基于光子晶体光纤非线性环路镜光开关的研究

　　非线性光学环路镜(NOLM)的结构,通过引入控制光,利用交叉相位调制效应,实现了完全的开关状态[1-3]. NOLM开关具有结构简单、响应速度快、转换效率高、使用灵活等优点,成为高速光学信号处理领域中一种重要的光开关器件.但由于普通光纤的非线性系数低,NOLM开关要采用几百米至几千米的光纤作为非线性介质,工作状态不稳定,对偏振态改变敏感,易受环境变化的影响,且要求控制光的功率大,严重影响了其实用化.近年来出现的光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)[4],可以获得比传统光纤大得多的非线性系数[5],较低的输入功率就可以引发较为显著的非线性效应[6].其非线性和色散特性可通过光纤结构参数的设计灵活调整,应用更加方便.改进制备工艺,使其传输损耗可达到和单模光纤比拟的程度,与普通光纤的耦合损耗也进一步降低[7],为实用化扫除了障碍.利用光子晶体光纤构成非线性环路镜,可以大大降低环长,使器件更紧凑和小型化,利于集成,提高了器件性能的稳定性,在较低控制光功率下可以实现全光开关的功能.

　　1　光子晶体光纤的非线性系数

　　作者采用一种全内反射(TIR)型光子晶体光纤,纤芯为实心石英纤芯,具有六角形空气孔排列,其端面结构如图1所示.

　　在研究光纤非线性特性时,通常利用非线性系数γ来表征某一波长的光在光纤中传输时所产生的非线性效应的强弱.对于光子晶体光纤,定义为

　　对于全内反射型光子晶体光纤来说,nc为芯折射率,可由Sellmeier公式得出.nd为包层折射率,可由包层基模有效折射率neff代替.在此类光子晶体光纤中,EH11模的有效折射率最大,它对应于包层空间填充模,即所谓的基模.于是求得此类型光子晶体光纤的包层基模有效折射率,根据式(3 )就可以求得其有效模场面积,从而进一步根据光子晶体光纤非线性系数γ的定义式求得非线性系数.对应六角型空气孔排列的光子晶体光纤的端面结构图,设空气孔直径为d,空气孔间距为Λ,定义空气填充比为d/Λ.设定Λ=2·5μm,光纤芯折射率为石英的典型值1·45,利用光子晶体光纤的矢量有效折射率分析方法[8],计算了在1·55μm波长处,非线性系数γ随d/Λ的变化关系如图2所示.

　　图中d/Λ只取到0·8是因为在实际拉制光纤过程中,空气填充比很难达到0·8以上,由图2可以看出,对于此类型的光子晶体光纤,给定波长与孔间距,光子晶体光纤的非线性系数γ随空气填充比d/Λ的增大而增大.这一点也可以给出定性解释:当空气填充比d/Λ增大时,包层的空气填充率增大,其平均折射率比变低,导致纤芯与包层之间的折射率差增加,从而限制光场的有效面积变小,使得非线性系数增大.可见要增大光子晶体光纤对某一波长光的非线性系数,在不填充其他非线性材料的情况下,需要对其结构进行合理的设计.