双包层光子晶体光纤特性研究

摘 要：通过对比双包层光子晶体光纤与聚合物双包层光纤的结构特性以及泵浦方法，得出双包层光子晶体光纤(DC-PCF)可以产生比聚合物双包层光纤大得多的数值孔径，但需要侧面泵浦和利用锥形多模光纤连接的PC-DCF不适合构建放大器的结论。研究表明，光子晶体光纤所具有的大数值孔径能有效地减少高功率放大器中的非线性光学效应。

关键词：双包层光子晶体光纤； 聚合物双包层光纤； 数值孔径； 泵浦方式

中图分类号：TN253-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0149-02

Characteristic Research of Double-cladding Photonic-crystal Fiber

SHEN Ying, WEI Huai

(Institute of Light Wave Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract： Recently, the double-cladding photonic-crystal fiber (DC-PCF) has been paid increasing attention due to its novel optical characteristics. Comparing the structure characteristic and pumping method of DC-PCF with those of polymer double-cladding fiber (DCF), it can be said that DC-PCF can possess a much larger numerical aperture than polymer DCF, but DC-PCF that requires side pumping and connection by tapered multi-mode fiber is unsuitable for constructing amplifiers. The research indicates that large numerical aperture in the photonic crystal fiber can effectively reduce the effect of non-linear optics in high power amplifiers.

Keywords： double-cladding photonic-crystal fiber; polymer double-cladding fiber; numerical aperture; pump form

收稿日期：2011-07-13

基金项目：国家自然科学基金资助项目（60807013）

首先简单介绍了光子晶体光纤放大器和激光器与传统光纤放大器和激光器相比的优势，以及双包层光子晶体光纤的基本结构特性。详细比较了双包层光子晶体光纤相对于聚合物双包层光纤的优点和缺点。然后说明了双包层光子晶体光纤的应用所长。最后总结出两种光纤特性的对比。

1 简 介

近年来，由于光子晶体光纤能提供高而稳定的输出功率，而且光束质量很好，光子晶体光纤已经引起了众多科研人员的兴趣。尽管传统的CO2和Nd-YAG等激光器也已经可以提供高的输出功率，光纤激光器却有其额外的优势，比如光束质量非常高、可靠性好、维护成本低等。虽然基于普通掺杂单模光纤的光纤激光器可以产生衍射极限输出，但是它对达到衍射极限光束质量的泵浦光源有所限制，因此通常这些泵浦光源的功率都很低。另一方面，多模光纤的使用通常会导致光束质量的下降。这个问题随着双包层光纤的发明已经得到解决。双包层光纤允许向光纤的内包层泵浦。激光在单模或多模纤芯中传播，纤芯外围是内包层，泵浦光在内包层中传播。光子晶体光纤技术为泵浦包层提供了非常高的数值孔径。只有纤芯（有时也可以是围绕纤芯的一个环）用稀土掺杂。泵浦光被折射率更低的外包层限制在内包层中。当泵浦光传播至单模纤芯中时，就能被激光活性离子吸收。内包层的面积比纤芯大得多，通常是纤芯面积的100~1 000倍，并且内包层的数值孔径也比芯层高得多。因此，双包层光子晶体光纤能支持很多种传播模式，而且尽管高功率激光二极管的输出光束质量不高，双包层光子晶体光纤也可以高效地接受它的输出光束。在光纤脉冲放大器和激光器中，当保持高峰值功率时，需要功率很高的泵浦二极管来增加脉冲频率。包层泵浦技术利用光能消耗低的多模激光二极管作为光纤激光器的泵浦源，以此来减少系统能量消耗。目前，聚合物类型的双包层光纤（DCF）用折射率低的聚合物作为泵浦光波导的包层，这种方式被大多数包层泵浦光纤激光器所采用。

另一方面，近年来双包层光子晶体光纤（PC-DCF）由于它们有趣的特性越来越引起人们的注意。PC-DCF结构的一个最大特点就是泵浦光波导被空气孔包围。下面，介绍PC-DCF相比于聚合物DCF的优点和缺点，并总结在脉冲放大器中的有效应用和使用。

