高非线性铋酸盐玻璃光纤研究进展

    作者：戴世勋，聂秋华，徐铁锋，沈详，王训四

    [摘要]：一种具有极高非线性系数(g＝1360W-1km-1)新型的非线性光纤－铋酸盐玻璃光纤近年来受到广泛关注。本文首先介绍了铋酸盐玻璃作为非线性材料的特点，综述了铋酸盐玻璃光纤作为高非线性光纤的研究历程和应用情况，最后对当前铋酸盐玻璃光纤研究中存在的问题进行了讨论。

    [关键词]：铋酸盐玻璃光纤；非线性；全光网络

    1  引言

    光纤中的非线性效应早在1972年已有研究报导，并在20世纪八十至九十年代得到了快速的发展。早期光纤中的非线性效应是作为通信系统中负面的影响因素得以研究发展的，但随着光纤通信容量和速率的快速增长，光纤非线性效应又重新被认识。目前光纤网络正朝全光网络方向发展。全光网络是指光信息流在网络中的传输交换及处理始终以光的形式实现，而不需要经过光/电、电/光变换。但全光网络的实现还依赖于相应光电器件（例如：全光光开关（OpticalSwitch）和全光波长转换器OTU(OpticalTranslatorUnit)等）的发展。目前基于非线性效应的光开关、光交换等光器件也开始应用于光通信系统中。利用材料的三阶非线性特性的全光开关对实现未来全光通信是很有吸引力的，同时基于高非线性光纤四波混频效应（FWM）的全光纤波长变换技术由于它具有宽带的多信道同时变换能力以及远大于电子器件速率极限的超高响应速度（约为100THz）等优点，在高速WDM网络中展示了极为广阔的应用前景。因此，基于新材料基质和新结构的高非线性光纤成为研究者关注的领域。目前高非线性光纤种类主要集中在三个方面：（1）基于石英基质的光子晶体光纤（PCF）；（2）掺杂金属量子点石英光纤；（3）多组分玻璃基质（包括硫系玻璃、硅铅玻璃、铋酸盐玻璃等）的非线性光纤。其中铋酸盐玻璃光纤作为一种新型多组分玻璃光纤，是目前报道的最高非线性系数(γ＝1360W-1km-1)光纤，其研究进展和实用化进程发展相对较快。本文首先介绍了铋酸盐玻璃的特点，然后综述了铋酸盐玻璃光纤作为高非线性光纤的研究历程和应用情况，最后并指出了其存在的问题。

    2  铋酸盐玻璃的特点

    铋酸盐玻璃是近年来新出现的一种新型重金属氧化物光学玻璃材料[1]，它以Bi2O3成分为主要玻璃形成体，具有优良的红外透过性能(0.45～5mm)，高折射率n（1.87～2.6），高的非线性折射率n2（32～1810×10-20m2/W），较低的转变温度（～500°C）和熔化温度（～900°C），较高的机械强度和化学稳定性（与硫系玻璃、碲酸盐玻璃相比），以及无毒性等优点。此外铋酸盐玻璃还具有高的非线性系数和超快光响应速度，并且其本征吸收最小值靠近通信1550nm波段[2]。常见的铋酸盐玻璃系统主要有Bi2O3-PbO[1],Bi2O3-B2O3-SiO2[2]和Bi2O3-Li2O[3]等。光纤中的非线性效应主要起源于材料的三阶电极化率χ(3)，图1为SugimotoN等人用三次谐波产生法（THG）测定的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的三阶电极化率χ(3)值与Bi2O3含量关系[2]，可看出铋酸盐玻璃的χ(3)值随Bi2O3含量的增加而增大，当Bi2O3含量为92 wt%时χ(3)达到最大值为9.3×10-12 esu，这个数值和As2S3硫系玻璃的χ(3) （约为1.1×10-11 esu）相当，是最大χ(3)数值的硅铅氧化物玻璃的三倍。图2给出了Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃和其它各种光学材料的c(3)数值与折射率之间的关系，可看出一般高折射率高色散光学材料其χ(3)数值也高，Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的三阶电极化χ(3)值高出石英玻璃2~3个数量级。

