高非線性鉍酸鹽玻璃光纖研究進展

    作者：戴世勛，聶秋華，徐鐵鋒，沈詳，王訓四

    [摘要]：一種具有極高非線性系數(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注。本文首先介紹了鉍酸鹽玻璃作為非線性材料的特點，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用情況，最后對當前鉍酸鹽玻璃光纖研究中存在的問題進行了討論。

    [關鍵詞]：鉍酸鹽玻璃光纖；非線性；全光網絡

    1  引言

    光纖中的非線性效應早在1972年已有研究報導，并在20世紀八十至九十年代得到了快速的發展。早期光纖中的非線性效應是作為通信系統中負面的影響因素得以研究發展的，但隨著光纖通信容量和速率的快速增長，光纖非線性效應又重新被認識。目前光纖網絡正朝全光網絡方向發展。全光網絡是指光信息流在網絡中的傳輸交換及處理始終以光的形式實現，而不需要經過光/電、電/光變換。但全光網絡的實現還依賴于相應光電器件（例如：全光光開關（OpticalSwitch）和全光波長轉換器OTU(OpticalTranslatorUnit)等）的發展。目前基于非線性效應的光開關、光交換等光器件也開始應用于光通信系統中。利用材料的三階非線性特性的全光開關對實現未來全光通信是很有吸引力的，同時基于高非線性光纖四波混頻效應（FWM）的全光纖波長變換技術由于它具有寬帶的多信道同時變換能力以及遠大于電子器件速率極限的超高響應速度（約為100THz）等優點，在高速WDM網絡中展示了極為廣闊的應用前景。因此，基于新材料基質和新結構的高非線性光纖成為研究者關注的領域。目前高非線性光纖種類主要集中在三個方面：（1）基于石英基質的光子晶體光纖（PCF）；（2）摻雜金屬量子點石英光纖；（3）多組分玻璃基質（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，是目前報道的最高非線性系數(γ＝1360W-1km-1)光纖，其研究進展和實用化進程發展相對較快。本文首先介紹了鉍酸鹽玻璃的特點，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用情況，最后并指出了其存在的問題。

    2  鉍酸鹽玻璃的特點

    鉍酸鹽玻璃是近年來新出現的一種新型重金屬氧化物光學玻璃材料[1]，它以Bi2O3成分為主要玻璃形成體，具有優良的紅外透過性能(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），較低的轉變溫度（～500°C）和熔化溫度（～900°C），較高的機械強度和化學穩定性（與硫系玻璃、碲酸鹽玻璃相比），以及無毒性等優點。此外鉍酸鹽玻璃還具有高的非線性系數和超快光響應速度，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主要有Bi2O3-PbO[1],Bi2O3-B2O3-SiO2[2]和Bi2O3-Li2O[3]等。光纖中的非線性效應主要起源于材料的三階電極化率χ(3)，圖1為SugimotoN等人用三次諧波產生法（THG）測定的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的三階電極化率χ(3)值與Bi2O3含量關系[2]，可看出鉍酸鹽玻璃的χ(3)值隨Bi2O3含量的增加而增大，當Bi2O3含量為92 wt%時χ(3)達到最大值為9.3×10-12 esu，這個數值和As2S3硫系玻璃的χ(3) （約為1.1×10-11 esu）相當，是最大χ(3)數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材料的c(3)數值與折射率之間的關系，可看出一般高折射率高色散光學材料其χ(3)數值也高，Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的三階電極化χ(3)值高出石英玻璃2~3個數量級。

    3  高非線性鉍酸鹽玻璃光纖的研究歷程

    光纖非線性系數γ與光纖有效纖芯面積Aeff和非線性折射率n2存在以下關系：

    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材料具有較大的n2值。Aeff與光纖的模場直徑MFD有一一對應的關系。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），實現足夠的非線性效應在泵浦功率大于1W時所需光纖長度也要幾公里。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γ提高至20W-1Km-1，但Ge離子摻雜濃度有限。近來在被譽為第三代非線性光學介質的光子晶體石英光纖中通過設計新型多孔結構，可縮小有效纖芯面積Aeff（可達2.8mm2），可使石英光子晶體光纖的非線性系數γ增至為35W-1Km-1[4]。

    要想進一步大幅度提高光纖的非線性效應，必須提高光纖材料基質本身的n2值。于是部分研究者開始轉向非石英基質的玻璃光纖，早期研究較多的是高折射率高色散光學材料，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´10-20m2/W），響應時間快（亞皮秒）、色散大（1.55mm處的色散可達-410ps/nm.km）。利用硫系光纖制成的C-NORM結構用作全光開關，其開關功率最低值為0.4W，開關速度可達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的光輻射下易導致光損害，使其在實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絡信號處理可能性，研制的鉍酸鹽光纖以Bi2O3-SiO2玻璃系統為基質，MFD值為5.1mm，損耗為0.8dB/m，鉍酸鹽光纖與石英光纖兩端總熔接損耗為0.48dB，實驗中采用FWM測試方法測試鉍酸鹽光纖的非線性系數g，測試裝置原理如圖5所示，泵浦源為1550nm的DFB激光器，通過EDFA放大后，與波長為1549nmDFB激光器發出的信號光一起耦合進被測1米左右的鉍酸鹽光纖，輸出信號用光譜儀分析測試。FWM產生的光強度Pav與泵浦光強度P0之比r（Z）和非線性光纖長度z存在以下關系[6]：

