毕业论文-光子晶体光纤的应用进展

毕业设计（论文）

题目名称：光子晶体光纤的应用进展

光子晶体光纤的应用进展

Progresses in the Application of Photonic

Crystal Fiber

摘 要

作为信息载体，光子与电子相比，具有传输速度快、效率高以及彼此之间无相互作用、能耗低等许多独特优点。但是光子很难控制，因此人们期盼寻求一种能够像半导体超晶格这类电子微结构材料有效控制电子流动那样的材料，以便有效地控制光子的行为。因而人们提出了光子晶体一光子微结构材料的概念。从科学技术角度而言，一旦这一目标变为现实，定将产生不亚于微电子革命所带来的深刻影响。极大地推动社会进步与发展。因此，光子晶体被视为可在光电子集成、光子集成、光通信以及国防科技等现代化高新技术领域大有作为的一种新概念材料，其中蕴涵着十分丰富的物理内涵。

光子晶体光纤(PCF)是基于光子晶体技术发展起来的下一代传输光纤。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。光子晶体光纤由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，吸引了学术界和工业界的广泛注意，其研究在短短的十年内取得了很大的进展。

关键词：光子晶体、光子晶体光纤、应用进展

Abstract

As an information carrier, which compared with electron, photon has fast transmission, high efficiency, and no interaction with each other and low energy consumption, and many other unique benefits. But the photon is very difficult to control, people look forward to find a micro-structure of semiconductor super lattices material such as electronic materials, which can effectively control the flow of electronic, so that it can effectively control the behavior of the photo. Then the photonic crystal - photon micro-structure material was proposed. From the viewpoint of science and technology, once this goal change into reality, it will produce profound influence as much as the microelectronic revolution. Greatly promote the progress and development of society. Thus, the photonic crystal is regarded as one new material, which is good at modernized high technology and new technology domains and so on photoelectron integration, photon integration, optical communication as well as defense-related science and technology fields, which contains abundant physical connotation.

Photonic crystal fiber (PCF) is a new generation transmission optical fiber which was developed on the photonic crystal technology. Photonic crystal fiber is very similar to ordinary single-mode fiber in appearance; however, the cross-section of the micro photonic crystal fiber is completely different. Because of the unusual properties, which the singular features of traditional fiber can not compared, photonic crystal fiber has attracted the academic circles and the industrial community attention, and its research has made the very big progress in the short ten years.

Key words: Photonic crystal; Photonic crystal fiber; Application progress

目 录

1 光子晶体光纤概述........................................................................................................ 1

1.1 光子晶体光纤的导光原理................................................................................. 1

1.2 光子晶体光纤的特性......................................................................................... 2

1.2.1 无截止单模.............................................................................................. 2

1.2.2 不同的色度色散...................................................................................... 2

1.2.3 极好的非线性效应.................................................................................. 2

1.2.4 优良的双折射效应.................................................................................. 2

1.2.5 较高的入射功率...................................................................................... 3

1.2.6 易于实现多芯传输.................................................................................. 3

1.3 光子晶体光纤的制备......................................................................................... 3

2 光子晶体光纤的应用.................................................................................................... 6

2.1 折射率引导型光子晶体光纤的应用................................................................. 6

2.1.1 折射率引导型PCF的色散特性和应用 ................................................ 6

2.1.2 小模面积PCF的应用 ............................................................................ 6

2.1.3 大模面积单横模PCF的应用 ................................................................ 7

2.2 带隙引导型光子晶体光纤的应用..................................................................... 8

2.2.1 大功率激光的传输.................................................................................. 8

2.2.2 粒子传输.................................................................................................. 9

2.2.3 孤子压缩................................................................................................ 10

2.3 光子晶体光纤在光纤光栅中的应用................................................................11

2.4 光子晶体光纤飞秒激光技术的应用............................................................... 12

2.4.1 高功率超连续白光的产生.................................................................... 13

2.4.2 高功率紫外飞秒激光的产生................................................................ 13

2.4.3 紧凑型太赫兹辐射源............................................................................ 13

2.4.4 高重复频率飞秒激光微纳加工............................................................ 14

2.5 光子晶体光纤在光纤通信中的应用............................................................... 16

2.5.1 色散补偿光纤........................................................................................ 16

2.5.2 作为光信号传输媒质............................................................................ 17

2.5.3 光纤激光器和光纤放大器.................................................................... 17

2.5.4 拉曼放大器............................................................................................ 17

2.5.5 脉冲压缩................................................................................................ 18

2.6 高非线性光子晶体光纤的应用....................................................................... 18

2.6.1 产生超连续光谱.................................................................................... 18

