第30卷，第7期 2010年7月
光谱学与光谱
分析
Spectroscopy and Spectral Analysis
光子晶体光纤数值孔径的测量和数值研究
郭艳艳，侯蓝田
Vol. 30,No. 7,pp1908-1912
July，2010
066004
蕉山大学红外光纤与传感研究所，亚稳材料制备技术与科学重点实验室，河北皇岛
摘要光纤的数值孔径是光纤的重要参数，大数值孔径光纤在激光器和激光感应荧光系统中有很好的应用前景。光子晶体光纤的数值孔径与传统阶联型光纤不同，它与光波长有密切的关系。因此，本文用光诺仪测量了不同结构的折射率引导型光子晶体光纤的数值孔径，并进行了数值模拟，研究了光波长、包层空气孔直径、孔间距等对光子晶体光纤数值孔径的影响，同时对光子晶体光纤的非线性系数、宏弯损耗、截止波
长、有效模面积等与光波长有关的参数进行了研究，取得了满意的结果。关键词光子晶体光纤；数值孔径；光谱仪；有效模面积；截止波长
中图分类号：0433
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2010)07-1908-05
1基本原理与实验装置
光纤的数值孔径（numericalaperture，NA）是光纤的重要参数，它表征光纤收集光功率的能力，它被用来预测光纤的注人效率，接头连接损耗和微弯/宏弯性能；对光纤与光纤，光纤与光源之间的耦合起关键作用1-3)。大数值孔径光纤有许多用途。例如：用于多模结构中光的高效连接、荧光监控以及双包层光纤激光器。在高功率光纤激光器中，将低亮度高功率激光二极管耦合到具有掺杂纤芯的双包层光纤的大数值孔径内包层中，增大内包层的数值孔径可使相同的象浦功率耦合到直径更小的内包层中，从而加大握杂纤芯泵光的重登以提高浦吸收。为了收集没射光源发出的光并传输到远程探测装置，对给定直径的光纤而言，增大其数值孔径可收集到更多的光[H)。所以对光子晶体光纤（photonic crystalfiber，PCF)数值孔径的测量和研究是非常必要的。
目前对光纤数值孔径进行测量的方法主要有远场光强法，远场光班法和折射近场法[9]，根据实验室的需要用光谱仪对不同结构的折射率引导型PCF的数值孔径进行测量，同时进行了数值模拟。通过测得的数值孔径对光纤的非线性系数、宏弯损耗、截止波长、模场面积等与光波长有关的参数进行了研究。文中还研究了光波长、包层空气孔直径、孔间距等对光纤数值孔径的影响，方便了对大数值孔径光纤的设计和研究，这将使PCF在激光器和激光感应荧光系统中有很好的应用前景。
收稿日期：2009-08-02，修订日期：2009-12-05
PCF中心为1个固体芯，芯外为包层，包层内含有一定数量的沿光纤长度方向延伸的空气孔。固体芯有时被当作1 个缺陷，包层为光子带隙材料，它的平均折射率低于固体芯。因此，PCF的作用与传统的固体光纤一样一—高折射率芯被低折射率的包层所包绕。但是，多孔包层的有效折射率随波长而发生变化，且孔的尺寸与间距有关系。对于折射率引导型PCF，它的包层有效折射率用包层空气填充基模折射率来代替，这样PCF的数值孔径NA定义为[0
NA = ()-na(a)
(1)
式中：n(入)为纤芯折射率，na(a)为空气填充基模折射率。
在对光纤数值孔径进行测量的方法中，远场光分布法是一种基于光功率分布曲线的测量方法，先借助光探测器测出在某一给定间距2(光纤出射端与探测界面的距离)的截面上光强的分布曲线，然后找出光强下降到最大值的5%时所对应的径向位移d，由公式NA=sino。=d/V2十ar"得到光纤的数值孔径，基于这种原理，我们对传统测试方法进行了改进，实验装置如图1所示。
与传统光纤相比，PCF的许多特性都与光波长有密切的关系，所以要表征PCF的特性就要在全波段下研究它的参数。光谱仪灵敏度高由计算机记录数据，可避免读数时的人为误差。每平移一次位移台，光谱仪就记录下不同波段下的归一化强度如图2所示，从面可计算出不同波段下的数值孔径，解决了传统法只能测量几个固定波长下的数值孔径的局
基金项目：国家自然科学基金重点项目(60637010)资助
作者介：郭艳艳，女，1983年生，燕山大学红外光纤与传感研究所硕士研究生
e-mail; guoyanyan1018@126. com
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