光子晶體光纖

概述

　　光子晶體光纖(Photonic Crystal Fibers,PCF)又被稱為微結構光纖（Micro-Structured Fibers, MSF)，近年來引起廣泛關注，它的橫截面上有較復雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度，光波可以被限制在低折射率的光纖芯區(qū)傳播。光子晶體光纖有很多奇特的性質(zhì)。例如，可以在很寬的帶寬范圍內(nèi)只支持一個模式傳輸；包層區(qū)氣孔的排列方式能夠極大地影響模式性質(zhì)；排列不對稱的氣孔也可以產(chǎn)生很大的雙折射效應，這為我們設計高性能的偏振器件提供了可能。

　　隨著微結構光纖制造工藝技術的進步，微結構光纖的各種指標已取得了突破性進展，各種微結構光纖新產(chǎn)品應運而生.它不僅應用到常規(guī)光通信技術領域，而且廣泛地應用到光器件領域，如：高功率光纖激光器、光纖放大器、超連續(xù)光譜、色散補償、光開關、光倍頻、濾波器、波長變換器、孤子發(fā)生器、模式轉(zhuǎn)換器、光纖偏振器、醫(yī)療、生物傳感等領域。

概念的提出

　　光子晶體的概念最早出現(xiàn)在1987年，當時有人提出，半導體的電子帶隙有著與光學類似的周期性介質(zhì)結構。其中最有發(fā)展前途的領域是光子晶體在光纖技術中的應用。它涉及的主要議題是高折射率光纖的周期性微結構（它們通常由以二氧化硅為背景材料的空氣孔組成）。

　　這種被談論著的光纖通常稱之為光子晶體光纖（PCFs），這種新型光波導可方便地分為兩個截然不同的群體。第一種光纖具有高折射率芯層（一般是固體硅），并被二維光子晶體包層所包圍的結構。這些光纖有類似于常規(guī)光纖的性質(zhì)，其工作原理是由內(nèi)部全反射（TIR）形成波導；相比于傳統(tǒng)的折射率傳導，光子晶體包層的有效折射率允許芯層有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，這些我們所謂的內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIR-PCFs） ，實際上完全不依賴于光子帶隙（PBG）效應。與TIR-PCFs截然不同的另一種光纖，其光子晶體包層顯示的是光子帶隙效應，它利用這種效應把光束控制在芯層內(nèi)。這些光纖（PBG-PCFs）表現(xiàn)出可觀的性能，其中最重要的是能力控制和引導光束在具有比包層折射率低的芯層內(nèi)傳播。相比而言，內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIR-PCFs）首先是被制造出來的，而真正的光子帶隙傳導光纖（PBG-PCFs）只是在近期才得到實驗證明。

　　1991年，Russell等人根據(jù)光子晶體傳光原理首次提出了光子晶體光纖（PCF）的概念。

　　1996年，英國南安普頓大學的J.C.Knight 等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纖通信和光學研究領域中，PCF引起了全世界的普遍興趣。

PCF的結構及其導光原理

　　就結構而言，PCF可以分為實心光纖和空心光纖。實心光纖是將石英玻璃毛細管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃棒周圍的光纖。空心光纖是將石英玻璃毛細管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃管周圍的光纖。

　　PCF導光機理可以分為兩類：折射率導光機理和光子能隙導光機理。

　　折射率導光機理：周期性缺陷的纖心折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定的差別，從而使光能夠在纖芯中傳播，這種結構的PCF導光機理依然是全內(nèi)反射，但與常規(guī)G.652光纖有所不同，由于包層包含空氣，所以這種機理稱為改進的全內(nèi)反射，這是因為空芯PCF中的小孔尺寸比傳導光的波長還小的緣故。

　　光子能隙導光機理：在理論上，求解電磁波(光波) 在光子晶體中的本征方程即可導出實芯和空芯PCF 的傳導條件，其結果就是光子能隙導光理論。如圖1 所示，中心為空芯，雖然空芯的折射率比包層石英玻璃低，但仍能保證光不折射出去，這是因為包層中的小孔點陣構成光子晶體。當小孔間的距離和小孔直徑滿足一定條件時，其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應光傳播，光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。最近有研究表明，這種HF 中可傳輸99 %以上的光能，而空間光衰減極低，因此光纖衰減可能只有標準光纖的1/ 2～1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙導光。