2.6.2 慢光效应................................................................................................ 19

3 光子晶体光纤的发展与应用趋势.............................................................................. 21

参考文献............................................................................................................................ 22

致谢.................................................................................................................................... 24

1 光子晶体光纤概述

1.1 光子晶体光纤的导光原理

光子晶体光纤的概念基于光子晶体[1]，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类。

带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图1-1（a）。

折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图1-1（b）。

图1-1 光子晶体光纤扫描电子显微图

由于PCF的新颖性，这里有必要区分有关概念。光子晶体指的是在一维、二维或者三维空间上介电常数周期分布的材料；PBG是指在二维或三维空间中，某一限定波长范围内所有的光模式都被抑制。根据上述定义，光纤布拉格光栅(FBG)也是光子晶体，它存在阻带但不存在禁带结构。PBG只在特别设计的光子晶体中才会出现，一般光子晶体并不都具有PBG结构，相应的也并非所有的PCF都利用PBG结构导光。

1.2 光子晶体光纤的特性

1.2.1 无截止单模

普通单模光纤随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可在从蓝光到2μm的光波下单模传输，不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1550nm可达1～800μm2，已制成了680μm2的大模场PCF，大约为常规光纤的10倍。小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器(利用高非线性光纤)，低非线性通信用光纤，高光功率传输等。

1.2.2 不同的色度色散

真空中材料色散为零，空气中的材料色散也非常小，空气芯PCF的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活，只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态，如零色散波长可移到短波长，从而在1300nm实现光弧子传输。

1.2.3 极好的非线性效应

G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。而在光子带隙导光PCF中，可以通过增加PCF纤芯空气孔直径(即PCF的有效面积)来降低单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的[2]，这个特性为制造大有效面积PCF奠定了技术基础。另外减小光纤模场面积，可增强非线性效应，从而使光子晶体光纤同时具有强非线性和快速响应特性。常规光纤有效截面积在50- 100μm量级，而光子晶体光纤可以做到1μm量级，所以各种典型非线性光纤器件如科尔光闸、非线性环形镜等就可以做成比普通光纤短100倍。通过改变孔间距可以调节有效模场面积，调节范围在1.5μm波长处约为1- 800μm。在孔中可以装载气体，也可以装载低折射率液体，从而使PCF具有可控制的非线性。

1.2.4 优良的双折射效应

保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。在PCF中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过

减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制成比常用熊猫保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤[3]。

1.2.5 较高的入射功率

光子晶体光纤的全波长单模特性与光纤绝对尺寸无关，放大或缩小光纤照样可以保持单模传输，这表明可以根据需要来设计纤芯面积。英国Bath大学研究人员已经制作了工作在458nm，纤芯直径是23μm的单模光子晶体光纤。其纤芯面积大约是传统光纤纤芯面积10倍左右，用于高功率传输时，不会出现非线性效应。

1.2.6 易于实现多芯传输

多芯传输有以下两个优点:一是提高了信道通信的容量，二是解决了单芯难以胜任的复杂通信网络、矢量弯曲传感、光纤耦合等问题。光子晶体光纤使得多芯的结构能被精确定位且具有良好的轴向均匀性，无须附加其他工艺。

1.3 光子晶体光纤的制备

根据目前的报道，光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程，如Knight J C等的制作方法[4]：

(1) 取一根直径为30mm的石英棒， 沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔， 随后将石英棒研磨成一个正六棱柱；

(2) 把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中，将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱丝；

(3) 把正六棱柱丝切成适当长度的若干段，然后堆积成需要的晶体结构，再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸，使内部空气孔的间距减小到50μm左右，形成更细的石英丝；

(4) 在以上工作的基础上，把上述石英丝高温拉伸，形成最后的光子晶体光纤，如图1-2和图1-3所示。

在以上3个阶段的拉伸过程中，晶胞减少了104数量级以上，最后形成的光子晶体的孔间距在2μm左右。

光子晶体光纤沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔，从光子晶体光纤的横切面看， 存在着周期性的二维结构。如果核心处引入一个多余的空气孔，或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替，从而在光子晶体中引入一个“缺陷”作为核心。图1-4所示为典型的光子晶体结构图[5]，它的中心缺少一个空气孔而形成”纤芯”。图

