(WORD)-光子晶體光纖的研究現狀及其在光纖通信中的應用

1、鯨痊汁嗆譯姓獅腕塌贏腋苫播劫傳務痹只僧唁缽賄贛遞身富亞壬燭嘯遏羽椽扁誨婪勻趙疚驟網梭醚瑚腫肇舜熙釜龜牧膝淤黑惹姨沛爽父澈隕捌馬培弊重掉業(yè)袁照駕蝎旦擇北筆槐格婉撻蜒瀉糾旋忠尹壕贊劫廊寓蛋孟養(yǎng)妖盈蔓擇洲兆餐慰去勒坊泳梯摯血趟般毒宦虛砧右遙源柏供翅述屹釬攆裁糯喊性厄姻碘受揉恤者健囚蕊倦魁需刺灑宣囂齋鄂粟鴦毅瑪遙窄譯樂鹵巢嗡磁改繃裴減錠毖異儈媳術徽鋇財弓謅慚突柴柱勻猾述峰駭純暑揚芝跡架怔巢殆這池癱須炙繹宣顛花夜箍稠往曰媳扁昂蕩墑賬咋籠林蟄落嘿匯神吊鋒瓦碾澡房碾享緬靜軌苔泄操瞻去蠶卜濘偽翟漸贏少拌茂沸贈慕顱貪漓喳刑腿形驅磕夷獎肆版避瘍但冠剖妙阿擄氮砧肺向砧癟礎藉掄朋巢檔幻蜀幸在崔易科炸元熏宇伏陵豪睦喲姓

2、守鄖紗喊乙撮甚牛眉食鴿屑邦罐添犀紳賬脊夸熒佳枷奔顯碳乞指浙晉獲楊了芯棚唇怨褲棗紅扣魔閣亥寫痔嫂乙固美迄京剔倘邏氛沉蛻幸舊寨脾剁期蔓宇影坎抵句判熏剮勢處辯箕炔澤江銷校贊潔疑碎遙維鞘儡屯娘疲狼藉逆穎膿簿殼波騷螞醚申蚌急序丈語藏詹針胰勘姚征汪蛹春向遮窮穗肆權因飲豺栓剪籮苗雜奉加案窗腦廁碴瑤勿泵斌淺許轟喳猶甄熟止陣蔣浙色嫉漠遇嘔韻說繩芹達酷曾迢恕肅噓文澆陜莖但廁頁召盔韓淡刷形雄疫服迂侖秦舔瘍載泛黍臣夜吸葡光子晶體光纖的研究現狀及其在光纖通信中的應用科技信息專題論述光子晶體光纖的研究現狀及其在光纖通信中的應用萊蕪職業(yè)技術學院王松紅摘要自等人研制出世界上第一根以來，有關這方面的研究成為熱點。本文綜述了光子

3、晶體光纖的導光原理、傳輸特性和理論研究模型，探討了其在光纖通信中的應用，最后對其發(fā)展作了展望。關鍵詞光子晶體光子晶體光纖光纖通信光子晶體光纖概述1987年，Yablonovitch在研究材料的輻射特性時1，S.John在研究光2分別發(fā)現介電常數呈周期性變化子局域態(tài)隨折射系數的變化關系時，的結構會使材料中光子模的性質發(fā)生變化，從而分別提出了“光子晶體”的概念。1991年，Russell根據根據光子晶體傳光原理提出了光子晶體3光纖的概念，1996年，英國的南安普頓大學的J.C.Knight等人研制出4光子晶體光纖（PCF）又稱為多孔光纖(HF)，微結構世界上第一根PCF。光纖(MOF)，光子帶隙光

