石英玻璃光纤的折射率与群速色散-《非线性光学与光子学》成果

最常用的光纤均用石英玻璃材料制成。该材料在可见和红外光谱区折射率随波长的变化，如图12-1（a）所示。由于石英玻璃在该光谱区间不存在线性（单光子）吸收，故其折射率随波长的变化呈正常折射率色散效应，亦即随波长的增大而折射率变小。石英玻璃在同样波段内的相速度和群速度随波长的变化如图12-1（b）所示。在进一步求出折射率对波长变化的二阶导数的基础上，可以最后确定石英玻璃材料的GVD系数作为波长的函数，如图12-1（c）所示。由图可见，在＜1.27 μm波长区域该材料呈现出正的GVD行为，在＞1.27 μm区域呈现出负的GVD行为，而在1.27 μm波长附近，GVD值近似等于零。

图12-1　石英玻璃材料的折射率（a）、相速度和群速度（b）以及GVD系数随波长变化的曲线（c）

对于两个具有一定中心波长差的光脉冲而言，当它们在介质的正GVD区域内传输时，波长较长的脉冲要比波长较短的脉冲行进速度快；反之在具有负GVD特性的介质内传输时，波长较长的脉冲要比波长较短的脉冲行进得慢。这意味着在GVD≠0的介质内传输一定距离之后，初始重合而波长略有不同的两个窄脉冲，将彼此在时间上逐渐分离开来。

在将石英玻璃制成光纤的情况下，光纤样品的GVD系数可改写为(www.xing528.com)

这里β是光在光纤中的传播常数，而式中的二阶导数则同时包含了折射率色散的贡献和光纤传输波形的色散贡献。在单模光纤的情况下，可近似认为β=k。

对光纤通信系统而言，1.3～1.5μm光谱波段正好位于石英玻璃的低损耗窗口区，因而是特殊重要而又有实用价值的。从图12-1（c）可以看出，在上述光谱区石英光纤呈现出负GVD的特性，而这一特性，正是在光纤中形成光学时间孤子所必要的条件。