1-5所示为光子晶体光纤端面的扫描电子显微镜照片[6]。它的中心因为有一个空气孔而形成“纤芯”。

图1-2 光子晶体光纤结构图

图1-3 光子晶体光纤截面示意图

图1-4 中间无空气孔的典型PCF结构

图1-5 中间有空气孔的PCF结构

2 光子晶体光纤的应用

2.1 折射率引导型光子晶体光纤的应用

2.1.1 折射率引导型PCF的色散特性和应用

光纤的色散主要是材料色散和波导色散，对于给定的材料，材料色散是不变的，而波导色散是依赖于光纤的设计参数，可以改变。传统光纤的零色散点一般在1.3μm附近，折射率引导型PCF的波导色散和光纤自身的结构参数有关，因此改变折射率引导型PCF的结构参数有助于设计出具有所需色散的光纤。比如：可以改变结构参数将光纤设计为在可见光区域具有大的反常波导色散，使得整个光纤的零色散点可以移至可见光波段[7]。试验发现，较大的d/Λ(d为空气孔直径，Λ为空气孔间距或调制周期），较小的芯径，光纤的反常色散也较大，其零色散点越靠近短波段。这类光纤可应用于产生低于1.3μm的光孤子[8]，而采用传统光纤通常是不可能的。另外，和传统光纤相比折射率引导型PCF更易实现在宽带内的色散平坦化设计[9]，当d/Λ=0．4时能够在宽带内获得较平坦的曲线。文献[10]发展了设计色散平坦化PCF的理论，并且重点研究了在1．55μm附近的光通信窗口的色散平坦化设计，其色散平坦宽度近300nm，如图2-1所示，预示着折射率引导型PCF必将在光通信系统扮演重要角色。

图2-1 折射率引导型PCF的色散平坦化设计。(a)d=0．49gm，Λ=2．32gm；(b)d=0．4gm，

Λ=2．71 gm；(c)d=0．281am，Λ= 2．16gm；(d)d=0．27gm，Λ=I．93gm

2.1.2 小模面积PCF的应用

在PCF的设计中，增大d/Λ

，减小光纤的芯径，一方面可以提高对光的局限，

减小光的泄漏损耗；另一方面可以增大纤芯截面上单位面积的光功率密度，使得光在这种光纤内传输时，易于产生各种非线性效应，如：四波混频，受激拉曼散射，自相位调制，交叉相位调制等，因此这类光纤在有些文献中也被称作高非线性PCF。这类PCF可被应用于超连续谱光源的研制，人们采用不同波长、不同脉冲宽度的激光器，对不同色散点的高非线性PCF抽运，进行了大量的研究。文献[11]报道了采用647nm处脉冲半宽度60ps的激光作抽运源，研究了脉冲通过零色散点位于675nm处的2．6m长小模面积PCF后的超连续谱，所获得的超连续谱宽度超过600nm；文献[12]报道了采用770nm处脉冲宽度ll0fs的激光作抽运源，研究了脉冲通过零色散点位于767nm处的75cm长小模面积PCF后的超连续谱，如图2-2所示，光谱从400nm一直扩展到l600nm。显然和其它的材料相比，小模面积PCF是产生超连续谱的理想材料，所研制的超连续谱脉冲光源在光纤群速度测量、超短光脉冲产生和自频率转换、光谱检测、光通信等方面将大有作为。

这类PCF还可用于拉曼放大器中取代常规光纤[13]，所需要的光纤长度只需几十米大大减小了器件体积。只是目前这类光纤与常规光纤的焊接损耗还比较大[14]，使得这种拉曼放大器还没有实用化。在光传感中，这类PCF也大有用武之地[15]。将要检测的气体或液体注入包层中的空气孔中，让光通过光纤，分布在空气孔中部分光场将和待检测物质相互作用，通过透射光谱就可以检测出各物质组分，应用于环境检测。

图2-2 从40Onm到160Onm的超连续谱示意图

2.1.3 大模面积单横模PCF的应用

在PCF的设计中，减小d／Λ

，增大光纤的芯径，将增大光纤中传输模式的面

积，降低了纤芯中的光功率密度，从而有效地减小了光纤中的非线性效应。这类光纤适于光的高功率激光的传输和产生；同时在d／Λ较小(O.7)，这也方便于抽运光的耦合。因此折射率引导型PCF为研制高功率、高光束质量的光纤激光器提供了一种新的途径。

英国南安普敦大学的光电子研究中心采用自行研制的掺镱(Yb³＋)双包层PCF，研制PCF激光器[17]。采用F—P腔结构，在波长915nm二极管激光器 (LD)抽运下获得了1W以上的连续功率单横模输出，斜率效率高达70％；而采用976nm蓝宝石激光器抽运，获得了斜率效率达到82%的连续单横模输出。