　　空芯PCF的光子能隙傳光機理的具體解釋是：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳光機理是利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空芯PCF中不能發(fā)生全內(nèi)反射，但包層中的小孔點陣結構就像一面鏡子，這樣光就在許許多多的小孔的空氣和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。 

PCF的特性

　　PCF 有如下特點:結構設計很靈活,具有各種各樣的小孔結構;芯和包層的折射率差可以很大;芯可以制成各種各樣;“包層折射率”是強烈依波長而變的函數(shù),包層性能可以反映在波長尺度上。正因為有以上特點, PCF 有著以下許多奇異特性:

　　(1)無截止單模( Endlessly Single Mode)

　　傳輸普通單模光纖隨著纖芯尺寸的增加會變成多模光纖。而對于PCF ,只要其空氣孔徑與孔間距之比小于0. 2 ,無論什么波長都能單模傳輸,似乎不存在截止波長。這就是無截止單模傳輸特性。這種光纖可在從藍光到2μm 的光波下單模傳輸。更為奇特的是這種特性與光纖的絕對尺寸無關,因此通過改變空氣孔間距可調(diào)節(jié)模場面積。在1 550 nm可達1～800 μm2 ,實際上已制成了680 μm2 的大模場PCF ,大約是常規(guī)光纖的10 倍。小模場有利于非線性產(chǎn)生,大模場可防止發(fā)生非線性。這對于提高或降低光學非線性有極重要的意義。這種光纖具有很多潛在應用,如激光器和放大器(利用高非線性光纖) ,低非線性通信用光纖,高光功率傳輸。

　　(2)不同尋常的色度色散

　　真空中材料色散為零,空氣中的材料色散也非常小。這使得空氣芯PCF 的色散非常特殊。由于光纖設計很靈活,只要改變孔徑與孔間距之比,即可達到很大的波導色散,還可使光纖總色度色散達到所希望的分布狀態(tài)。如零色散波長可移到短波長,從而導致在1 300 nm 實現(xiàn)光弧子傳輸;具有優(yōu)良性質(zhì)的色散平坦光纖(數(shù)百nm 帶寬范圍接近零色散) ;各種非線性器件以及色散補償光纖(可達2 000 ps/ nm·km) 都應運而生。

　　(3)極好的非線性效應雙折射效應

　　G.652光纖中出現(xiàn)的非線性效應是由于光纖的單位面積上傳輸?shù)墓鈴娺^大造成嚴重損傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個現(xiàn)象。然而，在光子能隙導光PCF中，我們可以通過增加PCF纖芯空氣孔直徑（即PCF的有效面積）來降低單位有效面積上的光強，從而達到大大減少非線性效應的目的。光子能隙導光的這個特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技術基礎。

　　(4)優(yōu)良的雙折射效應

　　對于保偏光纖而言，雙折射效應越強，波長越短，所保持的傳輸光偏振態(tài)越好。在PCF中，只需要破壞PCF剖面圓對稱性，使其構成二維結構就可以形成很強的雙折射。通過減少空氣孔數(shù)目或者改變空氣孔直徑的方式，可以制造出比常用的熊貓牌保偏光纖高幾個數(shù)量級的高雙折射率PCF保偏光纖。

光子晶體光纖的制備

　　光子晶體光纖的制備方法一般為堆積法。它將普通光纖的拉制過程加以改進提高，并更加嚴格的控制光纖拉絲塔內(nèi)的溫度和拉制速度。步驟如下：首先設計出光子晶體光纖的基本結構；然后將預先熔融制成的預制棒研磨、鉆孔后在光纖塔內(nèi)拉伸成微細管；將這些微細管按照預先設計形狀（六角形，網(wǎng)狀等等）排列在一起，其中心或者替換成一根直徑完全相同的實心微棒、或者抽掉中間的實心微棒、或者再將周圍的一圈微細管也同時抽去；再經(jīng)過一步或兩步復拉伸形成最后所要的光子晶體光纖。在幾步逐漸拉細的過程中，材料晶胞的縮減因子可超過104。

PCF的應用

　　應用領域：高功率低損耗近紅外激光傳輸、脈沖整形、脈沖壓縮、非線性光學、光纖傳感領域。

　　新應用：(1) 超連續(xù)產(chǎn)生 (2) 脈沖壓縮 (3) 可調(diào)諧光纖耦合器