雙通道可調諧濾波器論文

1、畢業(yè)設計畢業(yè)設計 雙通道可調諧濾波器 Bragg 微結構光纖光柵的理論設計姓 名： 謝金彤 學 號： 08030065 班 級： 08 信息科學 2 專 業(yè)： 電子信息科學與技術 所在系： 電子信息工程系 指導教師： 苗銀萍副教授 天津理工大學中環(huán)信息學院天津理工大學中環(huán)信息學院本科畢業(yè)設計選題審批表本科畢業(yè)設計選題審批表屆：2012 系別：電子信息工程系 專業(yè)：電子信息科學與技術 學生姓名謝金彤學號08030065指導教師苗銀萍職稱副教授所選題目雙通道可調諧濾波器 Bragg 微結構光纖光柵的理論設計題目來源科學技術選題理由（選題意義、擬解決的問題、對專業(yè)知識的綜合訓練情況等，不少于 100

2、 字）：本課題旨在理論上設計了基于功能材料填充的波長位置和波長間隔可調諧的雙通道微結構光纖 Bragg 光柵濾波器。通過將功能材料填充入纖芯寫有 Bragg 光柵的高雙折射微結構光纖中，通過改變功能材料的折射率，從而改變光纖的雙折射特性，進而實現(xiàn)波長位置和波長間隔的可調諧濾波器。本課題涉及光電子學、新型光纖光子器件等領域。微結構光纖(Microstructured Fiber, MF)，又稱光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)，是近十年來光纖技術領域的研究熱點。由于微結構光纖具有傳統(tǒng)光纖無法提供的導光和控光特性，在諸多應用領域的研究也隨之展開，在光通信、光傳感、

3、光纖激光器、非線性光學、高功率光傳輸?shù)阮I域表現(xiàn)出潛在的應用前景。微結構光纖的空氣孔為填充各種材料提供了良好的載體，從而大大拓展了微結構光纖的應用。通過合理設計微結構光纖的結構和選擇合適的填充材料可以實現(xiàn)許多新的特性，可以用來實現(xiàn)各種光纖器件。本題目主要完成設計雙通道微結構光纖 Bragg 光柵濾波器的方法，實現(xiàn)波長位置和波長間隔的可調諧濾波器的技術。通過本課題的研究，可以使學生對所學知識如何應用到實踐中得到綜合訓練，為其進入社會，發(fā)揮專業(yè)特長打下堅實基礎。 指導教師意見（不少于 50 字）：課題設計有較高的技術性和可靠性要求，雖有一定的難度，但相關產品設計參考資料較豐富，通過學生的努力，能夠完

4、成初步的設計。題目符合專業(yè)方向，同意該生選題。指導教師簽名：2011 年 11 月 28 日系主任意見：簽字（或蓋章）： 年 月 日注：本表一式二份，一份附在畢業(yè)設計內，一份系內保存。天津理工大學中環(huán)信息學院天津理工大學中環(huán)信息學院本科畢業(yè)設計任務書本科畢業(yè)設計任務書題目：雙通道可調諧濾波器 Bragg 微結構光纖光柵的理論設計姓名 謝金彤 屆 2012 系別 電子信息工程系 專業(yè) 電子信息科學與技術指導教師 苗銀萍 職稱 副教授 下達任務日期 2011 年 11 月 18 日 一、畢業(yè)設計內容及要求1、課題說明微結構光纖(Microstructured Fiber, MF)，又稱光子晶體光纖

5、(Photonic Crystal Fiber，PCF) ，是近十年來光纖技術領域的研究熱點。由于微結構光纖具有傳統(tǒng)光纖無法提供的導光和控光特性，在諸多應用領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、高功率光傳輸?shù)阮I域表現(xiàn)出潛在的應用前景。微結構光纖的空氣孔為填充各種材料提供了良好的載體，從而大大拓展了微結構光纖的應用。通過合理設計微結構光纖的結構和選擇合適的填充材料可以實現(xiàn)許多新的特性，可以用來實現(xiàn)各種光纖器件。本課題旨在設計一種基于功能材料填充的波長位置和波長間隔可調諧的雙通道微結構光纖 Bragg 光柵濾波器。通過將功能材料填充入纖芯寫有 Bragg 光柵的高雙折射微

6、結構光纖中，通過改變功能材料的折射率，從而改變光纖的雙折射特性，進而實現(xiàn)波長位置和波長間隔的可調諧濾波器。2、基本要求（1）了解微結構光纖特性（2）掌握微結構光纖光柵的寫制技術（3）實驗上掌握微結構光纖光柵的填充技術（4）實驗和理論上分析該器件的調諧特性。3、其它要求（1）查找相關資料，了解課題要求。（2）掌握光纖熔接機的手動熔接方法。（3）空氣孔光子晶體光纖的結構及基本知識。（4）掌握光子器件的調諧技術。（5）了解微結構光纖的帶隙結構和導光特性參考文獻1 廖延彪. 光纖光學.清華大學出版社, 北京 2000.2 Li E, Wang X, Zhang C. Fiber-optic tempe