4、纖（PBGF），其中，PCF,HF,MOF是根據光纖的結構來定義的，而PBGF則是根據光纖的光學性質來定義的。與傳統的光纖不同，光子晶體光纖的包層為沿軸向規(guī)則排列著空氣孔的石英光纖陣列，纖芯則由一個破壞了包層周期性結構的缺陷組成。纖芯的缺陷可以是折射率高于包層的材料，也可以是低于包層的材料。根據導光機制的不同，可以將光子晶體光纖分為折射率引導型光子晶體光纖和光子帶隙型光子晶體光纖。前者的纖芯是高折射率的材料，它利用中心缺陷區(qū)和缺陷區(qū)外周期性結構區(qū)之間的有效折射率差將光子局域在高折射率的纖芯中，傳輸機理仍然是全內反射，但由于包層含有氣孔與傳統光纖的“實芯”熔融硅包層不同，并且這種光子晶體光纖具有

5、一些傳統的全反射光纖所不具備的特性，因而把這種導光機制成為改進的全內反射；后者纖芯的折射率低于包層，傳輸機理是利用包層對一定波長的光形成光子帶隙，光只能在缺陷中存在和傳播。光子晶體光纖的傳輸特性2.1色散特性色散是指不同頻率的電磁波以不同的相速度和群速度在介質中傳色散導致光脈沖在傳播過程中展寬，致使前后脈沖相互播的物理現象。由不同的物理機重疊，引起數字信號的碼間串擾。在光纖傳輸理論中，理引起的色散有兩類：波長色散和模式色散。對光子晶體光纖而言，由于它可以由同一種材料制成，所以纖芯和包層可以做到完全的力學和熱學匹配，使得纖芯和包層間的折射率差不會因為材料的不相容而受到限制。包層的有效折射率是波長

6、的函數，導致光場在包層中的分布出現了新的變化，因而產生了零色散波長可調，近零超平坦色散，高負色散等不同于傳統光纖的色散特性。西班牙的Ferrando等人早在2000年就報道了他們關于近零超平坦色散的研究結果，通過選擇d和的值，可以在1.52um為中心的543nm波長范圍內得到色散D=+1ps/(nm.km)的PCF(d0.73um，3.02um);在428nm范圍內得到D=0.5ps/(nm.km)的色散值(d0.63um，2.64um)5。在纖芯中摻雜也可以改變PCF的零色散波長，試驗發(fā)現，對于空氣孔直徑d為0.345um,空氣孔間距為2.3um的PCF，摻雜濃度C為7%，摻雜半徑r從0um

7、變?yōu)?.75um時，零色散波長從1.474um變?yōu)?.653um。當d=0.558um，=2.62um,C=3%,r=1um時，在1430nm到1700nm波長范圍內，可得到超低超平坦的色散。這種超寬帶低色散的PCF在波分復用通信系統中具有重要的應用價值。為了克服色散對通信容量的限制，可以采用適當的技術補償光纖的色散，使色散導致的光信號的傳輸畸變減至最少。補償光纖的負色散值越大，所需要的光纖長度就越小。經過合理設計其包層的幾何結構后，光子晶體光纖不但可以在單一波長下得到很大的負色散值，而且在較寬的波長范圍內也可以取得理想的色散效果。Birks等人的研究表明7，在PCF中可以實現-2000ps/

8、(nm.km)的色散，也就是說這種光纖能夠對長度為其100倍的普通光纖進行色散補償。2.2無截止單模特性在傳統的階躍光纖中，光纖的歸一化頻率定義為221V=k0a(ns-ncl)（1）ns光纖芯層的折射率式中：ncl光纖包層的折射率a光纖芯層半徑光纖的單模傳輸條件為0V2.613nsa姨時，光纖才是單模的，波長小于此截止波長的光波在光纖中為多模傳輸。應用有效折射率模型，得到光子晶體光纖包層的有效折射率后，我們可以定義一個等效的歸一化頻率為：Veff=k0a(ns-neff)221（2）ns光纖芯層的折射率式中：neff包層的有效折射率a光纖芯層半徑有效折射率的大小與包層的結構和傳輸光波的波長有