2.2 带隙引导型光子晶体光纤的应用

带隙型光子晶体光纤的独特结构和导模机制以及种种优良特性，给它在光通信、气体传感与检测、医学，非线性光学等方面提供了广阔的应用前景，下面分别介绍。

2.2.1 大功率激光的传输

理论上，因为空芯光子晶体光纤用空气孔导光，不受传统石英芯光纤本征吸收和瑞利散射的影响，大大减小了材料的非线性和光纤的损耗，极大增加了传送功率和传输距离，减少了传输损耗。

以前对于光纤的传能研究集中在大孔和多模传输方面。用石英光纤传输高能微妙激光几十焦耳，光束质量M²因子最好的大约为2O，而且输出为非高斯输出，传统光纤受石英损伤阈值的影响(约5μJ，波长520nm，8ns脉冲)。只能传输几十nJ能量光脉冲，由于非线性效应的影响。传输距离也十分有限，难以传导高质量高能脉冲。相比之下，空芯光子晶体光纤有很高的损伤阈值和低非线性效应在传输超短波

脉冲方面比传统的光纤有着明显的优势。空芯光子晶体光纤工作波长可达800nm左右。文献[18]报道了用7cell结构空芯光子晶体光纤来传输纳秒脉冲由于芯光子晶体光纤中大部分能量都集中在空芯中传输。并且为单模传输，石英的损坏阈值大大提高，输出光束为高斯输出实验采用7cell结构芯光子晶体光纤。激光波长为1060nm (M²约为1.3)，重复率15kHz，脉冲宽度65ns。脉冲能量达到了O.38mJ，是小孔径单模光纤脉冲能量的25倍，输出光束质量好。文献[19]对光纤进一步优化，使用了空芯更大、运行波长(1064nm)处损耗为20dB／km的19cell结构光子晶体光纤。激光波长为1060nm(M²约为1.2)，重复率15kHz，脉冲宽度65ns。脉冲能量达到了0.4mJ，光斑直径约为50μm。 高能高质量的激光传输可以很好的用于机械微加工，文献[20]中用空芯光子晶体光纤传输高能激光脉冲在300μm厚的铝板上加工v形槽，开了60μm宽的切口。

由于空芯光子晶体光纤能传输大功率激光的特性，以及极低的弯曲损耗，使它可以广泛应用于医疗，如制作肿瘤切割刀或内窥镜等医疗器件。另外，也有可能在未来的量子通信中用来传送孤子压缩态[21]。

2.2.2 粒子传输

利用激光偶极力来控制微粒也是目前的一个热门研究领域，传统方法采用毛细管作为媒介需要很高的激光能量才能达到目的。但如果带隙性光子晶体光纤的空芯来传导，将大大降低所需的激光能量和提高控制能力。

Ashkin提出了只用光压就能推进小粒子并可使其克服重力悬浮[22]。光压理论提供了一种无损操纵微小粒子的有效方，包括操纵生物物质、小粒子等。粒子传送在很多领域都获得了应用，如生物学、化学、原子物理等。但是，粒子传送一直受到激光束衍射效应的限制要想实现稳定传输。甚至曲线传输，要求能够将稳定强度的光越过多个瑞利长度聚焦。空心毛细管有这样的性质，但传输距离比较短。空芯的光子晶体光纤由于其光子带隙结构，传输距离可比玻璃空心毛细管长好几倍，在激光强度为80mW时，空芯光子晶体光纤中粒子传输已经超过了150mm。空芯光子晶体光纤中的光压足以使粒子克服重力悬浮(光纤垂直时)。或者驱使粒子绕过小角度弯曲(光纤弯曲时) 而在激光强度相当的情况下，利用光束聚焦和标准毛细光纤手段只能分别传输0.6mm和12mm。文献报导了用波长514.5nm氩离子连续激光器。将激光垂直注人空芯光子晶体光纤来传输聚苯乙烯粒子。实验中空芯光子晶体光纤的孔径为20μm空气填充率为7O％，光纤长度在100- 200mm之间。实验分为两步：第一步是聚苯乙烯粒子进入空芯光子晶体光纤的悬浮过程：第二步是聚苯乙烯粒子在

管线空芯中的传输实验中测量聚苯乙烯粒子进入光纤前的悬浮速度为l.3-1.5cm／s，波长514．5nm时损耗为lOdB／m 。这个实验采用的空芯光子晶体光纤损耗比较高，如果换成损耗低于lOdB／km的空芯光子晶体光纤将其加以改进，预计传输距离可以达到数百米。

2.2.3 孤子压缩

光孤子是光纤中一种稳定的传输模式，克服了色散的制约。当光强度足够大时会使光脉冲变窄。脉冲宽度不到一个ps，有可能极大地提高信号传输容量和传输距离。光通信中利用光孤子压缩态可以减少噪声，提高信噪比，实现超大容量和超长距离传输。