7、rature sensor based on interference of selective higher-order modes. Applied Physics Letters, 2006, 89(091119): 1-33 王志. 光子晶體光纖及其功能器件的研究: 南開大學博士學位論文. 南開大學，2005.4 C.-H. Lee, C.-H. Chen, C.-L. Kao, et al. Photo and electrical tunable effects in photonic liquid crystal fiber. Opt. Express, 2010, 18 (3)

8、: 2814-28215 羅濤，光子晶體光纖光柵在生物和化學傳感器領域研究進展，激光與光電子進展，2009, 116 Chehura E, James S, Tatam R. Temperature and strain discrimination using a single tilted fibre Bragg grating. E. Chehura et al. Optics Communications, 2007, 275: 344-3477 Sun J, Chan C.C, Tan K.M, Dong X.Y, Shum P. Application of an artifici

9、al network for simultaneous measurement of bending curvature and temperature with long period fiber gratings. Sensors and Actuators A, 2007, 137: 262-2678 饒云江, 王義平, 朱濤. 光纖光柵原理及應用. 科學出版社, 北京 2005.9 Wang Zhu, Chiang Kin Seng, and Liu Qing. Microwave photonic filter based on circulating a cladding mode

10、 in a fiber ring resonator. Optics Letters, 2010, 35(5): 769-77110 X. Zhang, R. Wang, F. M. Cox, et al. Selective coating of holes in microstructured optical fiber and its application to in-fiber absorptive polarizers. Optics Express, 2007, 15 (24): 16270-1627811 T. T. Alkeskjold and A. Bjarklev. El

11、ectrically controlled broadband liquid crystal photonic bandgap fiber polarimeter. Opt. Lett., 2007, 32 (12): 1707-170912 W. Yiping, J. Wei, J. Long, et al. Optical switch based on a fluid-filled photonic crystal fiber Bragg grating. Optics Letters, 2009, 34 (23): 3683-3685二、畢業(yè)設計進度計劃及檢查情況記錄表序號起止日期計劃

12、完成內容完成情況指導教師簽名檢查日期12011 年 11 月18 日至 2011年 11 月 30 日確定畢設選題，明確研究方向22011 年 12 月 1日至 2011 年 12月 15 日查閱資料，了解相關研究領域32011 年 12 月16 日至 2011年 12 月 31 日查閱文獻，學習基礎理論 42012 年 1 月 4 日至 2012 年 1 月 12 日建立理論分析模型52012 年 2 月 20 日至 2012 年 3 月 5 日確定畢設實驗設計方案62012 年 3 月 6日至 2012 年 3月 20 日按照實驗方案初步展開實驗72012 年 3 月 21 日至 2012

13、 年 4月 1 日實驗結果分析82012 年 4 月 2 日至 2012 年 4月 15 日結合理論分析實驗結果92012 年 4 月 16 日至 2012 年 4月 30 日重復并改進實驗方案102012 年 5 月 1日至 2012 年 5 月 14 日總結并分析所有實驗結果112012 年 5 月 15 日至 2012 年 5 月 25 日完成并修改畢設初稿122012 年 5 月 26日至 2012 年 6月 1 日完成畢設的寫作，準備答辯注：1、表中“完成情況”、“ 指導教師簽名”欄目要求用黑（藍）筆填寫，其余各項內容要求打印。2、畢業(yè)設計任務書一式二份，一份附在畢業(yè)設計內，一份系內

14、保存。天津理工大學中環(huán)信息學院天津理工大學中環(huán)信息學院本科畢業(yè)設計開題報告本科畢業(yè)設計開題報告屆：2012 系別：電子信息工程系 專業(yè)：電子信息科學與技術畢業(yè)設計題目雙通道可調諧濾波器 Bragg 微結構光纖光柵的理論設計學生姓名謝金彤學號08030065指導教師苗銀萍職稱副教授課題的意義課題的意義本課題旨在理論上設計了基于功能材料填充的波長位置和波長間隔可調諧的雙通道微結構光纖 Bragg 光柵濾波器。通過將功能材料填充入纖芯寫有 Bragg 光柵的高雙折射微結構光纖中，通過改變功能材料的折射率，從而改變光纖的雙折射特性，進而實現(xiàn)波長位置和波長間隔的可調諧濾波器。本課題涉及光電子學、新型光纖

