高非線性鉍酸鹽玻璃光纖研究進(jìn)展

戴世勛1*，聶秋華1，徐鐵鋒1，沈詳1，王訓(xùn)四1
（1.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，315211 寧波

[摘要]：一種具有極高非線性系數(shù)(g＝1360W-1km-1)新型的非線性光纖－鉍酸鹽玻璃光纖近年來受到廣泛關(guān)注。本文首先介紹了鉍酸鹽玻璃作為非線性材料的特點(diǎn)，綜述了鉍酸鹽玻璃光纖作為高非線性光纖的研究歷程和應(yīng)用情況，最后對(duì)當(dāng)前鉍酸鹽玻璃光纖研究中存在的問題進(jìn)行了討論。
[關(guān)鍵詞]：鉍酸鹽玻璃光纖；非線性；全光網(wǎng)絡(luò)

1 引言
光纖中的非線性效應(yīng)早在1972年已有研究報(bào)導(dǎo)，并在20世紀(jì)八十至九十年代得到了快速的發(fā)展。早期光纖中的非線性效應(yīng)是作為通信系統(tǒng)中負(fù)面的影響因素得以研究發(fā)展的，但隨著光纖通信容量和速率的快速增長(zhǎng)，光纖非線性效應(yīng)又重新被認(rèn)識(shí)。目前光纖網(wǎng)絡(luò)正朝全光網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。全光網(wǎng)絡(luò)是指光信息流在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸交換及處理始終以光的形式實(shí)現(xiàn)，而不需要經(jīng)過光/電、電/光變換。但全光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)還依賴于相應(yīng)光電器件（例如：全光光開關(guān)（Optical Switch）和全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器OTU(Optical Translator Unit)等）的發(fā)展。目前基于非線性效應(yīng)的光開關(guān)、光交換等光器件也開始應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中。利用材料的三階非線性特性的全光開關(guān)對(duì)實(shí)現(xiàn)未來全光通信是很有吸引力的，同時(shí)基于高非線性光纖四波混頻效應(yīng)（FWM）的全光纖波長(zhǎng)變換技術(shù)由于它具有寬帶的多信道同時(shí)變換能力以及遠(yuǎn)大于電子器件速率極限的超高響應(yīng)速度（約為100THz）等優(yōu)點(diǎn)，在高速WDM網(wǎng)絡(luò)中展示了極為廣闊的應(yīng)用前景。因此，基于新材料基質(zhì)和新結(jié)構(gòu)的高非線性光纖成為研究者關(guān)注的領(lǐng)域。目前高非線性光纖種類主要集中在三個(gè)方面：（1）基于石英基質(zhì)的光子晶體光纖（PCF）；（2）摻雜金屬量子點(diǎn)石英光纖；（3）多組分玻璃基質(zhì)（包括硫系玻璃、硅鉛玻璃、鉍酸鹽玻璃等）的非線性光纖。其中鉍酸鹽玻璃光纖作為一種新型多組分玻璃光纖，是目前報(bào)道的最高非線性系數(shù)(γ＝1360W-1km-1)光纖，其研究進(jìn)展和實(shí)用化進(jìn)程發(fā)展相對(duì)較快。本文首先介紹了鉍酸鹽玻璃的特點(diǎn)，然后綜述了鉍酸鹽玻璃光纖作為高非線性光纖的研究歷程和應(yīng)用情況，最后并指出了其存在的問題。