通过使空芯光子晶体光纤低损耗窗口位于可见光波段时对反常色散和非线性效应平衡的设计。可以产生传统光纤中不可能产生的可见光波段的孤子脉冲[23]。 英国Bath大学的Luan等人成功地用长5m的包层充氮的空芯光子晶体光纤传输了波长为800nm、脉宽小于300fs、峰值功率为2.2mW、重复频率为5kHz的孤子脉冲。但是输出脉冲比输入脉冲宽几倍。文献[24]报道了采用孤子压缩在8m长的空芯光子晶体光纤中传输次lOOfs的脉冲。只要在色散长度的尺度范围内色散D变化较缓慢．那么色散D的减小就将导致孤子压缩实验用8m长锥形空芯光子晶体光纤用色散减小的方法将非啁啾195fs光孤子脉冲压缩到低于100fs。能量为50nJ左右。实验用的光纤是用堆积法拉制出的8m长7cell锥形光纤。横截面如图2-3所示，在锥形空芯光子晶体光纤的输入端群速度色散维持在80ps／nm.km左右，而到达输出端时就几乎下降到了0。

实验采用锁模的钛蓝宝石激光器的再生放大器输出脉冲激光的中心波长是800 nm。脉冲宽度195fs，重复率250kHz。用20倍物镜耦合到光纤纤芯(纤芯直径小的为输入端)。耦合效率为，使用一个偏振光束分离器与一个波片组合来控制脉冲的能量，不造成光纤损坏的最大传输能量达500nJ。实验结果得到，从t95fs输入脉冲产生出变换极限的脉宽为90fs的输出脉冲，并在8m长的光纤中进以达到数百米，行了低于100fs的高能量脉冲的单模传输。

图2-3 锥形空芯带隙型光子晶体光纤的横截面变化

2.3 光子晶体光纤在光纤光栅中的应用

宽带调谐长周期光纤光栅所用光纤截面如图2-4所示，这种大尺寸多孔光纤其纤芯掺锗，包层中有6个直径为40μm的圆形气孔成六边形排列。这样形成直径约为30μm的内硅层。光纤外径为125μm，纤芯直径为8μm光纤纤芯与包层(内包层)折射率指数差为0.35%利用幅值掩模法将长周期光纤光栅写人。制备的光栅周期为550μM。然后在光纤包层气孔中注入丙烯酸聚合物，其折射率指数略低于包层并通过紫外光照加速聚合物凝固，从而制备了混合波导多孔光纤光栅根据热光效应，丙烯酸聚合物材料的光学特性受温度影响 温度的变化，导致包层中丙烯酸聚合物折射率指数的变化，从而影响内硅层中包层模式的分布与有效折射率指数，进而影响纤芯基模与包层模式的藕合，最终表现为谱中谐波随温度变化而移动温度升高，发生红移温度降低，发生蓝移，即具有温度调谐的性能。

测试制备的长周期光纤光栅温度调谐特性结果如图2-5所示。其中的谐波是纤芯基模与低阶包层模式藕合所产生。可以看出，基于聚合物硅混合波导多孔光纤的光栅温度调谐能力大大增强，当温度从25一120℃，调谐范围超过150nm。

图2-4 聚合物填充多孔光纤截面图

图2-5 长周期光纤光栅温度调谐特性

2.4 光子晶体光纤飞秒激光技术的应用

利用光子晶体光纤飞秒激光振荡器和放大器输出的高重复频率，高功率飞秒激光，我们进行了一系列飞秒激光技术应用前沿的研究，例如用以产生高功率超连续白光、高功率紫外飞秒激光、高功率太赫兹辐射以及高重复频率下的飞秒激光微加工。

2.4.1 高功率超连续白光的产生

将上述光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出的飞秒脉冲耦合到零色散点在1000 nm附近的非线性光子晶体光纤中，在脉冲宽度110fs，平均功率为4w左右的飞秒激光作用下，获得平均功率为2.5w的超连续光谱，光谱覆盖范围从650～1550nm，如图2-6所示，其输出模场如图2-6中插图，为典型的光子晶体光纤输出的六角形基模场。输出光谱具有很好的平坦度，进一步处理高非线性光纤耦合端使其能承受更高功率的飞秒激光，将能够获得更高功率的超连续白光输出。