15、光子器件等領域。微結構光纖(Microstructured Fiber, MF)，又稱光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF) ，是近十年來光纖技術領域的研究熱點。由于微結構光纖具有傳統(tǒng)光纖無法提供的導光和控光特性，在諸多應用領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、高功率光傳輸?shù)阮I域表現(xiàn)出潛在的應用前景。微結構光纖的空氣孔為填充各種材料提供了良好的載體，從而大大拓展了微結構光纖的應用。通過合理設計微結構光纖的結構和選擇合適的填充材料可以實現(xiàn)許多新的特性，可以用來實現(xiàn)各種光纖器件。國內外發(fā)展狀況國內外發(fā)展狀況填充材料的折射率直接影響帶隙的位置和

16、寬度，研究者們通過填充溫敏聚合物來實現(xiàn)溫度可調的帶隙微結構光纖，或者采用液晶來實現(xiàn)電調諧。液晶具有許多特殊的光學性質，所以在微結構光纖的填充實驗中被廣泛采用和研究。由于填充材料遠離纖芯，光纖的導光雖然受到材料的影響，但是仍然維持折射率傳導。2002 年，朗訊 OFS 實驗室的 B. Ryan 等人首先報道了通過向折射率引導型微結構光纖的包層空氣孔填充高折射率而使其成為帶隙傳導的微結構光纖。這一研究結果具有重大的意義，它使得越來越多的人開始關注這種基于材料填充的光子帶隙微結構光纖(Liquid filled bandgap MF，LFBG-MF)，使得填充研究成為微結構光纖研究領域的一個熱點。本

17、課題的研究內容本課題的研究內容基于功能材料填充的波長位置和波長間隔可調諧的雙通道微結構光纖 Bragg 光柵濾波器的設計，有以下幾項研究內容：（1）了解微結構光纖特性（2）掌握微結構光纖光柵的寫制技術（3）實驗上掌握微結構光纖光柵的填充技術（4）實驗和理論上分析該器件的調諧特性。研究方法研究方法采用理論與實驗相結合的，結合導波光學的基本原理，分析在光在光纖中的傳輸特及應用；掌握光纖熔接機的手動熔接方法；掌握光纖光子器件的填充與調諧技術；將實驗結果與理論相比較并調試。研究步驟研究步驟（1）查找相關資料，了解課題要求。（2）掌握理論基礎并能夠理論模擬。（3）根據(jù)實際要求設計器件參數(shù)。 （4）能夠優(yōu)

18、化設計光子器件。參考文獻參考文獻1 廖延彪. 光纖光學.清華大學出版社, 北京 2000.2 Li E, Wang X, Zhang C. Fiber-optic temperature sensor based on interference of selective higher-order modes. Applied Physics Letters, 2006, 89(091119): 1-33 王志. 光子晶體光纖及其功能器件的研究: 南開大學博士學位論文. 南開大學，2005.4 C.-H. Lee, C.-H. Chen, C.-L. Kao, et al. Photo and

19、electrical tunable effects in photonic liquid crystal fiber. Opt. Express, 2010, 18 (3): 2814-28215 羅濤，光子晶體光纖光柵在生物和化學傳感器領域研究進展，激光與光電子進展，2009, 116 Chehura E, James S, Tatam R. Temperature and strain discrimination using a single tilted fibre Bragg grating. E. Chehura et al. Optics Communications, 200

20、7, 275: 344-3477 Sun J, Chan C.C, Tan K.M, Dong X.Y, Shum P. Application of an artificial network for simultaneous measurement of bending curvature and temperature with long period fiber gratings. Sensors and Actuators A, 2007, 137: 262-2678 饒云江, 王義平, 朱濤. 光纖光柵原理及應用. 科學出版社, 北京 2005.9 Wang Zhu, Chiang

21、 Kin Seng, and Liu Qing. Microwave photonic filter based on circulating a cladding mode in a fiber ring resonator. Optics Letters, 2010, 35(5): 769-771指導教師意見（不少于 50 字）課題基于功能材料填充的波長位置和波長間隔可調諧的雙通道微結構光纖 Bragg光柵濾波器，涉及光電子學、新型光纖光子等領域。該生能夠積極查閱資料做前期準備工作，同意該生開題 指導教師簽名：2012 年 1 月 6 日注：本表一式二份，一份系內留存，一份發(fā)給學生，最后裝

