光子晶體光纖

概述

　　光子晶體光纖(Photonic Crystal Fibers,PCF)又被稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)光纖（Micro-Structured Fibers, MSF)，近年來(lái)引起廣泛關(guān)注，它的橫截面上有較復(fù)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(zhǎng)大致在同一量級(jí)且貫穿器件的整個(gè)長(zhǎng)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(gè)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(duì)稱(chēng)的氣孔也可以產(chǎn)生很大的雙折射效應(yīng)，這為我們?cè)O(shè)計(jì)高性能的偏振器件提供了可能。

　　隨著微結(jié)構(gòu)光纖制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，微結(jié)構(gòu)光纖的各種指標(biāo)已取得了突破性進(jìn)展，各種微結(jié)構(gòu)光纖新產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生.它不僅應(yīng)用到常規(guī)光通信技術(shù)領(lǐng)域，而且廣泛地應(yīng)用到光器件領(lǐng)域，如：高功率光纖激光器、光纖放大器、超連續(xù)光譜、色散補(bǔ)償、光開(kāi)關(guān)、光倍頻、濾波器、波長(zhǎng)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(lǐng)域。

概念的提出

　　光子晶體的概念最早出現(xiàn)在1987年，當(dāng)時(shí)有人提出，半導(dǎo)體的電子帶隙有著與光學(xué)類(lèi)似的周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中最有發(fā)展前途的領(lǐng)域是光子晶體在光纖技術(shù)中的應(yīng)用。它涉及的主要議題是高折射率光纖的周期性微結(jié)構(gòu)（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?wù)撝墓饫w通常稱(chēng)之為光子晶體光纖（PCFs），這種新型光波導(dǎo)可方便地分為兩個(gè)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(jié)構(gòu)。這些光纖有類(lèi)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(dǎo)；相比于傳統(tǒng)的折射率傳導(dǎo)，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(shí)際上完全不依賴(lài)于光子帶隙（PBG）效應(yīng)。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(yīng)，它利用這種效應(yīng)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(dǎo)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(lái)的，而真正的光子帶隙傳導(dǎo)光纖（PBG-PCFs）只是在近期才得到實(shí)驗(yàn)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(guó)南安普頓大學(xué)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(xué)研究領(lǐng)域中，PCF引起了全世界的普遍興趣。

PCF的結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)光原理

　　就結(jié)構(gòu)而言，PCF可以分為實(shí)心光纖和空心光纖。實(shí)心光纖是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃棒周?chē)墓饫w。空心光纖是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃管周?chē)墓饫w。

　　PCF導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩類(lèi)：折射率導(dǎo)光機(jī)理和光子能隙導(dǎo)光機(jī)理。

　　折射率導(dǎo)光機(jī)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(jié)構(gòu)的PCF導(dǎo)光機(jī)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(jī)理稱(chēng)為改進(jìn)的全內(nèi)反射，這是因?yàn)榭招綪CF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長(zhǎng)還小的緣故。

　　光子能隙導(dǎo)光機(jī)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(dǎo)出實(shí)芯和空芯PCF 的傳導(dǎo)條件，其結(jié)果就是光子能隙導(dǎo)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?yàn)榘鼘又械男】c(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小孔間的距離和小孔直徑滿足一定條件時(shí)，其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)光纖的1/ 2～1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙導(dǎo)光。

　　空芯PCF的光子能隙傳光機(jī)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(jī)理是利用包層對(duì)一定波長(zhǎng)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(diǎn):結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很靈活,具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu);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(qiáng)烈依波長(zhǎng)而變的函數(shù),包層性能可以反映在波長(zhǎng)尺度上。正因?yàn)橛幸陨咸攸c(diǎn), PCF 有著以下許多奇異特性:

　　(1)無(wú)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(huì)變成多模光纖。而對(duì)于PCF ,只要其空氣孔徑與孔間距之比小于0. 2 ,無(wú)論什么波長(zhǎng)都能單模傳輸,似乎不存在截止波長(zhǎng)。這就是無(wú)截止單模傳輸特性。這種光纖可在從藍(lán)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(duì)尺寸無(wú)關(guān),因此通過(guò)改變空氣孔間距可調(diào)節(jié)模場(chǎng)面積。在1 550 nm可達(dá)1～800 μm2 ,實(shí)際上已制成了680 μm2 的大模場(chǎng)PCF ,大約是常規(guī)光纖的10 倍。小模場(chǎng)有利于非線性產(chǎn)生,大模場(chǎng)可防止發(fā)生非線性。這對(duì)于提高或降低光學(xué)非線性有極重要的意義。這種光纖具有很多潛在應(yīng)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(shè)計(jì)很靈活,只要改變孔徑與孔間距之比,即可達(dá)到很大的波導(dǎo)色散,還可使光纖總色度色散達(dá)到所希望的分布狀態(tài)。如零色散波長(zhǎng)可移到短波長(zhǎng),從而導(dǎo)致在1 300 nm 實(shí)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(bǔ)償光纖(可達(dá)2 000 ps/ nm·km) 都應(yīng)運(yùn)而生。

　　(3)極好的非線性效應(yīng)雙折射效應(yīng)

　　G.652光纖中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)是由于光纖的單位面積上傳輸?shù)墓鈴?qiáng)過(guò)大造成嚴(yán)重?fù)p傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個(gè)現(xiàn)象。然而，在光子能隙導(dǎo)光PCF中，我們可以通過(guò)增加PCF纖芯空氣孔直徑（即PCF的有效面積）來(lái)降低單位有效面積上的光強(qiáng)，從而達(dá)到大大減少非線性效應(yīng)的目的。光子能隙導(dǎo)光的這個(gè)特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　(4)優(yōu)良的雙折射效應(yīng)

　　對(duì)于保偏光纖而言，雙折射效應(yīng)越強(qiáng)，波長(zhǎng)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(duì)稱(chēng)性，使其構(gòu)成二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強(qiáng)的雙折射。通過(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)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(guò)程加以改進(jìn)提高，并更加嚴(yán)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(shè)計(jì)出光子晶體光纖的基本結(jié)構(gòu)；然后將預(yù)先熔融制成的預(yù)制棒研磨、鉆孔后在光纖塔內(nèi)拉伸成微細(xì)管；將這些微細(xì)管按照預(yù)先設(shè)計(jì)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(shí)心微棒、或者抽掉中間的實(shí)心微棒、或者再將周?chē)囊蝗ξ⒓?xì)管也同時(shí)抽去；再經(jīng)過(guò)一步或兩步復(fù)拉伸形成最后所要的光子晶體光纖。在幾步逐漸拉細(xì)的過(guò)程中，材料晶胞的縮減因子可超過(guò)104。

PCF的應(yīng)用

　　應(yīng)用領(lǐng)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(xué)、光纖傳感領(lǐng)域。

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