2.4.2 高功率紫外飞秒激光的产生

二倍频（SH） 和四倍频（FH） 的实验直接采用放大系统输出的脉宽约为110fs的飞秒激光为基频种子光，在最高平均功率输出下的峰值功率可达3.6MW，较高的峰值功率非常有利于提高倍频的转换效率。图2-7(a)为实验测得的二次谐波功率和转换效率随基波功率的变化曲线以及在最大功率时二次谐波的光谱。由图中可知， 在20W的基频光平均功率抽运下，二次谐波的最大功率达到8.88W，此时的转换效率为44.4%。图2-7(a)中插图显示，二次谐波光谱中心波长在520nm处，谱宽为12nm。 使用焦距为100mm的透镜将二次谐波聚焦到0.18mm的BBO-2晶体上，进行四次谐波转换，可以获得260nm的紫外脉冲激光。图2-7(b)为紫外激光的功率和效率随二次谐波功率的变化曲线以及在最大功率时的四次谐波光谱。当二次谐波功率为

8.88W时（对应基频光功率20W），获得最大的紫外平均功率为656mW，单脉冲能量13nJ，此时二次谐波到四次谐波的转换效率为7.39%。图2-7(b)中的插图为四次谐波的光谱，带宽为3.7nm，理论上可支持27fs的傅里叶极限脉冲（假设为高斯形状脉冲）。

2.4.3 紧凑型太赫兹辐射源

基于钛宝石飞秒激光系统的太赫兹时域光谱仪（THz-TDS），体积庞大，成本昂贵，平均功率低，且难以移动，高功率小型化THz-TDS是太赫兹技术应用的前沿方向。光纤飞秒激光器作为抽运源是THz-TDS小型化的重要研究方向。光纤飞秒激光器由激光二极管直接抽运，效率高，结构紧凑，价格低廉；光束被封闭在纤芯中，受环境影响较小，放宽了飞秒激光器对实验环境的要求。利用光子晶体光纤飞秒激光振荡器输出的平均功率为900mW，重复频率为47.3MHz（对应于14.8nJ的单脉冲能量），脉冲宽度为518fs的飞秒激光脉冲通过分束器后分成抽运光和探测光。抽运光经过斩波器和焦距为75mm的透镜聚焦到ZnTe晶体上，辐射出太赫兹脉冲。探测

光脉冲在另一块ZnTe晶体处与太赫兹脉冲相遇， 经渥拉斯顿棱镜分束后由一对对接的光电二极管接收，转化为电信号被锁相放大器放大并由计算机显示输出。图2-8(a) 是实验测得的太赫兹时域信号以及对应的傅里叶频谱，获得了0.1THz到0.9THz的宽带太赫兹波。由于1μm波段的激光与ZnTe晶体的相位匹配曲线不如800nm钛宝石飞秒激光， 因此相对而言产生的太赫兹波较窄。最近我们利用光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出的高功率亚百飞秒脉冲在GaP晶体中获得了覆盖0。1THz到3THz的高功率宽带太赫兹波辐射，如图2-8(b)所示。

2.4.4 高重复频率飞秒激光微纳加工

利用高重复频率飞秒激光进行高速微纳加工也是近期飞秒激光微纳加工领域的热点[25]。我们利用光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出的高重复频率高平均功率飞秒激光脉冲在多种材料上进行了刻划加工。在平均功率450mW，脉冲宽度110fs，重复频率50MHz飞秒激光作用下，平移台运作速度90μm/s ，在硅片表面刻划的90°扇形图案如图2-9所示。与钛宝石加工结果比较后可以发现， 钛宝石飞秒激光放大器刻划的线阵周围伴随着更多的碎屑，而利用高重复频率光子晶体光纤飞秒激光器刻划线阵时，由于它的单脉冲能量（纳焦耳量级）比钛宝石放大器（微焦耳）小两个量级，因而更容易通过控制曝光时间（对应入射脉冲数目）来精确控制加工区域内沉积的飞秒激光能量，从而减小加工区域的热效应，使刻划的线条具有规整的边缘加工效果，且有效降低加工过程中产生的碎屑对样品表面的溅射污染， 保护了制作衬底。

图2-6 输出的2.5W超连续白光，插图为白光输出模式

图2-7 （ａ）二次谐波功率和转换效率随基波功率的变化曲线（插图为最大功率时二次谐波的光谱）、（ｂ）四次谐波功率和转换效率随二次谐波功率的变化曲线（插图为最大功率时四次

谐波的光谱）

图2-8 分别通过光子晶体光纤飞秒激光振荡器（ａ）和放大器（ｂ） 产生的超快太赫兹光谱

图2-9 光子晶体光纤飞秒激光放大系统输出的飞秒脉冲在硅片表面刻划线阵的光学显微图

2.5 光子晶体光纤在光纤通信中的应用

2.5.1 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。

2.5.2 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810Gbit/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

[26]。2004年，K.Tajima 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

[27]。

2.5.3 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[28]。

2.5.4 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[29]；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%[30]。

