍包括：毛细管聚束拉始法、人直径预制棒钻孔法、熔融挤出法、溶胶凝胶法等。聚束拉丝法山丁| 其有设计灵活、操作方便、容易实现复杂结构等优势而被广泛采用。2 0 0 4 年初武汉邮电科学研究院在9 7 3 I 自目的支撑r 开展了诎结构光i T 的研究T 作形成r 自I知识产权的微结构光纤制造技术 二开发了系列的光子晶体光纤产
5、晶如：高* 线性光了晶体光纤、袖子型光敏微结构光纤、色散补偿光子晶体光纤、双色层掺镱微结构光纤、掺铒微结构光纤、般折射微结构光纤、大模场微结构光纤、卒芯激光传输微结构光纤、P B G 光r 带隙光子晶体光纤、F T T H 用微结构光纤等l O 余种微结构光纤，申请发明专利7 项。研制的光子晶体光纤挺供给，田内的科研院所和大学进行了基础应用研究工作，如提供给天律大学的高非线性光子d 体光纤，获得了从4 0 0 n m 1 4 0 0 n m 的超连续光满；提供给南开人学的柚子型光敏微结构光纤进行了多波K 光纤光栅的刻弓：提供给清华大学的光r 品体光纤进行了色散补偿，他们都取得了可弃的成果，我们
6、的台怍取得了共同的技术进步。并在项目规定的任务外进行了当前F T T I I 技术发胜需求的微结构光纤研究，取得了较大的技术进步。武汉邮电科学研究院研制的光子晶体光纤见图1 图9 。图一l 大模塥P C F固一2 高非线性P C F图一3 丌T H 抗弯M o F图一4 色散补偿P C F图一5 空芯P C F图一6 柚子光载N O F图- 7 救芯P C F图一8 保偏P C F图一9E b 珊- P C F聚束拉丝法( s t a c ka n dd r a w i n g ) ，就是将多根高纯毛细管事先排列成定的点阵结构，将其固化成为徽结构光纤预制件然后在拉丝设备上将微结构光纤预制件一次
7、性直接拉制成徽结构光纤或者拉制成一定尺寸的微结构中间体，然后再经过套管调整拉制成各种不同规格的微结构光纤。在把大尺寸微结构光纤预制件拉制成微米级的微结构光纤的工艺过程中，具有空气孔阵列排布的毛细管将会发生一定的几何尺寸变化。为了更好地控制空气孔点阵在拉丝过程中的结构，需要建立微结构光纤拉丝精密控制技术，为此，选择毛细管内外压力作为调控因子，建立如图1 0 所示的微结构光纤拉丝压力控制系统。第二届中图通信光电线缆一业高峰论坛暨巾凼光纤光缆3 0 年大会图1 0 光于晶体光纤压力控制系统2 高非线性光子晶体光纤光纤的非线性效应在光开关、放大器、波分复用和波K 变换以及超连续谱产生方面有着，一泛的应
8、用，何由于常规光纤的非线性系数较小，限制了相关器件的发展。而光予晶体光纤可以有非常优越的非线性效应，其有救面积可以比常规高非线性光纤减小1 个数量级以上，凼此具有很高的非线性系数。对于要求光纤具有高非线性折射率的应用来说具自相当吸引力，并且可以降低相关器件的成奉，在未来大容量全光通信上有广阔的应用前景。| 司时l “下光子晶体光纤的色散可通过结构设计来进行调整，设计合适的零色散点和色散曲线，这对于光纤非线性特性的应用更为有利。因此高| | = 线性光子晶体光纤是最接近实用化的光子晶体光纤之。武汉邮电科学研究院烽火通信科技股份有限公司于2 0 0 5 年制造出高非线性光了晶体光纤( 端面结构如图
9、2 ) ，该非线性光子晶体光纤纤芯直径16 5 u r a ，非线性系数达1 1 2 2w 一1k ml 。天滓大学利用这种光纤将能量为5 n J 、重复频率为1 0 0 M H z 、中心波K 为8 0 0 r i m 的3 0 f s 的钛蓝宝石激光脉冲耦台入2 米长的该高非线性光子晶体光纤中，其频率变换与超连续谱如下图儿图1 2 所示，并成功获得了4 5 0 n m 1 4 0 0 n m 超连续光谱。| 冬| 11高作线性光予品体光纤的频率变换1 3 4第三届中国通信光电线缆产业高峰论坛暨中饲光纤光缆3 0 年大会图1 2 高非线性光子晶体光纤色散与超连续光谱3 、色散补偿光子晶体光纤
10、色散是光纤通信系统中的重要参数，它限制了光通信系统的的传输速率。光于晶体光纤的出现，为光通信系统的色散补偿提供了良好的色散管理工具。正是由于改变空气孔的点阵和大小，光子晶体光纤的色散和色散斜率会急剧地改变，因此光于晶体光纤在色散补偿中的应用受到了国内外学者的广泛关注。FG 6 r 6 m e 等设计了一种双芯的光子晶体光纤，其负色散系数为1 0 0 0 0p s ( a mk m ) 。H u t t u n e n 等报道了一种具有高折射率纤芯双芯光子晶体光纤，色散系数为5 9 0 0 0p s ( i l mk m ) ，并且能够实现1 0 5 n m 的宽带色散补偿。H u t t u