2 鉍酸鹽玻璃的特點(diǎn)
鉍酸鹽玻璃是近年來新出現(xiàn)的一種新型重金屬氧化物光學(xué)玻璃材料[1]，它以Bi2O3成分為主要玻璃形成體，具有優(yōu)良的紅外透過性能 (0.45～5mm)，高折射率n（1.87～2.6），高的非線性折射率n2（32～1810×10-20m2/W），較低的轉(zhuǎn)變溫度（～500°C）和熔化溫度（～900°C），較高的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性（與硫系玻璃、碲酸鹽玻璃相比），以及無毒性等優(yōu)點(diǎn)。此外鉍酸鹽玻璃還具有高的非線性系數(shù)和超快光響應(yīng)速度，并且其本征吸收最小值靠近通信1550nm波段[2]。常見的鉍酸鹽玻璃系統(tǒng)主要有Bi2O3-PbO[1], Bi2O3-B2O3-SiO2[2]和Bi2O3-Li2O[3]等。光纖中的非線性效應(yīng)主要起源于材料的三階電極化率χ^(3)，圖1為Sugimoto N等人用三次諧波產(chǎn)生法（THG）測(cè)定的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的三階電極化率χ⁽³⁾值與Bi2O3含量關(guān)系[2]，可看出鉍酸鹽玻璃的χ⁽³⁾值隨Bi2O3含量的增加而增大，當(dāng)Bi2O3含量為92 wt%時(shí)χ⁽³⁾達(dá)到最大值為9.3×10-12 esu，這個(gè)數(shù)值和As2S3硫系玻璃的χ(3) （約為1.1×10-11 esu）相當(dāng)，是最大χ⁽³⁾數(shù)值的硅鉛氧化物玻璃的三倍。圖2給出了Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃和其它各種光學(xué)材料的c(3)數(shù)值與折射率之間的關(guān)系，可看出一般高折射率高色散光學(xué)材料其χ⁽³⁾數(shù)值也高，Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的三階電極化χ⁽³⁾值高出石英玻璃2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 高非線性鉍酸鹽玻璃光纖的研究歷程
光纖非線性系數(shù)γ與光纖有效纖芯面積Aeff和非線性折射率n2存在以下關(guān)系：

                 
從公式（1）中看出γ值與材料的非線性折射率n2成正比，與有效纖芯面積Aeff成反比。n2依賴于材料組成和折射率。一般高折射率高色散光學(xué)材料具有較大的n2值。Aeff與光纖的模場(chǎng)直徑MFD有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。從公式（1）可知欲提高γ值，有兩種途徑，一是減少Aeff值，二是增加n2值。一般石英光纖γ值很�。�2.7W-1Km-1），實(shí)現(xiàn)足夠的非線性效應(yīng)在泵浦功率大于1W時(shí)所需光纖長(zhǎng)度也要幾公里。研究者通過在石英纖芯中摻雜Ge離子可將石英光纖的非線性系數(shù)γ提高至20W-1Km-1，但Ge離子摻雜濃度有限。近來在被譽(yù)為第三代非線性光學(xué)介質(zhì)的光子晶體石英光纖中通過設(shè)計(jì)新型多孔結(jié)構(gòu)，可縮小有效纖芯面積Aeff（可達(dá)2.8mm2），可使石英光子晶體光纖的非線性系數(shù)γ增至為35W-1Km-1 [4]。

要想進(jìn)一步大幅度提高光纖的非線性效應(yīng)，必須提高光纖材料基質(zhì)本身的n2值。于是部分研究者開始轉(zhuǎn)向非石英基質(zhì)的玻璃光纖，早期研究較多的是高折射率高色散光學(xué)材料，主要包括硅鉛氧化物玻璃和硫系玻璃。而后者自90年代以來研究進(jìn)展迅速，硫系玻璃（As2S3）具有折射率高（2.4），非線性折射率大（2000´10-20 m2/W），響應(yīng)時(shí)間快（亞皮秒）、色散大（1.55mm處的色散可達(dá)-410ps/nm.km）。利用硫系光纖制成的C-NORM結(jié)構(gòu)用作全光開關(guān)，其開關(guān)功率最低值為0.4W，開關(guān)速度可達(dá)40GHz。但是由于硫系光纖可靠性和耐久性較差，加之硫系光纖在接近帶隙波長(zhǎng)的光輻射下易導(dǎo)致光損害，使其在實(shí)用化方面有較大的障礙。

2002年K.Kikuchi 等人[5]首次提出了無摻雜的鉍酸鹽玻璃光纖用于全光網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理可能性，研制的鉍酸鹽光纖以Bi2O3-SiO2玻璃系統(tǒng)為基質(zhì)，MFD值為5.1 mm，損耗為0.8dB/m，鉍酸鹽光纖與石英光纖兩端總?cè)劢訐p耗為0.48dB，實(shí)驗(yàn)中采用FWM測(cè)試方法測(cè)試鉍酸鹽光纖的非線性系數(shù)g，測(cè)試裝置原理如圖5所示，泵浦源為1550nm的DFB激光器，通過EDFA放大后，與波長(zhǎng)為1549nm DFB激光器發(fā)出的信號(hào)光一起耦合進(jìn)被測(cè)1米左右的鉍酸鹽光纖，輸出信號(hào)用光譜儀分析測(cè)試。FWM產(chǎn)生的光強(qiáng)度Pav與泵浦光強(qiáng)度P0之比r（Z）和非線性光纖長(zhǎng)度z存在以下關(guān)系[6]：