22、訂在畢業(yè)論文中。 雙通道可調諧濾波器雙通道可調諧濾波器 Bragg 微結構光纖光柵的理論設計微結構光纖光柵的理論設計摘要微結構光纖，又稱光子晶體光纖。微結構光纖的空氣孔為填充各種材料提供了良好的載體，通過合理設計微結構光纖的結構和選擇合適的填充材料可以實現(xiàn)許多新的特性，可以用來實現(xiàn)各種光纖器件。使得越來越多的人開始關注這種基于材料填充的光子帶隙微結構光纖。基于功能材料填充的波長位置和波長間隔實現(xiàn)可調諧的雙通道微結構光纖 Bragg 光柵濾波器。將功能材料填充入纖芯寫有 Bragg 光柵的高雙折射微結構光纖，分析在光在光纖中的傳輸特及應用；掌握光纖熔接機的手動熔接方法；掌握光纖光子器件的填充與調

23、諧技術；將實驗結果與理論相比較并調試。通過改變填充功能材料的折射率，從而改變光纖的雙折射特性，進而實現(xiàn)波長位置和波長間隔的可調諧濾波器。可應用在光通信、光傳感、高功率光傳輸?shù)阮I域。關鍵詞：微結構光纖；光子晶體光纖；光子帶隙微結構光纖；光纖 Bragg 光柵The Theory Design of Double Channel Tunable Filter Bragg Microstructure Optical Fiber GratingABSTRACTMicrostructure fiber, also known as a photonic crystal fiber. The air h

24、oles of the microstructure fiber to fill a variety of materials provides a good carrier, through the rational design of micro-fiber structure and selection of suitable fill material can achieve a lot of new features can be used to achieve a variety of fiber optic devices. More and more people starte

25、d to pay attention to the micro-structure of the photonic bandgap fiber-based material filled.Filled based on functional materials, wavelength and wavelength spacing tunable dual-channel micro-structure fiber Bragg grating filter. Functional materials filled into the core to write a microstructure f

26、iber Bragg grating high birefringence analysis in the light transmission characteristics and application in optical fiber; master Fiber Fusion Splicer manual welding method; master fill fiber photonic devices and tuning techniques; The experimental results are compared with the theoretical and debug

27、ging.By changing the refractive index of the filling function material, thus changing the birefringence of the fiber, so as to realize the wavelength and wavelength spacing of the tunable filter. Can be applied in the field of optical communications, optical sensing, high-power optical transmission.

28、Key Words:Microstructured Fiber;Photonic Crystal Fiber;Liquid filled bandgap MF;Bragg grating目錄第一章緒論.11.1 微結構光纖簡介 .11.1.1 微結構光纖的基本概念.11.1.2 微結構光纖的分類.21.1.3 微結構光纖的主要特性.31.1.4 微結構光纖的發(fā)展概況.41.2 微結構光纖光柵的研究現(xiàn)狀 .81.2.1 普通光纖光柵.81.2.2 微結構光纖光柵.81.3 微結構光纖光柵的特性 .91.3.1 光柵特性.91.3.2 光纖光柵的分類.111.4 基于微結構光纖光柵相關器件的概述

29、.131.5 本畢業(yè)設計的主要內容 .14第二章微結構光纖光柵的理論研究方法和寫制技術.162.1 微結構光纖的理論研究方法 .162.2 光纖光柵的理論研究方法 .192.3 光柵寫制方法 .25第三章雙通道可調諧 Bragg 微結構光纖光柵的理論設計.293.1 高雙折射微結構光纖 Bragg 光柵的研究背景.293.2 微結構光纖光柵與空氣孔填充技術結合的研究背景 .303.3 一種雙通道可調諧 Bragg 微結構光纖光柵的理論設計.31第四章總結與展望.36參考文獻.37致謝.38天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢業(yè)設計說明書1第一章緒論微結構光纖(Microstructur

30、ed Fiber,MF)，又稱光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)，是近十年來光纖技術領域的研究熱點。由于微結構光纖具有傳統(tǒng)光纖無法提供的導光和控光特性，在諸多應用領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、高功率光傳輸?shù)阮I域表現(xiàn)出潛在的應用前景。1.1 微結構光纖簡介1.1.1 微結構光纖的基本概念眾所周知，自然晶體(如半導體)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，導致電子的色散關系呈帶狀分布，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))的介質材料按照自然體的周期結

31、構排布，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微結構材料，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成，通過這些微小空氣孔對光的約束實現(xiàn)光的傳導，不同空氣孔填充率及排列分布的空氣硅包層微結構光纖。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造出很多結構的微結構光

32、纖來從而可設計出具有不同特性的微結構光纖來滿足不同的需要。圖 1.1 微結構光纖Fig.1.1 Microstructured Fiber微結構光纖中介質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：一電磁波經周期介質散射后，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體能帶的光子帶隙(Photonic Band Gap,PBG)，相應色散關系也具有帶狀結構，形成光子能帶(Photonic Band)。只有頻率對應在光子能帶中的光才能在光子晶體中傳播否則會被禁止，這是微結構最根本的特天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢