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。

2.5.5 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方案来获取超短脉冲，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。

2.6 高非线性光子晶体光纤的应用

光纤的非线性效应在光开关、放大器、波分复用和波长变换以及超连续谱产生等方面有着广泛的应用，但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PCF可以有非常优越的非线性效应，其有效面积可以比常规高非线性光纤减小1个数量级以上，因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，具有相当大的吸引力，并且可以降低相关器件的成本，在未来大容量全光通信上有广阔的应用前景。同时，由于PCF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，对于光纤非线性特性的应用更为有利。

2.6.1 产生超连续光谱

传统光纤主要依赖自相位调制效应产生在中心频率两侧对称分布的钟形超连续光谱，而在PCF中，自相位调制、高阶孤子、群速度色散、三阶色散、四波混频、交叉相位调制、双折射以及自陡峭等诸多效应对超连续光谱的形成都有贡献。S.Coen等将入射脉冲宽度为ps量级的超连续光谱的主要产生机理解释为受激拉曼散射和参量四波混频，而自相位调制的作用可以忽略。Gaeta采用对应于Ranka等实验中的参数进行了数值计算，其结果表明，当入射脉冲波长在靠近零色散点的反常色散区时，光谱包络主要由高阶色散决定；三阶色散和自相位调制的相互作用决定了光

谱短波方向的宽度，同时限制了长波方向的相对展宽。与单纯由自相位调制效应产生超连续光谱的情况相反，理论和实验表明：当入射的fs脉冲位于反常色散区时，在同样强度下，宽脉冲比窄脉冲产生的超连续光谱可以更宽。此时超连续光谱的产生机理被解释为高阶孤子裂变（fission）和四波混频。当脉宽较宽时，孤子的阶数大，犖阶孤子裂变为犖个脉冲，同时每个脉冲会发出对应的蓝移而且相位匹配的非孤子波，这个脉冲最终稳定并形成红移的个一阶孤子。兼并的四波混频将光谱加宽。Blanch等采用的脉冲能量较低时的实验能够揭示这一机理[31]。

目前利用PCF高效地产生超连续谱是国际研究的热点，而利用PCF的优点产生可用于波分复用（WDM）光通信系统的超连续谱的研究也日益受到重视。研究表明，采用PCF使产生超连续谱所需要的光强度大大降低。在标准光纤中，产生超连续谱需要的光强度至少比PCF需要的光强度高两个数量级，因此采用较低能量的fs种子光脉冲即可产生宽带的超连续光谱。2000年，Ranka等人采用未经放大的nJ量级的fs脉冲在PCF中产生了两个倍频程（400～1600nm）的超连续光谱。2002年，REEves等报道在软玻璃PCF中也能产生极宽的超连续光谱。他们用波长为1550nm、脉宽为100fs、平均功率为30mw的脉冲在75cm长的HN-PCF中产生了从350nm到2200nm的超连续光谱。2003年，Z.Yusoff等人报道了利用锁模掺铒光纤激光器泵浦PCF获得了36个信道10GHz的超连续谱脉冲光源的实验。2003年，Yamamoto等人利用

2.2ps、40GHz光脉冲和一段200m的保色散平坦PCF在1550nm波长区（1540～1580nm）获得了形状对称的超连续谱。

在国内，对HN-PCF超连续谱特性的研究也在积极开展。2006年，武汉邮电科学研究院烽火通信科技股份有限公司光纤研发部成功研制出HN-PCF，其非线性系数达到112.2W-1km-1，该光纤纤芯直径为1.65μｍ，空气孔直径为4.75μｍ，孔中心间距为5.35μｍ，零色散波长为1.12μｍ，800nm波长的色散为-88ps/（nm·km）。天津大学利用该HN-PCF成功进行了fs脉冲超连续光谱试验：将能量为5nJ、重复频率为100MHz、中心波长为800nm的30fs的钛蓝宝石激光脉冲耦合入2ｍ长的该HN-PCF中，得到了450-1400nm宽波段范围内的超连续光谱。

2.6.2 慢光效应

随着光纤通信技术的飞速发展，全光网以其可以在光域内完成光信号的传输和交换受到人们的日益关注，是光网络的一个重要发展方向。全光网要在光域完成光信号的交换和信号处理，需要光缓存作随机存储器。而目前光缓存还是一个技术“瓶颈”。要实现光缓存，必须使光脉冲的速度能慢下来，即可以实现慢光效应。慢光由