             
其中a為光纖損耗。通過（2），（3）公式計(jì)算得出鉍酸鹽光纖在1550nm處的g值為64W-1Km –1，這個(gè)數(shù)值是普通石英光纖的24倍。
另外，光纖的n2和材料的三階非線性極化率χ⁽³⁾存在以下關(guān)系[6]

            
從式 （4）和（5）可知，n2和n之間存在n2∝n⁶關(guān)系，因此提高光纖基質(zhì)材料折射率可以有效的提高光纖非線性系數(shù)γ。另外，Aeff和MFD兩者之間近似存在Aeff≌π（MFD/2）²的關(guān)系，因此欲減少Aeff數(shù)值需采用小的MFD光纖，即要求光纖纖芯和包層折射率差值Dn較大。

2004年T.Nagashima等 [6]從降低Aeff提高γ值角度出發(fā)，研制成γ值大于900W-1km-1的鉍酸鹽光纖，圖4是推導(dǎo)的Aeff與纖芯直徑d的關(guān)系圖，d值在1.4～1.9mm時(shí)Aeff值最小。利用Z掃描法（Z-Scan）測(cè)量出纖芯材料在1550 nm處的n2值為7.6×10－11m2W-1。拉制的光纖d和Aeff值分別為1.72mm和3.3mm2，NA值高達(dá)0.61，在1310nm處的損耗為1.9dB/m，通過理論計(jì)算推導(dǎo)出γ值大于900W-1km-1。N.Sugimot等 [7]采用FWM方法對(duì)該光纖γ值進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)定在1550nm處的γ值為1360W-1 Km-1，對(duì)應(yīng)的n2值為1.1×10-18m2W-1，這是迄今為止報(bào)道的最大非線性系數(shù)γ值，這個(gè)數(shù)值是普通石英光纖300倍，是最大γ數(shù)值的PCF光纖的20倍。

近年來研究者通過設(shè)計(jì)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)對(duì)鉍酸鹽玻璃光纖也進(jìn)行了研究，光子晶體光纖的光子能帶效應(yīng)，色散平移，無截止單模特性，能有效地限制光在纖芯中的傳播，這些特性主要是因?yàn)榛�質(zhì)材料和空氣之間的折射率差異導(dǎo)致。而基質(zhì)材料中的高非線性折射率則是影響光子晶體光纖的強(qiáng)非線性效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。2004年的OFC會(huì)議上英國(guó)Southampton大學(xué)光電子中心H.Ebendorff-Heidepriem等[8]報(bào)道了一種鉍酸鹽玻璃基質(zhì)的光子晶體光纖，光纖端面如圖6所示，經(jīng)測(cè)量其γ值在1.55µm處為1100 W-1Km-1，圖7為理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的鉍酸鹽光子晶體光纖的非線性系數(shù)γ與光纖纖芯直徑之間的關(guān)系圖，其中實(shí)線是根據(jù)ASR（air-suspended rod）理論模型計(jì)算的曲線，可看出當(dāng)減小芯徑時(shí)，鉍酸鹽光子晶體光纖的的非線性效應(yīng)會(huì)有大幅度提升，當(dāng)芯徑直徑在0.8µm左右時(shí)γ可達(dá)到2200 W-1Km-1[8]。表1總結(jié)了近年來已報(bào)道的鉍酸鹽玻璃光纖非線性參數(shù)及其它特性，以供大家參考。