2 双包层光子晶体光纤的优点

图1所示是用扫描电子显微镜观察到的双包层光子晶体光纤的横截面图。这个横截面的图示说明如图2所示。采用扫描电子显微镜观察时聚合物涂覆层已被去除，所以在图1中观察不到涂覆层。图2中描述的是横截面的折射率分布。光纤中央有稀土掺杂的纤芯，这个纤芯被纯二氧化硅制成的泵浦波导围住，泵浦波导被空气孔层围住。支撑层和聚合物涂覆层是为了增加光纤的机械强度和保护光纤不受外部环境的侵害，是必不可少的。泵浦波导的包层中空气孔使它的折射率非常低，从而使得泵浦波导的数值孔径（NA）很高。优良的NA是PC-DCF最有吸引力的优点。

另外，PCF能在一个很宽的波长范围内很好地控制色散。比起传统的PCF，PC-DCF的有效面积可以更灵活的设计。因此从理论上来说PC-DCF可以在超宽带波长范围内实现色散补偿。

3 双包层光子晶体光纤的缺点

虽然DC-PCF有不寻常的NA特性，但是因为难于处理，它仍然没有应用于大量生产。例如，通常采用利用V槽进行侧面泵浦或多模耦合来构造聚合物DCF放大器。运用这些方法时，空气孔层阻碍了外来的泵浦光进行耦合，这对侧面泵浦来说是个障碍。这个空气孔层能通过用氢氟酸腐蚀来去除，但是这也削弱了光纤强度。将DC-PCF应用到实际生产中还必须进行深入研究。

此外，将DC-PCF与锥形多模光纤连接到一起的同时产生很低的插入损耗是很困难的，从图3所示。空气包层模式将多模光束限制在锥形区域。空气孔被连接区域周围的热熔接压塌，大量泵浦光通过坍塌区域逃脱到支撑层。消除这些坍塌可以解决这个问题，但是连接两端光纤时，有些坍塌是必要的。

由于以上这些原因，需要侧面泵浦和利用锥形多模光纤连接的PC-DCF不适合构建放大器。传统的透镜耦合方法被考虑作为可行的解决办法。然而，用这种方法处理高功率需要仔细留心，高光功率产生的热量能轻易地移动透镜和滤波片。

4 双包层光子晶体光纤的应用

前面已经提到高的NA是PC-DCF最有吸引力的特性。高的NA能减少泵浦波导的横截面积，因为使用高放大率透镜时，泵浦光能被汇聚到泵浦波导并且产生一个非常小的焦点直径。高峰值功率脉冲放大器的光纤长度应该尽可能短，以便减少光纤中的非线性效应。由于光纤长度较短，提高泵浦光吸收效率就很有必要。泵浦光吸收率由纤芯与泵浦波导的面积比率和纤芯中稀土掺杂总量决定。可以说泵浦波导横截面积小的PC-DCF的光纤长度短于相同情况下聚合物类型的光纤长度。因此，用一段长度较短的PC-DCF获得足够的光纤增益是可能的。PC-DCF不仅适用于高峰值功率脉冲放大，而且适用于高平均功率连续波放大。包层泵浦光子晶体光纤放大器的发展才刚刚开始。在不久的将来还会出现很多有意义的成果。双包层光子晶体光纤与聚合物双包层光纤相比较的优点和缺点如表1所示。

5 结 语

根据以上分析，光子晶体光纤的高数值孔径对于增加泵浦光在短长度内的吸收率非常有效，同时，光子晶体光纤的大数值孔径对于降低高功率放大器中有害的非线性光学效应也十分有利。

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作者简介: 沈 莹 女，1987年出生，湖北人，硕士。主要研究方向为为光纤通信。

魏 淮 男，1973年出生，山东人，博士，副教授，硕士生导师。主要研究方向为光纤通信、光器件。

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