33、業(yè)設計說明書2征。影響光子帶隙的主要因素是光子品體的結構和材料的折射率比。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，為光子集成的產生提供了理論依據(jù)，具有重大的理論意義和應用前景。微結構光纖優(yōu)點：微結構光纖的一個顯著優(yōu)點是其由單一材料構成（通常是石英），因此，在微結構光纖中不存在由摻雜石英纖芯和純石英包層構成的傳統(tǒng)光纖所面臨的熱應力問題。所以，即使溫度發(fā)生很大變化，微結構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。微結構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以及與之對應的保偏能力。微結構光纖帶來的好處還表現(xiàn)在高

34、功率激光器或放大器應用所需要的包層泵浦光纖或雙包層光纖的生產領域。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構相比，全石英結構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，微結構光纖除了具備石英聚合物光纖所有的性能優(yōu)點外，還具備全石英結構的易用性和可靠性。1.1.2 微結構光纖的分類微結構光纖分類依據(jù)不同，微結構光纖有不同的分類。根據(jù)其結構特點，微結構光纖可分為實芯微結構光纖和空芯微結構光纖。而按導光機制的不同微結構光纖主要分為

35、兩大類：折射率導光型微結構光纖和光子能隙導光型微結構光纖。折射率導光型微結構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構的微結構光纖導光機理依然是全內反射，但其與常規(guī)G. 652 光纖有所不同由于包層包含空氣，空芯微結構光纖的小孔尺寸比傳導光的波長小，所以此類光纖也稱為改進的全內反射光纖。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)關于微結構光纖的應用研究都基于這種光纖。光子能隙導光型微結構光纖可以理論上通過求解光波在微結構中的本征方程，導出實芯和空芯微結構光纖的傳導條件，

36、即光子能隙導光理論。它與折射率導光型微結構光纖的區(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。天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢業(yè)設計說明書3圖 1.2.1 折射率傳導光型微結構光纖圖 1.2.2 光子能隙導光型微結構光纖圖 1.2 折射率傳導光型微結構光纖，光子能隙導光型微結構光纖Fig.1.2 Index-guiding Microstructured Fiber , Photonic band gap-Microstructu

37、red Fiber1.1.3 微結構光纖的主要特性MF 靈活設計的微孔結構導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用領域。1.無截止單模，微結構光纖在其空氣孔徑與孔間距之比小于 0.2 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?；奶匦韵啾?；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，所以通過改變空氣孔間距來調節(jié)模場面積。小模場有利于非線性產生，大模場可防止發(fā)生非線性。這有利于提高或降低光學非線性，可用在低非線性通信用光纖，高光功率傳輸?shù)确矫妗?.靈活的色度色散，就微結構光纖

38、的結構特征來說，它對波導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)良性質的色散平坦(數(shù)百 nm 帶寬范圍接近零色散)等等。3.良好的非線性效應，在光子能隙導光 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，使光天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢業(yè)設計說明書4子微結構光纖同時具備強非線性和快速響應的特性。這一特性為制造大有效面積 MF 奠定了技術基礎。4.高雙折射效應，在 MF 中通過改變其包層結構可制出

39、高雙折射效應的 MF，只要破壞光子晶體光纖剖面的圓對稱性，使其成為二維結構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。1.1.4 微結構光纖的發(fā)展概況在微結構光纖的發(fā)展過程中，英國Bath大學的R.J.Russell領導的研究小組起到了重要的推動作用。1996年，R.J.Russell小組的J.C.Kinght等人首次制造了具有光子晶體包層的微結構光纖，這種光纖以未經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，然而進一步的研究表明，這種光

40、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型波導。盡管在折射率引導型微結構光纖中，并沒有發(fā)現(xiàn)光子帶隙效應，但卻具有許多獨一無二的性質，比如無截至波長單模傳導、可設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機制與光子帶隙無關，因此其包層結構不需要遵循嚴格的周期排列，這大大提高了光纖設計的靈活性。在隨后的研究中，學者們不斷設計和拉制出具有各種幾何結構和光學特性的基于折射率引導的微結構光纖，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；

41、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，從而可以制成可調諧光纖器件。在折射率引導微結構光纖獲得廣泛關注的同時，R.J.Russell 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構的光子帶隙光纖，這種光纖包層具有蜂窩型空氣孔排列結構形成光子帶隙，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

42、結構比三角形結構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用。光子帶隙光纖的傳導與纖芯的折射率無關，因此光可以被約束在空氣纖芯中傳導，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構，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