    其中a為光纖損耗。通過（2），（3）公式計算得出鉍酸鹽光纖在1550nm處的g值為64W-1Km–1，這個數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)存在以下關系[6]

    從式（4）和（5）可知，n2和n之間存在n2∝n6關系，因此提高光纖基質材料折射率可以有效的提高光纖非線性系數γ。另外，Aeff和MFD兩者之間近似存在Aeff≌π（MFD/2）2的關系，因此欲減少Aeff數值需采用小的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，研制成γ值大于900W-1km-1的鉍酸鹽光纖，圖4是推導的Aeff與纖芯直徑d的關系圖，d值在1.4～1.9mm時Aeff值最小。利用Z掃描法（Z-Scan）測量出纖芯材料在1550nm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0.61，在1310nm處的損耗為1.9dB/m，通過理論計算推導出γ值大于900W-1km-1。N.Sugimot等[7]采用FWM方法對該光纖γ值進行了準確測量，測定在1550nm處的γ值為1360W-1 Km-1，對應的n2值為1.1×10-18m2W-1，這是迄今為止報道的最大非線性系數γ值，這個數值是普通石英光纖300倍，是最大γ數值的PCF光纖的20倍。

    近年來研究者通過設計光子晶體光纖結構對鉍酸鹽玻璃光纖也進行了研究，光子晶體光纖的光子能帶效應，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，這些特性主要是因為基質材料和空氣之間的折射率差異導致。而基質材料中的高非線性折射率則是影響光子晶體光纖的強非線性效應的關鍵參數。2004年的OFC會議上英國Southampton大學光電子中心H.Ebendorff-Heidepriem等[8]報道了一種鉍酸鹽玻璃基質的光子晶體光纖，光纖端面如圖6所示，經測量其γ值在1.55µm處為1100W-1Km-1，圖7為理論計算和實驗測定的鉍酸鹽光子晶體光纖的非線性系數γ與光纖纖芯直徑之間的關系圖，其中實線是根據ASR（air-suspendedrod）理論模型計算的曲線，可看出當減小芯徑時，鉍酸鹽光子晶體光纖的的非線性效應會有大幅度提升，當芯徑直徑在0.8µm左右時γ可達到2200W-1Km-1[8]。表1總結了近年來已報道的鉍酸鹽玻璃光纖非線性參數及其它特性，以供大家參考。

    表1  高非線性鉍酸鹽玻璃光纖參數特性

    4  高非線性鉍酸鹽光纖應用

    目前高非線性鉍酸鹽玻璃光纖應用主要集中在兩個方面：

    (1)光波長轉換

    2004年OFC會議上，東京大學JuHanLee等[10]利用非線性系數為1100W-1km-1鉍酸鹽光纖在40cm長度下產生的四波混頻效應成功實現了40Gib/s的NRZ信號的波長轉換，得到了Dl超過10nm的轉換帶寬。2005年Ju Han Lee等 [11]利用1米長左右的鉍酸鹽光纖實現了80Gbit/s全光纖OTDM信號波長轉換，得到了Dl超過20nm的轉換帶寬，研究者指出如果進一步降低光纖的熔接損耗和群色散位移（GVD）數值，鉍酸鹽玻璃光纖可用于160Gbit/s的四波混頻型波長轉換。

    (2)超連續脈沖的產生

    2004年JulietT.Gopinath等[12]用摻鉺光纖激光器作泵浦源，泵浦2cm長的鉍酸鹽玻璃光纖獲得了一個近500nm譜寬、強度平坦的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（頻譜儀測量范圍在1700nm以內），3dB總寬度為170nm。采用的鉍酸鹽玻璃光纖g值為1100W-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，但有兩個問題一直困擾著它的實際應用：

    (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。已有的報道顯示，鉍酸鹽玻璃光纖在1.55mm通信波段目前損耗數值最低約為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用中面臨的最實際的問題。研究者們在這方面進行了大量研究，通過改進光纖結構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。例如：為降低由于鉍酸鹽玻璃光纖與傳統的石英光纖模場直徑兩者不匹配造成熔接時較高的損耗，研究者采用了一種高數值孔徑的石英光纖（NA為0.35）與鉍酸鹽光纖進行熔接實驗，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）數值。圖10為文獻[6]中報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～-270ps/nm/km。在高速大容量的光纖通信中，由于光纖介質表現出非線性，光脈沖包絡的形狀會發生變化，這種影響光信號接收的變化就稱為群速度色散，群速度色散會引起傳輸波形的展寬。研究者通過設計光子晶體結構的鉍酸鹽玻璃光纖可在一定程度上降低色散。

    6  結束語

    盡管鉍酸鹽玻璃光纖是目前非線性系數最高的非線性光纖，但其較大熔接損耗和色散在一定程度上限制了其在實際方面的應用，還需要進行大量的研究工作。隨著材料制備工藝的深入和發展,其綜合性能相信會更加可靠和穩定，在未來的高速光通信網中將會發揮更大的作用。

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