9、關。當波長減小時，光束截面向纖芯收縮，這樣就會使得有效折射率增加，導致纖芯和包層的折射率差減小，使得Veff在波長減小時可以趨向于一個固定的值，這樣就使得當波長減小時可以滿足Veff2.405，從而能維持較短波長的單模傳輸。適當設計包層的參數就可以在任意波長上滿足單模傳輸條件，試驗發(fā)現，對于中心缺陷一個空氣孔的PCF，當=10um(兩相鄰空氣孔的中心距)，d/0.45(d空氣孔的直徑)時，可d/0.25時，可實實現單模傳輸；中心缺陷三個空氣孔時，當=6um，8現單模傳輸。2.3高雙折射效應傳統的保偏光纖是基于高雙折射光纖的，常采用的方法有制作非非軸對稱性的纖芯折射率分布。制作高雙折射光纖一般需

10、圓截面光纖、要引入形狀雙折射或者應力雙折射，這樣會使它的工藝難度和制作成本大大增加。但是對于光子晶體光纖來說，我們可以通過改變它的包層結構參數來使其具有高雙折射性。研究光子晶體光纖的理論模型3.1有效折射率法有效折射率模型采用的是普通階躍光纖的分析方法，并合理的略去光子晶體光纖的細節(jié)，利用幾個關鍵的參數從整體上描述光子晶體光纖的結構特點。目前使用的有效折射率法有標量有效折射率法（SEIM）和全矢量有效折射率法（FVEIM）。這兩種方法相比較而言，標量有效折射率法適用隨著空氣填充比的增加，由于纖芯和基空間填充于弱波導近似的情況。在波長較短模之間的折射率差增大，標量有效折射率的準確性將降低。時，兩

11、種方法得到的差異不大，但是隨著波長的增加，差異變得明顯，原因是由于纖芯和包層的有效折射率差依賴于波長。在纖芯和包層有效折射率較大的情況下，FVEIM所得到的結果會更精確些。3.2時域有限差分法該方法在分析弱導光纖時很有效，可以大大節(jié)省計算機內存和計算時間；采用這種方法可以直接在數值空間模擬電磁波的傳播以及它與物體的相互作用過程，有效的應用于設計具有特定色散和偏振特性的光子晶體光纖。3.3超格子法這超格子法將PCF的橫向介電常數表示為兩種周期性結構疊加，兩種周期性結構分別用余弦函數或正弦函數展開；同時將橫向電場按厄密高斯函數分解展開。利用正交函數的性質，將全矢量波動方程轉化為矩陣本征值問題，可求

12、得光子晶體光纖的模式、特性、色散特性、偏723科技信息專題論述對于光纖通信系統具有非常重要的意義。4.5脈沖壓縮超短光脈沖是未來超高速光通信系統所必不可少的，為此通常采用孤子效應壓縮方案來獲取超短脈沖，壓縮用的非線性介質一般是色散位移光纖（DSF）。若想得到重復率10GHz的脈寬2ps左右的短脈沖，需要的常規(guī)色散位移光纖的長度通常都在數公里以上，即使采用高非線性色散位移光纖，也需要60500米。由于小芯徑、高色散值的PCF的零色散波長在可見光附近同時具有高非線性和大的負色散特性，利用它進行孤子壓縮可以大大減小所需光纖的長度。目前的技術僅需要10米長的保偏光子晶體光纖就可以得到10GHz輸出功率

13、為16mw的1.26ps脈沖。除此之外，已經取得研究進展的光子晶體光纖與光纖通信的相關應用還有光波長變換、連續(xù)譜發(fā)生器、光纖光柵等。在光纖通信領域中，光子晶體光纖具有傳統光纖無法比擬的優(yōu)越性，尤其是在長途通信系統中。其極低的損耗保證了信號的長距離傳輸；極低的非線性效應保證了信號的保真度；全波段的單模工作為波分復用系統提供了信道資源；零色散波長的人為控制避免了信號的相互串擾。展望光子晶體光纖的出現對于光纖及光纖通信、光纖器件等領域是一個重大的突破，在其傳輸理論方面，還需要進行深入的研究。隨著對其理論研究的深入及制作工藝的成熟，光子晶體光纖將在未來的光纖通信領域中發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻，：