43、光子帶天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢業(yè)設計說明書5隙支持空氣傳導模式。空氣傳導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等方面具有重要的價值。2002 年，Bouwmans 等人報導的 PBG-MF 損耗降為 200dB/km；2003 年，Matos 等人報導的 PBG-MF 損耗降為 50dB/km；同年，Smith 等人在自然雜志上報導的PBG-MF 損耗進一步降為 10dB/km；2004 年，在 OFC2004 上，Blazephotonics 公司報導了損耗為 1.7dB/km 的 PBG-MF；同年，Crystal.Fibre 公司報導了在損耗為 1

44、.0 dB/km的 PBG-MF，非常有應用價值的是，這種光纖的傳輸帶寬超過 1000nm。預計不久的將來，PBG-MF 的損耗可以做到比 TIR-MF 還要低。2003 年，悉尼大學報導了他們使用塑料制作的單模 MF、高雙折射 MF、雙芯 MF 以及 PBG-MF 光纖。2004 年 8 月，悉尼大學還報導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 已經商用化，國際上知名的廠家包括：Crystal-fibre 公司、Blazephotonic 公司等?？蒲腥藛T利用 MF，已經開發(fā)出許多具有優(yōu)良性能的光學器件。Lee 等人研制了“高 SBS

45、 闞值的 FWM 波長轉換器”，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 1535nm1560nm 范圍內能產生 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 Wang 等人利用 MF 研制的 OCT，在 1100nm 波長處具有縱向分辨率為 1.3um，這是目前在此波長處獲得的最高分辨率。丹麥理

46、工大學的 Siahlo 等人利用 50m 長 MF 構成的非線性光學環(huán)路鏡實現(xiàn)了對 160Gb/s 號的無誤差分離，這將在光的時分復用領域具有重要應用。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 效應把孤子脈沖 10dB 帶寬從 3nm展寬到 25nm，然后利用陣列波導光柵把產生的超連續(xù)譜分為 36 個 3dB 帶寬 0.63m 的信道，可以為 WDM 系統(tǒng)提供理想光源。2002 年，Nilsson 等人報導了連續(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%。2003 年，德國的

47、 J.Limpert 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，這標志著 MF 激光器已經達到并正在超越普通雙包層光纖激光器的水平。越來越多的人開始關注這種基于材料填充的光子帶隙微結構光纖(Liquid filled bandgap MF,LFBG-MF)，使得填充研究成為微結構光纖研究領域的一個熱點。在國內，燕山大學侯藍田教授領導小組率先開始拉制微結構光纖方面的研究，他們拉制了各種具有單結構、多結構和多束集成式的微結構光纖，在理論和實驗方面研究了這些光纖的性質，并將這些光纖應用于超連續(xù)產生，獲得了非常好的實驗效果。天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢業(yè)設計說

48、明書6圖 1.3.1 微結構光纖發(fā)展表圖 1.3.2 結構光纖的發(fā)展圖 1.3 微結構光纖發(fā)展Fig.1.3 Microstructured Fiber development天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢業(yè)設計說明書71.微結構光纖的制作方法光子晶體光纖通常采用毛細管堆砌拉制方法制造。制造過程與普通光纖類似分為兩個步驟，首先制造預制棒，然后在拉伸塔中把宏觀尺度的預制棒拉伸成光纖。預制棒通常是由空心的石英毛細管和實心的石英棒按照要拉制的光纖結構堆砌而成。由于在堆砌過程中，這些毛細管和石英棒的排列方式可以靈活選擇，也可以摻雜其它離子，所以能夠很方便的制造出各種結構的微結構光纖。光纖

49、的最終形狀不僅與預制捧的結構有關，還可通過控制拉制參數(shù)顯著改變。這些參數(shù)包括：爐子的溫度、預制棒進入爐子的速度和拉制速度。同樣的預制棒可以產生光學性質完全不同的光纖。2.具體方法：（1）取一根直徑為30mm的石英棒, 沿其軸線方向上鉆一條直徑為16mm的孔，隨后將石英棒研磨成一個正六棱柱。（2）把該石英棒放在2000的光纖拉絲塔中，將它拉成直徑為0.8mm的細長正六棱柱絲。（3）把正六棱柱絲切成適當長度的若干段，然后堆積成需要的晶體結構，再把它們放到拉絲塔中熔合、拉伸，使內部空氣孔的間距減小到50Lm左右，形成更細的石英絲。（4）在以上工作的基礎上，把上述石英絲高溫拉伸，形成最后的光子晶體光纖