11、n e n 还提出了一种有效面积为8 0pm 2 ，内芯折射率为l5 ，外芯折射率为l3 8 5 9 的烈芯光r晶体光纤，其1 5 5 0 n m 的色散系数为1 6 0 0p s ( n mk m ) ，补偿带宽达3 3 0 n m ，实现整个C + L 波段( 1 5 3 0 n m i 6 2 5 n m ) 的色散补偿。可见光子晶体光纤在色散补偿领域具备超儿能力，这预示光于晶体光纤在未来的W D M 以及D W D M 高速犬容量系统中的色散补偿将扮演着越来越重要的角色。烽火通信科技股份有限公司与清华大学合作开展了色散补偿型光纤晶体光纤的研究并取得了良好的成果( 端面结构如图4 ) 。
12、这种光予晶体光纤在c b a n d 有接近8 0 0p s ( n mk m ) 的色散值，如图1 3 为该光纤的群时延和色散曲线。相关成果已发表在O P T I C SE X P R E S S f l O F C 2 0 0 7 上。( I )7圈1 3 色散补偿型光子晶体光纤的群时延( a ) 和色散曲线( b )1 3 5El甚o0；“j16tl第：届中【玉| 通信光电线缆产业高峰论坛暨中国光纤光缆3 0 年大会4 ，有源光子晶体光纤光子晶体光纤具有规则排列着空气孔的二氧化硅阵列构成的包层，光纤的核心是由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体二氧化硅，也可以是空气孔。
13、光子晶体光纤与传统光纤相比有许多特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。首先，光子晶体光纤具有极低的损耗、色散, n t l E 线性。克服了传统孽模光纤的本征吸收和瑞利散射，避免了模式色散和材料色散，大大降低了非线性。其次光子晶体光纤的截止波长很短，可在近紫外到近红外全波段维持单模运转，使单模工作波段向短波方向扩展了6 0 0 - - 7 0 0 n m 。光子晶体光纤的可控的周期性折射率变化使它在无源和有源器件中有着广泛的应用前景。特别是其模场面积的可大可小被开发为新的光纤激光器和光纤放大器。双包层掺镱光子晶体光纤就是利用光子晶体光纤的特性在光纤内包层内沿轴向排列了有序或无序的空气孔。通过
14、引入这些空气孔可以有效提高光纤的激光输出光束质量，另外可以有效解决常规双包层掺镱光纤中的热问题。对于常规光纤而言单模运行的条件是归一化频率矿：孚口2 2 2 4 0 5其中，a 为纤芯半径，n 。和力幽拗般分别为纤芯和包层的折射率。对于一定纤芯的光纤如果提高其光束质量就必须要降低纤芯折射率从而降低纤芯数值孔径，但是由于材料的限制和波导结构的限制，常规双包层掺镱光纤很难实现纤芯的低数值孔径( 一般来说极限为0 0 6 ) ，而实现低数值孔径就与掺杂浓度、效率等很难兼顾。而对双包层掺镱光子晶体光纤来说，由于内包层中引入了周期排列的小孔其单模运行条件为归一化频塞= 孚属1 2 万巧五2 丽 兀其中人
15、为相邻气孔间距，n c o r e Q ) 和刀出铀增Q ) 分别为纤芯和包层的有效折射率，由于周期性排列的小孔的作用可以有效降低纤芯数值孔径( 可以降低到0 0 3 ) 。双包层掺镱光子晶体光纤与常规双包层掺镱光纤的另一个主要区别是双包层掺镱光子晶体光纤以比内包层中的空气孔更大的气孔来实现内包层的高数值孔径而不采用低折射率涂料。增大内包层尺寸的数值孔径有利于简化泵浦光的耦合和传输更大的泵浦光功率，通过增大数值孔径，内包层的可传输功率将以平方增加。常规的双包层掺镱光纤采用低折射率的聚合物作为外包层，使内包层具有较大的数值孔径。一般内包层的折射率为0 3 8 ，采用更低折射率的聚合物涂料则可以达
16、N o 4 6 甚至0 6 0 ，但是用低折射率的聚合物涂料其缺点是，一方面由于应用于光纤激光器时需要对双包层光纤进行端面处理，低折射率涂料容易在端面处理时损伤，引起对泵浦光的较大吸收而造成端面的烧毁：另一方面，低折射率涂料的作用是将泵浦光束缚在内包层中，在传输过程中泵浦光在外包层即低折射率涂料的表面上不断反射，尽管这种聚合物对泵浦光的吸收较小，但在高功率激光器中这也是一个不可忽视的问题；第三，尽管采用低一1 3 6 第脑中国通信光电线缆产业高峰论坛旺中国光纤光缆3 0 年大会折射率涂料可以使内包层具有较高的数值孔径但由于这种聚台物本身的性质，其折射率的降低也很有限；此外低折射率聚合物涂料的价格怍常昂贵。而双包层掺镱光子晶体光纤由于采用卒气孔作为外包层因此在很大程度卜可以解决以上问冠，在理论上可以实现内包层数值孔径在1 以上。烽火通信科技股份有限公司在国家萤大安全项目“激光光纤的科学制各”和总装预研项日“高功率双包层有源光纤”的支持下十2 0 0 6 年开展了有源光u f 晶体