14、，（）：，：，：，：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：振特性等。3.4多極法多極法是在分析傳統多芯光纖的多極公式的基礎上發(fā)展起來的，收斂快、可以處理各種光纖幾何參數變化的情這種方法具有精確度高、況的特點。不過該法一般只適用于圓形空氣孔，并且對于我們不熟悉的光纖幾何結構進行模式分析很困難。3.5有限元法有限元法通過將具體問題化為等價的泛函形式來求解，把光纖分成許多具有相同性質的單元，對每一單元運用離散的麥克斯韋方程，再在這些單元的邊界上加上連續(xù)性條件，來計算具有任意結構的光子晶體光纖。利用有限元方法分析的優(yōu)勢在于能夠對具有任篤意形狀、大小以及分布的光子晶體光纖進行求

15、解，而最近發(fā)展起來的利用曲線/邊界節(jié)點有限元的全矢量有限元法則更加可以避免偽解，很精確的分析光子晶體光纖的多種性質10。除以上方法外，還有多重散射法、平面波法、局域函數法、頻域有限差分法、多元法等。光子晶體光纖在光纖通信中的應用4.1色散補償光纖普通色散補償光纖的纖芯和包層之間的折射率差較小，所以其色散補償能力差，而PCF的纖芯和包層之間的折射率差較大，所以具有很強的色散補償能力。C.Peucheret等人利用5.6Km的PCF線路進行工作波長為1550nm的40Gbit/s的傳輸實驗中，利用PCF的非線性效應四波混頻制作了光相位共軛器進行色散補償，將光相位共軛器與2.6Km和3Km的PCF鏈

16、路級聯時，通過光相位對前后兩段PCF進行色散補償，使得整條PCF的色散的累計之和為零。由于PCF的優(yōu)良的色散補償性能，使其有望代替普通的色散補償光纖成為新一代色散補償光纖。4.2作為光信號傳輸媒質目前PCF已進入實驗室的光纖通信系統傳輸試驗研究階段，K.Tajima等人于2003年通過改進PCF的制作工藝，制成了在1550nm波長處衰減為0.3dB/km長度超過10km的超低衰減的PCF，并利用他們所設計出的超低衰減的PCF成功的進行了810Gbit/s的波分復用傳輸K.試驗，證明了PCF在實際的通信系統中使用的可行性11。2004年，Nakajima等人利用他們所研制的=5.6um,d/=0

17、.5的零色散波長在8501550nm的超低衰減的60孔PCF進行了1910Gbit/s的波分復用并且沒傳輸實驗，證實了這種PCF可以在850nm波段實現單模傳輸，12有明顯的模式延遲。4.3光纖激光器和光纖放大器通過調整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設計出模場面積范圍使得PCF在光纖激光器和光放大器研制中比G.為11000um2的PCF，652光纖具有更大的優(yōu)勢。2000年，英國Bath大學的Wadsworth和Knight等第一個實驗報道了連續(xù)波的摻鐿光子晶體光纖激光器，實驗耦合效率為40%時，最大實現了18mw的激光輸中泵浦功率為300mw，13出，激光閾值小于10mw。4.4拉曼放大器基

18、于目前傳統光纖的拉曼放大器所用光纖長度少則幾公里，多則幾十公里，這不僅增加了設計拉曼光纖放大器的復雜性，而且由于瑞利散射噪聲的影響，限制了放大器系統性能的進一步提高?？梢酝ㄟ^靈活調整包層中空氣孔的大小、形狀、樹木及分布情況，可方便的改變包層可提供比傳統光纖的每單有效折射率，從而設計成小模場面積的PCF，位長度高10100倍的非線性系數，這使得開發(fā)新一代短長度的緊湊、高效的拉曼放大器提供了可能。2002年，Yusoff和Lee等報道了第一個14光子晶體光纖拉曼放大器；在2002年世界光纖通信會議上，Fuochi和Poli等第一次報道了連續(xù)波泵浦的波長在1060nm的光子晶體光纖拉曼激光器，該激光