表1    高非線性鉍酸鹽玻璃光纖參數(shù)特性

4 高非線性鉍酸鹽光纖應(yīng)用
目前高非線性鉍酸鹽玻璃光纖應(yīng)用主要集中在兩個(gè)方面：
(1) 光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換
   2004年OFC會(huì)議上，東京大學(xué)Ju Han Lee等 [10]利用非線性系數(shù)為1100W-1km-1鉍酸鹽光纖在40cm長(zhǎng)度下產(chǎn)生的四波混頻效應(yīng)成功實(shí)現(xiàn)了40Gib/s的NRZ信號(hào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，得到了Dl超過10nm的轉(zhuǎn)換帶寬。2005年Ju Han Lee等 [11]利用1米長(zhǎng)左右的鉍酸鹽光纖實(shí)現(xiàn)了80Gbit/s全光纖OTDM信號(hào)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，得到了Dl超過20nm的轉(zhuǎn)換帶寬，研究者指出如果進(jìn)一步降低光纖的熔接損耗和群色散位移（GVD）數(shù)值，鉍酸鹽玻璃光纖可用于160Gbit/s的四波混頻型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
 
(2) 超連續(xù)脈沖的產(chǎn)生
   

2004年Juliet T. Gopinath等[12]用摻鉺光纖激光器作泵浦源，泵浦2cm長(zhǎng)的鉍酸鹽玻璃光纖獲得了一個(gè)近500nm譜寬、強(qiáng)度平坦的SC光源。圖9為不同泵浦功率下的SC譜，其中在32mW泵浦功率（脈沖寬度為865fs）下，獲得的SC譜范圍為1300~>1700nm（頻譜儀測(cè)量范圍在1700nm以內(nèi)），3dB總寬度為170nm。采用的鉍酸鹽玻璃光纖g值為1100 W-1Km-1，色散斜率為250ps/nm/km。

5 存在的問題
盡管鉍酸鹽玻璃光纖具有較高的非線性系數(shù)，但有兩個(gè)問題一直困擾著它的實(shí)際應(yīng)用：
(1) 鉍酸鹽玻璃光纖本身損耗以及和石英光纖熔接損耗過高。已有的報(bào)道顯示，鉍酸鹽玻璃光纖在1.55mm通信波段目前損耗數(shù)值最低約為0.8dB/m，與石英光纖的熔接平均損耗大約在3~8dB之間。如何進(jìn)一步降低鉍酸鹽玻璃光纖本征損耗及與石英光纖熔接損耗是其在高非線性光器件運(yùn)用中面臨的最實(shí)際的問題。研究者們?cè)谶@方面進(jìn)行了大量研究，通過改進(jìn)光纖結(jié)構(gòu)和提高材料制備工藝，鉍酸鹽光纖在這兩方面的缺陷也得到了較大改進(jìn)。例如：為降低由于鉍酸鹽玻璃光纖與傳統(tǒng)的石英光纖模場(chǎng)直徑兩者不匹配造成熔接時(shí)較高的損耗，研究者采用了一種高數(shù)值孔徑的石英光纖（NA為0.35）與鉍酸鹽光纖進(jìn)行熔接實(shí)驗(yàn)，可使其熔接平均損耗降至2.5dB以下[13]。

(2) 鉍酸鹽玻璃光纖具有較大的群速度色散（GVD）數(shù)值。圖10為文獻(xiàn)[6]中報(bào)道的鉍酸鹽玻璃光纖的色散斜率圖。鉍酸鹽玻璃材料的零色散波長(zhǎng)約在2310nm處，所以在通信波段處（1.3~1.5mm）有著較大的色散。在1.55mm通信處的GVD值-130～-270 ps/nm/km。在高速大容量的光纖通信中，由于光纖介質(zhì)表現(xiàn)出非線性，光脈沖包絡(luò)的形狀會(huì)發(fā)生變化，這種影響光信號(hào)接收的變化就稱為群速度色散，群速度色散會(huì)引起傳輸波形的展寬。研究者通過設(shè)計(jì)光子晶體結(jié)構(gòu)的鉍酸鹽玻璃光纖可在一定程度上降低色散。

6 結(jié)束語
   盡管鉍酸鹽玻璃光纖是目前非線性系數(shù)最高的非線性光纖，但其較大熔接損耗和色散在一定程度上限制了其在實(shí)際方面的應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的研究工作。隨著材料制備工藝的深入和發(fā)展, 其綜合性能相信會(huì)更加可靠和穩(wěn)定，在未來的高速光通信網(wǎng)中將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

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