    3  高非线性铋酸盐玻璃光纤的研究历程

    光纤非线性系数γ与光纤有效纤芯面积Aeff和非线性折射率n2存在以下关系：

    从公式（1）中看出γ值与材料的非线性折射率n2成正比，与有效纤芯面积Aeff成反比。n2依赖于材料组成和折射率。一般高折射率高色散光学材料具有较大的n2值。Aeff与光纤的模场直径MFD有一一对应的关系。从公式（1）可知欲提高γ值，有两种途径，一是减少Aeff值，二是增加n2值。一般石英光纤γ值很小（2.7W-1Km-1），实现足够的非线性效应在泵浦功率大于1W时所需光纤长度也要几公里。研究者通过在石英纤芯中掺杂Ge离子可将石英光纤的非线性系数γ提高至20W-1Km-1，但Ge离子掺杂浓度有限。近来在被誉为第三代非线性光学介质的光子晶体石英光纤中通过设计新型多孔结构，可缩小有效纤芯面积Aeff（可达2.8mm2），可使石英光子晶体光纤的非线性系数γ增至为35W-1Km-1[4]。

    要想进一步大幅度提高光纤的非线性效应，必须提高光纤材料基质本身的n2值。于是部分研究者开始转向非石英基质的玻璃光纤，早期研究较多的是高折射率高色散光学材料，主要包括硅铅氧化物玻璃和硫系玻璃。而后者自90年代以来研究进展迅速，硫系玻璃（As2S3）具有折射率高（2.4），非线性折射率大（2000´10-20m2/W），响应时间快（亚皮秒）、色散大（1.55mm处的色散可达-410ps/nm.km）。利用硫系光纤制成的C-NORM结构用作全光开关，其开关功率最低值为0.4W，开关速度可达40GHz。但是由于硫系光纤可靠性和耐久性较差，加之硫系光纤在接近带隙波长的光辐射下易导致光损害，使其在实用化方面有较大的障碍。

    2002年K.Kikuchi等人[5]首次提出了无掺杂的铋酸盐玻璃光纤用于全光网络信号处理可能性，研制的铋酸盐光纤以Bi2O3-SiO2玻璃系统为基质，MFD值为5.1mm，损耗为0.8dB/m，铋酸盐光纤与石英光纤两端总熔接损耗为0.48dB，实验中采用FWM测试方法测试铋酸盐光纤的非线性系数g，测试装置原理如图5所示，泵浦源为1550nm的DFB激光器，通过EDFA放大后，与波长为1549nmDFB激光器发出的信号光一起耦合进被测1米左右的铋酸盐光纤，输出信号用光谱仪分析测试。FWM产生的光强度Pav与泵浦光强度P0之比r（Z）和非线性光纤长度z存在以下关系[6]：

    其中a为光纤损耗。通过（2），（3）公式计算得出铋酸盐光纤在1550nm处的g值为64W-1Km–1，这个数值是普通石英光纤的24倍。

    另外，光纤的n2和材料的三阶非线性极化率χ(3)存在以下关系[6]

    从式（4）和（5）可知，n2和n之间存在n2∝n6关系，因此提高光纤基质材料折射率可以有效的提高光纤非线性系数γ。另外，Aeff和MFD两者之间近似存在Aeff≌π（MFD/2）2的关系，因此欲减少Aeff数值需采用小的MFD光纤，即要求光纤纤芯和包层折射率差值Dn较大。

    2004年T.Nagashima等[6]从降低Aeff提高γ值角度出发，研制成γ值大于900W-1km-1的铋酸盐光纤，图4是推导的Aeff与纤芯直径d的关系图，d值在1.4～1.9mm时Aeff值最小。利用Z扫描法（Z-Scan）测量出纤芯材料在1550nm处的n2值为7.6×10－11m2W-1。拉制的光纤d和Aeff值分别为1.72mm和3.3mm2，NA值高达0.61，在1310nm处的损耗为1.9dB/m，通过理论计算推导出γ值大于900W-1km-1。N.Sugimot等[7]采用FWM方法对该光纤γ值进行了准确测量，测定在1550nm处的γ值为1360W-1 Km-1，对应的n2值为1.1×10-18m2W-1，这是迄今为止报道的最大非线性系数γ值，这个数值是普通石英光纤300倍，是最大γ数值的PCF光纤的20倍。