于在未来光通信中的光缓存和光信息处理等领域具有潜在的应用前景而受到了学术界越来越广泛的关注。

在各种慢光系统中，基于光纤的受激布里渊散射产生的慢光效应由于和光纤通信系统兼容而得到了深入的研究。当一束较强的激光入射到光纤中时，由于光致折射率改变效应，会在光纤中产生斯托克斯声学光子。该声学光子对光纤的折射率产生周期性调制而形成光栅，该光栅会反射入射光波。由于要保持能量守恒，反射光与入射光之间具有一个布里渊频移的波长差。如果站在斯托克斯光的角度来看，相当于光纤对斯托克斯光具有增益放大的作用。布里渊反射是个窄带增益的过程，根据Kramers Kronig关系，增益的变化通常会伴随折射率的变化。由于布里渊增益在窄带频率范围内从零变化到最大值，导致在很小的频率范围内折射率变化值对波长的斜率很大。这种折射率随光频率大斜率的变化导致在这个频率范围内光的群折射率很大，于是光脉冲的群速度大大降低。这就是光纤中基于布里渊反射的慢光延迟的基本原理。

在文献报道中，通常用普通单模光纤或者普通的高非线性光纤作为布里渊的增益介质来实现慢光延迟，所使用的光纤长度从500m到10km以上不等。虽然也有报道采用2m的单模光纤实现了慢光延迟，但是所用的泵浦功率高达10W。这样高的输入功率对光纤和器件及其稳定性都是一个严峻的考验。总而言之，传统的采用掺杂方式制作的光纤，由于掺杂浓度的限制，不能实现很大的折射率反差，所以不能对光模场实现很强的限制，因而不能具有很大的非线性。需要通过增加光纤长度来累积增益。PCF在包层中采用周期性排列的微结构空气孔，可以实现比传统的掺杂光纤大得多的折射率反差，因而对模场的限制作用比传统的掺杂光纤要强得多。小芯径HN-PCF在很小的纤芯区域对模场具有强限制作用，因而可以实现比普通光纤高得多的非线性。这种HN-PCF在非线性光纤光学领域将有广泛的应用。

3 光子晶体光纤的发展与应用趋势

1996年，英国南安普顿大学光电研究中心首先报道了成功制备出PCF。莫斯科大学A.M.Zheltikov等也进行了包层具有周期分布空气导孔的多孔光纤的研制。研究发现，改变多孔光纤包层的几何结构，可有效地增强光纤中非线性效应。这种方法可应用于脉冲压缩、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强。2001年，英国Bath大学Wadsworth 等实现了双包层光子晶体光纤结构。实验中发现，双包层光子晶体光纤存在随机散射中心，说明纤芯中存在着缺陷，有待进一步完善光子晶体光纤的结构。2003年1月，Wadsworth 等报道了利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCF 激光器，其结构为双程后向线性腔结构，实现单横模运转。为了使包层中的泵浦光最大限度的耦合到纤芯中，提高纤芯对泵浦光的吸收，PCF 的掺杂纤芯采用了偏芯设计。2004年初，Blaze曾发布了一款新型 PCF，该光纤是针对Nd3+微芯片激光器特别优化设计的，可产生超连续光谱，这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出，光谱亮度超过太阳10000 倍。Blaze表示利用微芯片激光器和 PCF 可获得高性能光源，将会取代 Lamp和超高亮度LED 等传统的宽带光源。

随着PCFG的成功制备以及对PCFG 认识的加深，各种基于PCFG的光子器件的研制，如各种 PCFG激光器、PCFG放大器、PCFG滤波器以及PCFG多维传感器等，也将随之兴起和发展。而研制结构新颖、功能优异的各种基于PCFG的新型光子器件，结合应用具有“奇异”光学特性的PCF，将给光纤技术的深远发展带来重大突破，为光通信与光传感的发展提供新思路、新方法及新技术，并为设计、研制基于PCFG 的新一代性能优异的光子器件开辟广阔的应用领域。

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致谢

大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我初步完成这篇毕业论文的时候，心里有一种如释重负的感觉，感慨颇多。

首先，感谢我的母校。在这里生活学习了四年，心里对她有一种莫名的感情，这里的一草一木，一山一水，一湖一景，曾经看起来都是那么的习以为常，而就在即将分离的这一刻，我才知道，这里承载了太多的欢歌和笑语，我将用心来缅怀在这里度过的美好时光。

其次，诚挚地感谢院领导以及我的专业指导老师，在论文的整个撰写过程中，从开始选题到完成整个论文，他们都给予了我一定的指导，特别是我的指导教师任老师。任老师渊博的学识，以及认真的态度，让我受益匪浅，在我不断学习和完善论文的过程中，老师都给予了我很大的帮助。

最后，在完成论文的过程中，同学们也给予我很多支持与帮助，在此也对他们表示衷心的感谢!