光纤中的非线性效应早在1972年已有研究报导，并在20世纪八十至九十年代得到了快速的发展。早期光纤中的非线性效应是作为通信系统中负面的影响因素得以研究发展的，但随着光纤通信容量和速率的快速增长，光纤非线性效应又重新被认识。目前光纤网络正朝全光网络方向发展。全光网络是指光信息流在网络中的传输交换及处理始终以光的形式实现，而不需要经过光/电、电/光变换。但全光网络的实现还依赖于相应光电器件（例如：全光光开关（OpticalSwitch）和全光波长转换器OTU(OpticalTranslatorUnit)等）的发展。目前基于非线性效应的光开关、光交换等光器件也开始应用于光通信系统中。利用材料的三阶非线性特性的全光开关对实现未来全光通信是很有吸引力的，同时基于高非线性光纤四波混频效应（FWM）的全光纤波长变换技术由于它具有宽带的多信道同时变换能力以及远大于电子器件速率极限的超高响应速度（约为100THz）等优点，在高速WDM网络中展示了极为广阔的应用前景。因此，基于新材料基质和新结构的高非线性光纤成为研究者关注的领域。目前高非线性光纤种类主要集中在三个方面：（1）基于石英基质的光子晶体光纤（PCF）；（2）掺杂金属量子点石英光纤；（3）多组分玻璃基质（包括硫系玻璃、硅铅玻璃、铋酸盐玻璃等）的非线性光纤。其中铋酸盐玻璃光纤作为一种新型多组分玻璃光纤，是目前报道的最高非线性系数(γ＝1360W-1km-1)光纤，其研究进展和实用化进程发展相对较快。本文首先介绍了铋酸盐玻璃的特点，然后综述了铋酸盐玻璃光纤作为高非线性光纤的研究历程和应用情况，最后并指出了其存在的问题。

    2  铋酸盐玻璃的特点

    铋酸盐玻璃是近年来新出现的一种新型重金属氧化物光学玻璃材料[1]，它以Bi2O3成分为主要玻璃形成体，具有优良的红外透过性能(0.45～5mm)，高折射率n（1.87～2.6），高的非线性折射率n2（32～1810×10-20m2/W），较低的转变温度（～500°C）和熔化温度（～900°C），较高的机械强度和化学稳定性（与硫系玻璃、碲酸盐玻璃相比），以及无毒性等优点。此外铋酸盐玻璃还具有高的非线性系数和超快光响应速度，并且其本征吸收最小值靠近通信1550nm波段[2]。常见的铋酸盐玻璃系统主要有Bi2O3-PbO[1],Bi2O3-B2O3-SiO2[2]和Bi2O3-Li2O[3]等。光纤中的非线性效应主要起源于材料的三阶电极化率χ(3)，图1为SugimotoN等人用三次谐波产生法（THG）测定的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的三阶电极化率χ(3)值与Bi2O3含量关系[2]，可看出铋酸盐玻璃的χ(3)值随Bi2O3含量的增加而增大，当Bi2O3含量为92 wt%时χ(3)达到最大值为9.3×10-12 esu，这个数值和As2S3硫系玻璃的χ(3) （约为1.1×10-11 esu）相当，是最大χ(3)数值的硅铅氧化物玻璃的三倍。图2给出了Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃和其它各种光学材料的c(3)数值与折射率之间的关系，可看出一般高折射率高色散光学材料其χ(3)数值也高，Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的三阶电极化χ(3)值高出石英玻璃2~3个数量级。

    3  高非线性铋酸盐玻璃光纤的研究历程

    光纤非线性系数γ与光纤有效纤芯面积Aeff和非线性折射率n2存在以下关系：

    从公式（1）中看出γ值与材料的非线性折射率n2成正比，与有效纤芯面积Aeff成反比。n2依赖于材料组成和折射率。一般高折射率高色散光学材料具有较大的n2值。Aeff与光纤的模场直径MFD有一一对应的关系。从公式（1）可知欲提高γ值，有两种途径，一是减少Aeff值，二是增加n2值。一般石英光纤γ值很小（2.7W-1Km-1），实现足够的非线性效应在泵浦功率大于1W时所需光纤长度也要几公里。研究者通过在石英纤芯中掺杂Ge离子可将石英光纤的非线性系数γ提高至20W-1Km-1，但Ge离子掺杂浓度有限。近来在被誉为第三代非线性光学介质的光子晶体石英光纤中通过设计新型多孔结构，可缩小有效纤芯面积Aeff（可达2.8mm2），可使石英光子晶体光纤的非线性系数γ增至为35W-1Km-1[4]。

    要想进一步大幅度提高光纤的非线性效应，必须提高光纤材料基质本身的n2值。于是部分研究者开始转向非石英基质的玻璃光纤，早期研究较多的是高折射率高色散光学材料，主要包括硅铅氧化物玻璃和硫系玻璃。而后者自90年代以来研究进展迅速，硫系玻璃（As2S3）具有折射率高（2.4），非线性折射率大（2000´10-20m2/W），响应时间快（亚皮秒）、色散大（1.55mm处的色散可达-410ps/nm.km）。利用硫系光纤制成的C-NORM结构用作全光开关，其开关功率最低值为0.4W，开关速度可达40GHz。但是由于硫系光纤可靠性和耐久性较差，加之硫系光纤在接近带隙波长的光辐射下易导致光损害，使其在实用化方面有较大的障碍。

    2002年K.Kikuchi等人[5]首次提出了无掺杂的铋酸盐玻璃光纤用于全光网络信号处理可能性，研制的铋酸盐光纤以Bi2O3-SiO2玻璃系统为基质，MFD值为5.1mm，损耗为0.8dB/m，铋酸盐光纤与石英光纤两端总熔接损耗为0.48dB，实验中采用FWM测试方法测试铋酸盐光纤的非线性系数g，测试装置原理如图5所示，泵浦源为1550nm的DFB激光器，通过EDFA放大后，与波长为1549nmDFB激光器发出的信号光一起耦合进被测1米左右的铋酸盐光纤，输出信号用光谱仪分析测试。FWM产生的光强度Pav与泵浦光强度P0之比r（Z）和非线性光纤长度z存在以下关系[6]：

    其中a为光纤损耗。通过（2），（3）公式计算得出铋酸盐光纤在1550nm处的g值为64W-1Km–1，这个数值是普通石英光纤的24倍。

    另外，光纤的n2和材料的三阶非线性极化率χ(3)存在以下关系[6]

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