    近年来研究者通过设计光子晶体光纤结构对铋酸盐玻璃光纤也进行了研究，光子晶体光纤的光子能带效应，色散平移，无截止单模特性，能有效地限制光在纤芯中的传播，这些特性主要是因为基质材料和空气之间的折射率差异导致。而基质材料中的高非线性折射率则是影响光子晶体光纤的强非线性效应的关键参数。2004年的OFC会议上英国Southampton大学光电子中心H.Ebendorff-Heidepriem等[8]报道了一种铋酸盐玻璃基质的光子晶体光纤，光纤端面如图6所示，经测量其γ值在1.55µm处为1100W-1Km-1，图7为理论计算和实验测定的铋酸盐光子晶体光纤的非线性系数γ与光纤纤芯直径之间的关系图，其中实线是根据ASR（air-suspendedrod）理论模型计算的曲线，可看出当减小芯径时，铋酸盐光子晶体光纤的的非线性效应会有大幅度提升，当芯径直径在0.8µm左右时γ可达到2200W-1Km-1[8]。表1总结了近年来已报道的铋酸盐玻璃光纤非线性参数及其它特性，以供大家参考。

    表1  高非线性铋酸盐玻璃光纤参数特性

    4  高非线性铋酸盐光纤应用

    目前高非线性铋酸盐玻璃光纤应用主要集中在两个方面：

    (1)光波长转换

    2004年OFC会议上，东京大学JuHanLee等[10]利用非线性系数为1100W-1km-1铋酸盐光纤在40cm长度下产生的四波混频效应成功实现了40Gib/s的NRZ信号的波长转换，得到了Dl超过10nm的转换带宽。2005年Ju Han Lee等 [11]利用1米长左右的铋酸盐光纤实现了80Gbit/s全光纤OTDM信号波长转换，得到了Dl超过20nm的转换带宽，研究者指出如果进一步降低光纤的熔接损耗和群色散位移（GVD）数值，铋酸盐玻璃光纤可用于160Gbit/s的四波混频型波长转换。

    (2)超连续脉冲的产生

    2004年JulietT.Gopinath等[12]用掺铒光纤激光器作泵浦源，泵浦2cm长的铋酸盐玻璃光纤获得了一个近500nm谱宽、强度平坦的SC光源。图9为不同泵浦功率下的SC谱，其中在32mW泵浦功率（脉冲宽度为865fs）下，获得的SC谱范围为1300~>1700nm（频谱仪测量范围在1700nm以内），3dB总宽度为170nm。采用的铋酸盐玻璃光纤g值为1100W-1Km-1，色散斜率为250ps/nm/km。

    5  存在的问题

    尽管铋酸盐玻璃光纤具有较高的非线性系数，但有两个问题一直困扰着它的实际应用：

    (1)铋酸盐玻璃光纤本身损耗以及和石英光纤熔接损耗过高。已有的报道显示，铋酸盐玻璃光纤在1.55mm通信波段目前损耗数值最低约为0.8dB/m，与石英光纤的熔接平均损耗大约在3~8dB之间。如何进一步降低铋酸盐玻璃光纤本征损耗及与石英光纤熔接损耗是其在高非线性光器件运用中面临的最实际的问题。研究者们在这方面进行了大量研究，通过改进光纤结构和提高材料制备工艺，铋酸盐光纤在这两方面的缺陷也得到了较大改进。例如：为降低由于铋酸盐玻璃光纤与传统的石英光纤模场直径两者不匹配造成熔接时较高的损耗，研究者采用了一种高数值孔径的石英光纤（NA为0.35）与铋酸盐光纤进行熔接实验，可使其熔接平均损耗降至2.5dB以下[13]。

    (2)铋酸盐玻璃光纤具有较大的群速度色散（GVD）数值。图10为文献[6]中报道的铋酸盐玻璃光纤的色散斜率图。铋酸盐玻璃材料的零色散波长约在2310nm处，所以在通信波段处（1.3~1.5mm）有着较大的色散。在1.55mm通信处的GVD值-130～-270ps/nm/km。在高速大容量的光纤通信中，由于光纤介质表现出非线性，光脉冲包络的形状会发生变化，这种影响光信号接收的变化就称为群速度色散，群速度色散会引起传输波形的展宽。研究者通过设计光子晶体结构的铋酸盐玻璃光纤可在一定程度上降低色散。

    6  结束语

    尽管铋酸盐玻璃光纤是目前非线性系数最高的非线性光纤，但其较大熔接损耗和色散在一定程度上限制了其在实际方面的应用，还需要进行大量的研究工作。随着材料制备工艺的深入和发展,其综合性能相信会更加可靠和稳定，在未来的高速光通信网中将会发挥更大的作用。

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