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非线性特种光纤的研究

2/14/2005来源:光纤通信人气:7751

非线性特种光纤的研究(龚岩栋,关雅莉、简水生) 「摘要」非线性光纤在光开关、光交换、光放大、光纤激光器等方面有着重要的应 用价值,本文研究了高掺锗光纤、硫系光纤和掺磷光纤的非线性问题,从理论到制作过 程都给予了深入的讨论,提出了一些有益的新思想,并对各自的适用范围做了比较。 「关键词]光纤;非线性 1引言 在通信光纤中,尤其在WDM系统中非线性时一个很重要的限制因素,但随着光纤通 信速率的快速增长,光开关、光交换、光放大、光纤激光器等新技术都大量应用于系统 之中,并代表了未来光纤通信的发展方向,而这其中的大部分光学器件都基于光纤中的 非线性效应。因此研制具有较大非线性系数,并具有其它特定功能的新型特种光纤是当 前国际上的一个研究热点。高渗错(Ge)光纤、硫(S)系光纤以及掺磷(P)光纤是本 文研究的重点。 2高渗错非线性光纤 普通色散位移光纤中的非线性系数很小,不能够提供光纤中足够的非线性,而锗元 素的非线性是硅的3倍,因此要想增大非线性,我们需要在光纤中掺入尽可能多的锗。 大非线性系数可以减小光器件所用的光纤长度。但我们都知道,光纤中的锗掺杂浓度是 有限的,当其达到饱合时,在正常条件下不可能再掺入更多。因此我们通过改进MCVD中 的掺杂工艺,经过多次试验,发现较低的沉积温度能够增加错的浓度;并且在缩棒时, 通过继续补错来防止中心下陷和增加纤芯中的错。同时我们也发现,纤芯厚度不能太小, 否则在2000℃的拉丝条件下锗将会扩散,从而造成折射率下降。 若将此非线性光纤用于非线性环行镜等,还需将其套管至合适的外径,使其零色散 点位于适当的波长。在非线性环行镜等光开关中,还需要解决偏振分量的脉冲走离问题, 而这可以从两方面解决,一个方法是使用低偏振模色散的非线性光纤,使偏振时延走离 最小,这可以通过拉丝时旋转预制律来实现;另一个方法是使用具有大非线性的偏振保 持光纤,如研制拥有一个高渗锗纤芯的PAN-DA光纤,使泵浦光和信号光都自始至终保 持一个偏振方向,从而增大非线性效率。 高掺错光纤除了具有较大的非线性系数外,还具有较强的紫外光敏性,这使得在此 光纤中可以容易地写入光纤光栅,制作全光纤一体化器件,而且这种锗系光纤可以利用 现有的MCVD工艺进行制作。 3硫系光纤 高渗错光纤虽然比普通光纤有较大的非线性系数,但仍需数百m至数千m来产生足够 的非线性,相比仍显不够,于是具有更大非线性系数的硫系光纤应用而生。而在硫系光 纤中As2S3材料光纤的非线性又为最强。它是指纤芯用AS38sS62,其折射率为2.600;而 包层采用As37.4S62.6,其折射率为2.443。它的非线性系数比掺错光纤要大两个数量级 以上。这样在制做非线性器件时,一般仅需数m即可,因此可以有效的提高光开关的开 关速率,可达数百Gb/s以上。 但硫系光纤也有它的缺点:1)损耗大,在1.55spm的通信窗口处大约有100dB/km 左右的损耗。2)折射率不匹配引起的接续损耗大,这可以通过采用纤芯熔融膨胀技术 来降低。3)硫系光纤在1.5pm通信窗口的较大的材料色散值,大约为400Ps/um·km。 它的零色散波长大约在5pm处,因此不能用通常的改变光纤结构的变化来调节色散值。 但是最近有发现说硫系光纤在可见光区发现了光敏性,因此可以利用633nm的He-Ne激 光器在光纤两端写入。chirp的光纤光栅实现色散补偿,实现零色散,消除脉冲走离。 4)硫系光纤必须采用特殊的生产工艺,如律管法制做。 4掺磷光纤 非线性拉曼散射放大器一直是人们研究的重点之一,因为它可以提供宽带的任意 波长的光放大,尤其在目前1.3pm窗口的掺话氯化物光纤还不成熟时,它有着非常重要 的意义。但是很难找到合适的1.24pm波长源,作为1.3pm窗口错光纤拉曼放大器的泵浦 源。 掺锗光纤的频移只有440cm,当采用1.06pm的Nd:YAG大功率固体激光器作为泵浦 源时,其三阶Stokes频移线才能到达1.24pm,而且三阶Stokes频移的效率很低。因此 我们需要研究一种新型的具有较大非线性拉曼频移的非线性光纤,而且其最好同时具 有较大的光敏性。 掺磷光纤被发现符合上述全部条件,它的非线性拉曼散射频移可达1300cm。即当 用1.06pm的Nd:YAG激光器时,其一阶Stokes频移线就能直接到达1.24pm,而二阶Sto kes频移线波长是1.48urn,分别可直接用做1.3pm窗口的拉曼光纤放大器和1.5pm窗口 掺饵光纤放大器的泵浦源,从而可以简化系统的设计。用Nd:YAG激光器在500m掺磷 光纤中注入4W的1.06pm泵浦光,可产生700mw的1.24pm一阶Stokes光,再将其注入一 段高渗锗光纤做成1.3Pm窗口的拉曼光纤放大器,可实现在1.3Pm窗口39dB的增益。掺 磷光纤也可以利用已有的MCVD工艺设备进行研制。 5结论 本文研究了几种非线性光纤的特性,高渗错光纤具有错光纤的优点,并容易制做, 但硫系光纤具有更大的非线性,而掺磷光纤则具有较大的拉曼频移,它们各有优缺点, 分别适用于特定的场合。 摘自《光纤与电缆》2000-2