50、。在以上3個階段的拉伸過程中，晶胞減少了104數(shù)量級以上，最后形成的光子晶體的孔間距在2Lm左右。光子晶體光纖沿著石英絲的軸向均勻排列著空氣孔，從光子晶體光纖的橫切面看,存在著周期性的二維結構。如果核心處引入一個多余的空氣孔，或者在應該出現(xiàn)空氣孔的地方由均勻硅代替，從而在光子晶體中引入一個“缺陷”為核心。 圖1.4.1 光子晶體微結構 圖1.4.2 微結構光纖截面 圖 1.4.3 中間無空氣孔的典型微結構結構 圖 1.4.4 中間有空氣孔的微結構結構圖 1.4 微結構光纖的制作Fig.1.4 Microstructure optical fiber production天津理工大學中環(huán)信息學院

51、 2012 屆本科畢業(yè)設計說明書81.2 微結構光纖光柵的研究現(xiàn)狀1.2.1 普通光纖光柵1978 年，加拿大通訊研究中心(CRC,anadian Research Centre )的 K.O.Hill 及其合作者首次從接錯光纖中觀察到了光子誘導光柵。Hill 的早期光纖是采用 488nm 可見光波長的氛離子激光器，通過增加或延長注入光纖芯中的光輻照時間而在纖芯中形成了光柵。后來 Meltz 等人利用高強度紫外光源所形成的干涉條紋對光纖進行側面橫向曝光在該光纖芯中產生折射率調制或相位光柵。1989 年 G.Melts 報道了從光纖的側面用激光的干涉曝光制作了光纖光柵，使光纖光柵得到迅速發(fā)展。1

52、993 年 K.O.Hill 提出的相位掩模制造法使光纖光柵的制造技術得到重大發(fā)展，使光纖光柵的大批量制造成為可能。光纖光柵是一種重要的光電子器件，已經被廣泛應用于光通信和傳感等領域中。光子晶體光纖和傳統(tǒng)的光纖光柵技術結合為制造新型的光纖光柵提供了條件，同時也擴展了光子晶體光纖激光器、通信器件以及傳感等領域的應用。Eggleton等人采用傳統(tǒng)的相位掩模紫外寫入法在纖芯摻鍺的光子晶體光纖中制造了Bragg光柵和長周期光柵。利用光子晶體光纖包層中空氣孔結構，可以對這些光纖中纖芯傳導的基模和包層模之間的光柵諧振特性進行控制使光柵具有多個諧振峰。特別是通過在寫制光柵的光子晶體光纖空氣孔中填充折射率溫度

53、敏感的聚合物材料，可以對光柵的諧振波長進行調節(jié)。G.Kakarantzas等人用熱處理的方法在光子晶體光纖中寫入了長周期光柵。這種方法利用C02激光器的熱效應使光纖包層中的空氣孔出現(xiàn)周期性坍縮，導致光纖傳導模式的有效折射率發(fā)生周期變化從而形成光柵?；谙嗤脑鞾.Zhu采用點對點的方法用C02激光器在光子晶體光纖寫制了超短長度長周期光柵和應變不敏感長周期光柵。此外，J.H.Lim等人利用施加應力的方法也在光子晶體光纖中研制了可調諧長周期光柵。這種方法已經被應用于制造基于光子晶體光纖的可調諧Math.Zehnder干涉儀。1.2.2微結構光纖光柵微結構光纖比當前使用的光纖具有潛在的超級特性，在

54、1996年，Iercore 還處在光纖開發(fā)的早期階段，當時有大量的潛力特性等待開發(fā)利用。在研究中，他們發(fā)現(xiàn)要實現(xiàn)可行的商業(yè)化制造過程，光纖必須具備足夠的牢固性和可靠性，以實現(xiàn)方便的操作和連接這一點非常重要。同時，他們也意識到材料成分、基礎結構和附屬產品都需要與光纖同步開發(fā)，才能使光纖產品獲得成功。一項技術最終能否在實用化方面獲得成功，除了技術本身的屬性外，其相關產品的質量和可用性也至關重要。即使技術成熟，但是如果相關的支持技術不能幫助其走向實用化，那么這一技術通常也會失敗。無論一種光纖如何優(yōu)越，如果沒有實用性的元件支持不能使其投入商用，那么它的價值也是微乎其微，今天的微結構光纖也毫不例外。微結

55、構光纖要真正在實際應用中發(fā)揮其潛在的性能優(yōu)勢，必須要使相關元件和附屬產品具有相當?shù)目煽啃院蛯嵱眯?。天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢業(yè)設計說明書9微結構光纖(MOF)按其導波模式分類，可分為光子帶隙型和全內反射型。由于其具有許多奇異的波導特性和色散特性，引起了人們極大的興趣。由于PCF的損耗比傳統(tǒng)光纖高，同時由于其昂貴的制作成本，限制了PCF在遠距離通信中的廣泛應用，但是基于PCF的各種可調諧功能器件卻得到了飛速的發(fā)展。這種功能器件首先被Eggleton報道，高折射率的液體被動態(tài)的填充到柚子型微結構光纖中，從而得到了透射性能可調諧的功能器件。后來，Bise等人在單芯PCF中填充高折射

