光子晶体光纤

产生背景

　　光子晶体光纤的概念最早在 1992 年由 St.J.Russell 等人提出，其初衷是要在光纤中引 入光子带隙效应实现对光的导引。受到制备工艺的限制，直到 1996 年首根光子晶体光纤才 成功问世，光纤横截面如图 1-1(a)所示。该光纤具有独特的无尽单模传输特性，在学术界和 产业界引起极大的轰动。然而研究发现，该光纤虽然具有周期性的包层结构，但遵循的是传 统光纤的全反射型导光机制(Total Internal Reflection，TIR)，并未利用光子带隙效应。进一 步分析表明，这一类光纤的传输特性并不依赖于包层气孔的周期排布。在特定条件下，无序 排布的气孔结构也可以实现无尽单模传输。 人们将这一类光纤称为全内反射型光子晶体光纤 (TIR-PCF)或折射率导引型光子晶体光纤。TIR-PCF 的成功研制为光子晶体光纤的定义增添 了新内容，并开启了光子晶体光纤技术研究的序幕。

　　1998 年， J.C.Knight 等人研制出依靠光子带隙效应导光的首根真正意义上的 “光子晶体” 光纤， 如图 1-1(b)所示。 区别于 TIR-PCF， 人们将这一类光纤称为光子带隙型光纤(PBG-PCF)。 1999 年，R.F.Cregan 等人成功研制出大空气芯导光的 PBG-PCF。以空气作为传光介质意味 着超低的传输损耗、超低非线性以及超低色散传输，这在传统光纤中是难以实现的。 PBG-PCF 的问世宣告光子晶体光纤全面登上历史舞台。自此，光子晶体光纤进入高速发展 阶段，并迅速占领众多科技领域的研究最前沿。 目前，光子晶体光纤的应用研究己经逐渐覆盖到通信、传感、非线性光学、光谱学，乃 至生物医学等众多科技领。随着研究的进一步深入，各种新型光子晶体光纤仍在不断涌现， 基于光子晶体光纤的新应用同样日渐丰富。

结构及导光原理

　　就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。

　　PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。

　　折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。

　　光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条件,其结果就是光子能隙导光理论。如图1 所示,中心为空芯,虽然空芯的折射率比包层石英玻璃低,但仍能保证光不折射出去,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间的距离和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播,光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明,这种HF 中可传输99 %以上的光能,而空间光衰减极低,因此光纤衰减可能只有标准光纤的1/ 2～1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙导光。

　　空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，但包层中的小孔点阵结构就像一面镜子，这样光就在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。

优点

　　（一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。

　　（二）能量传输基本无损失，也不会出现延迟等影响数据传输率的现象。

　　（三）光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波段传输。

特性

　　PCF 有着以下许多奇异特性:

　　(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)

　　传输普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。而对于PCF ,只要其空气孔径与孔间距之比小于0. 2 ,无论什么波长都能单模传输,似乎不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性。这种光纤可在从蓝光到2μm 的光波下单模传输。更为奇特的是这种特性与光纤的尺寸无关,因此通过改变空气孔间距可调节模场面积。在1 550 nm可达1～800 μm2 ,实际上已制成了680 μm2 的大模场PCF ,大约是常规光纤的10 倍。小模场有利于非线性产生,大模场可防止发生非线性。这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用,如激光器和放大器(利用高非线性光纤) ,低非线性通信用光纤,高光功率传输。

　　(2)不同寻常的色度色散

　　真空中材料色散为零,空气中的材料色散也非常小。这使得空气芯PCF 的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活,只要改变孔径与孔间距之比,即可达到很大的波导色散,还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态。如零色散波长可移到短波长,从而导致在1 300 nm 实现光弧子传输;具有优良性质的色散平坦光纤(数百nm 带宽范围接近零色散) ;各种非线性器件以及色散补偿光纤(可达2 000 ps/ nm·km) 都应运而生。

　　(3)极好的非线性效应双折射效应

　　G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤的单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。然而，在光子能隙导光PCF中，我们可以通过增加PCF纤芯空气孔直径（即PCF的有效面积）来降低单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的。光子能隙导光的这个特性为制造大的有效面积的PCF奠定了技术基础。

　　(4)优良的双折射效应

　　对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态越好。在PCF中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制造出比常用的熊猫牌保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤。

制备

　　光子晶体光纤的制备方法一般为堆积法。它将普通光纤的拉制过程加以改进提高，并更加严格的控制光纤拉丝塔内的温度和拉制速度。步骤如下：首先设计出光子晶体光纤的基本结构；然后将预先熔融制成的预制棒研磨、钻孔后在光纤塔内拉伸成微细管；将这些微细管按照预先设计形状（六角形，网状等等）排列在一起，其中心或者替换成一根直径完全相同的实心微棒、或者抽掉中间的实心微棒、或者再将周围的一圈微细管也同时抽去；再经过一步或两步复拉伸形成所要的光子晶体光纤。在几步逐渐拉细的过程中，材料晶胞的缩减因子可超过104。

应用

　　应用领域:

　　高功率低损耗近红外激光传输

　　脉冲整形，脉冲压缩

　　非线性光学

　　光纤传感领域

　　新应用：

　　(1) 超连续产生

　　(2) 脉冲压缩

　　(3) 可调谐光纤耦合器

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