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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
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