56、率的油，得到了帶隙可調諧的功能器件。最近液晶被填充到PCF中，由于液晶具有獨特的電特性和熱敏特性，可對PCF的導光特性進行開關調諧。特別是1999年，MOF光柵首先利用光敏光纖紫外曝光法被寫制成功，隨后利用電弧放電技術誘導法、二氧化碳激光加熱法、聲波誘導法和壓力誘導法所寫制的MOF光柵被相繼報道。同時人們對MOF光柵的透射頻譜特性和模場特性進行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)許多新奇的特性。PCF和傳統(tǒng)的光纖光柵寫入技術結合為制造新型的光纖光柵提供了良機。自1999年B.J.Eggleton等人首次報道在PCF上寫入光纖布喇格光柵和長周期光纖光柵以來，光子晶體光纖光柵(PhotonicCrystalFibe

57、rGrating，PCFG)方面的研究備受人們關注。PCFG具有異于傳統(tǒng)的光纖光柵的特性：二維或多維特性、設計自由度大(如空氣孔可填充介質等)波長調諧范圍寬、可進行多參量、多功能感測等。此外，基于上面的理論還可利用兩個相鄰纖芯之間的模場交疊來光纖構成方向耦合器，通過制造光子晶體光纖的毛細管堆砌拉制方法來實現(xiàn)。2004年，HokyungKim等報道了一種基于側面研磨技術的可調諧光子晶體光纖耦合器，它是將兩段側面研磨的PCF鑲嵌在石英塊內通過調節(jié)石英塊間的匹配角來實現(xiàn)耦合比在間變化。PCF及PCFG的出現(xiàn)將促進并產生性能優(yōu)異的光纖耦合器，并導致現(xiàn)代光纖技術的新跨越。微結構光纖光柵的寫制方法包括：光

58、敏光纖紫外曝光法；二氧化碳（CO2）激光加熱法；機械壓力誘導法；聲波誘導法；電弧放電技術法。1.3 微結構光纖光柵的特性1.3.1光柵特性1.微結構光纖光柵特性微結構光纖光柵特性是一典型的具有攙鍺纖芯的六角型光敏MF截面圖。六角型光敏MF FBG的頻譜圖，實線是實驗所測得的透射譜，虛線是利用BPM法所得反射譜。包層諧振模受到空氣孔陣列的限制，并且主要是內層空氣孔陣列對包層諧振模特性起作用，因而包層諧振模場的有效直徑較小，只有幾個低階包層諧振模被激發(fā)，同時各低階包層模場與柵區(qū)的重疊面積較大，所以圖中各階包層模（02,03,04）與芯模具有同量級的諧振強度，同時各諧振波長間距也較常規(guī)光纖FBG大的

59、多。在六角型光敏MF LPG的透射頻譜圖。計算諧振模的峰值波長與圖中峰值波長相差很大，這主要是高溫退火等不穩(wěn)定天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢業(yè)設計說明書10因素所造成有效折射率漂移所致。這種長周期光柵溫度敏感性和偏振度都比傳統(tǒng)光敏LPG低。 圖 1.5.1 六角型光敏微結構光纖 圖 1.5. 2 六角型光敏 MF FBG 的頻譜圖 1.5.3 六角型光敏 MF LPG 的透射頻譜圖 1.5 六角型光敏 MF LPGFig.1.5 Hecagon photosensitive MF LPG2.柚子型光敏 MOF 光柵柚子型MOF的截面，它包括6個直徑約為40m的大空氣孔，纖芯直徑約

60、為32m，鍺芯直徑8m，空氣孔占空比0.35%。柚子型MOF FBG的頻譜圖，實線和虛線分別是實驗中所得透射譜和數(shù)值模擬中所得反射譜。從圖中我們可知由于大空氣孔的限制，外包層對內包層低階諧振模幾乎不產生影響，但由于內包層的高階諧振模有少部分能量從空氣孔間縫隙泄露到外包層，因而外包層特性對高階包層模略有影響；同時由于各內包層低階諧振模模場有效直徑較小，各低階包層模場與柵區(qū)的重疊面積較大，所以各低階包層諧振模場的諧振強度和各諧振波長間距較傳統(tǒng)光纖FBG大得多。天津理工大學中環(huán)信息學院 2012 屆本科畢業(yè)設計說明書11 圖 1.6.1 柚子型 MOF 截面 圖 1.6.2 柚子型 MOF FBG