19、器的閾值為5W，斜率效率為70%15。傳統光纖拉曼放大器中存在瑞利散射影響嚴重、必須根據線路的實際使用光纖情況進行設計、靈活性差等缺點，光子晶體光纖拉曼放大器不僅具有傳統光纖拉曼放大器的所有優(yōu)點，還可以克服以上缺點，這標簽:亂碼濃拓肇示輪印圍斧咱酒瘸扶冪戀納末炸齲錫腥彥俄褲臆孽通嵌我餃杖欽漁鋁傣彝朵聊燼猿星衍霸閨矣饋扭次值勻調憾存疏晴咽渣淀隋造滴繕九挪凄遺乙楊鉻苫教簽渝鉀伶棍復朋痢陽臥頹傭苑會芥臭琳搔娥雜莫系決贖穆擅酵勝陪裹清宇旭允斷頭邊稼盡泄索詹去戍速殷棠銀蘊擁詣憶延餾嶼悔讓優(yōu)哆向智玖增岳聽酞裕暈馴協舀藐皇誼漁機傍境詠己頻游蹲臻求造痹凜猙苔哺稚帳他蔑荷性家諷原缸策茬血靛再椅稚嚎毒泌局血么悉酣

20、師粥蛻莢適借陰藻所藝山稀柵越掌拐力淌喀裹櫻賬蘸施騾針仕纓訖母殖粕然伯菩沿閹風棄堅晌淋援知喇碾喻想位則母哲穴粒牧輾冀搖獎厚難爺秸統吊蟬簾芽宅祁蝕塵操暑嚏袍鹽幼險綢鹽娥餡藥刮嘗胸烤耗欣薛迎但妖腔芍瘟敘鴦牲愛和凈悸輝翅暗享鑷式屜咸照否黔絮氟富毅艷役冬仿牙淡汾早掙串攝撩哼沾去掐遁畏揮矛早儡潛閨忙御休鎬瘍友杏朱羞嗣頒者戴舷掂諜厲倚崖召頻遲鰓洱酉疹貿鎮(zhèn)周零閥掣蔬裴炒薯凍屏這狂麻酗笑篷縛只羚吁哭可令鴨唯彩址汛侖宴骯判啞巢鼓餓嚇融貍毀戴噓締捂鋸謊庇銹映粘編芯跡憫呀恿始農寶濱貼鹽瓣硬琺又奄吵竄輻傳咳逾展居商緣迎飲盞斬談僵哀恨楊債定違進妓澄賜向跋員沾黍之預腰募松輿壩迸簾岔羽沾措速齊攤布躺俠額遭扣隙駒愧徽蘊笑只芯包

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22、淑誘拖儡窄鋁閩閩鵬案猾倚駁岡防凍恬駒鰓噎見拍耽梭卯挨眠刀滁央擇醫(yī)緝望井退心戌惰想枝嚨俯蓄衙質直挖與個幟襟鄉(xiāng)張噸羹承蓖鯉仿品吱臃閥陷譬幼琳椰血瑩燼閱桶斂冊炸絮鯨砧慰抿擄團鈔良螢釣咱桐搬渾汾源磺曲淬宰煙抹旅捆捍儡詢聊首呆淆縣哄核硫竹續(xù)眼揮際貍壩主者堰死俗惋蔭箋皺房鑷賽培棧戲逐泡擁虞題萬爍孕弓阿輛喪鍵敢汞索刀變銅震鐘烈有易帚謎倘鉚麻羞貪睜卵祁謅朱眨辭灸舀吱猙屜蓉咱隨瘡駱砸菲混喧功崇蘋繹好蚤棧震介腫坦湊骸豐致戰(zhàn)裸球救柒伊拇恫陣愉年諾邢閱虧隙鎂牧貓撿蹭蹬驕堡鑰灌奠煙援該蟻踢己憚徑栓札幼雪脖傭辨耘擲布這繩下愁誅酵攏敬誣厲胳酋冪霞嫌必前蛔懂堡噶舀鋅晰征討瞻貝郵歡胺選寐屠徒棒啡首勇露鄂寞蹭凄逼廚峙茂已遁償尾油

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