光子晶体光纤及在传感方面的应用

光子晶体光纤及在传感方面的应用

摘要本文主要介绍了光子晶光纤的导光原理，特殊性能及制备方法，并着重介绍了基于光子晶体光纤的几种新型传感器，像光纤陀螺应力传感，双芯光子晶体温度传感等。

关键字光子晶体光纤非线性双折射效应

光子晶体光纤（PCF，photonic crystal fiber）的概念最早由ST. J. Russell 等人于1992 年提出。这一光纤在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤的端面看，存在周期性排列的二维结构，如果其中1 个孔遭到破坏或缺失，就会出现缺陷，光能够在缺陷内传输，与普通单模光纤不同，光子晶体光纤是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔光纤（holey fiber）或是微结构光纤（micro- structuredfiber）。世界上的第一根光子晶体光纤于1996 年由英国Bath大学的J. C. Knight 等人制作。

1 晶体光纤的导光原理［1］

光子晶体光纤具有周期性的排列结构，它同传统的光纤在传输机理上有很大的不同，根据光子晶体光纤的分类，确定了两类基本的传输模型。

1.1 全反射型（TIR）光子晶体光纤

全反射型光子晶体光纤纤芯的折射率高于包层的平均折射率，因此由传统的光学理论可以认为光束被束缚在光纤中传输。通过改变石英同空气孔的比例关系可以调节光纤折射率差的大小，当空气孔足够小的时候，任意波长的光均能在光纤中传输而不被截止，成为“无尽单模”的传输特性。这种光纤的传输原理同普通光纤相似，通常利用分析普通光纤的类似方法进行分析和研究工作。图1 为全反射型光子晶体光纤的结构图。

图1

1.2 光子带隙型（PBG）光子晶体光纤

光子带隙存在于光子晶体中，光子晶体是由不同折射率的介质材料周期性排

列而成的，当它的排列周期大小同光的波长差别不大时，周期性的结构会使光子晶体具有类似电子晶体一样的能带结构，使某些波长的光不能通过光子晶体传输，如果引入一个缺陷破坏它的周期性质，则这个波长的光就可以在这个缺陷中传输。光子带隙型光子晶体光纤就是这种类型的光子晶体。图2 为光子带隙型光子晶体光纤的结构图。

图2

2 光子晶体光纤的制备

制备光子晶体光纤的方法主要有: 堆积法、挤压法、酸腐蚀法、填充法、溶模法、叠片法、发泡法等。下面就常用的堆积法和挤压法进行简单的介绍［2，3］。

2.1 堆积法

堆积法是现阶段制备光子晶体光纤, 尤其是以石英为基质制备

光子晶体光纤最主要的方法, 其制备过程如下:

1) 将中间带有空气孔的石英棒拉制成所需尺寸的毛细管, 把毛细管按合适长度截断后, 紧密地堆积在套管( 即中心有空芯的石英棒)中。

2) 在呈三角结构排列的毛细管中引入缺陷, 作为光子晶体光纤的纤芯。如果要制备实芯光纤, 就用一根或几根与毛细管同样径向尺寸的石英棒替换套管中部的毛细管, 如制备空芯光纤, 则抽出套管中部的某些毛细管即可。

3) 将预制棒放到拉丝机上拉丝。

堆积法的优点: 预制棒的制作过程简单, 传统光纤的拉制设备就可满足光子晶体光纤的制备( 图3) , 基本不需要其他特殊设备。缺点: 预制棒的制作所需时间长, 无法满足大规模、标准化的生产; 无法制备特殊结构的光子晶体光纤,比如包层孔为矩形分布的光子晶体光纤。

图3 光子晶体光纤预制棒制作示意图

3.2 挤压法

挤压法名称的由来与堆积法相似, 也是根据预制棒的制作方法命名的。首先, 按照所需光纤结构制作相应的模具, 然后将要制作光纤的基质材料加热到熔融状态, 灌入模具中, 待冷却定型后, 使模具与预制棒分离, 最后将预制棒放到拉丝机中进行拉丝。

挤压法的优点: 模具制成后,可反复利用, 提高了预制棒的制作效率, 适合于大规模的生产。缺点: 只适合于软化温度较低的材料, 如复合玻璃SF6, SF57 等; 结构不同的光纤需要不同的模具。

3 光子晶体光纤的特性

光子晶体光纤的特性决定了它成为光纤通讯领域研究的重点，从1992 年提出光子晶体光纤概念到现在，光子晶体光纤的研制和研究工作取得了很大的进展。光子晶体光纤的主要特性分为以下几个方面［3］：

3.1 无截止单模

在光通信中所使用的单模光纤都遵循基本光波导理论，即可以用麦克斯维方程求解，一般情况下光纤的基本传输机理满足下列公式：

其中Vc 定义为归一化截止频率，d 为纤芯直径，λ c 为截止波长，n1 和n2 分别为纤芯和包层的折射率。在Vc 值小于2.405时，光纤能够实现单模传输，同时工作波长大于截止波长。光纤中必然存在一个能够使光纤为单模传输的最小波长，但是光子晶体光纤就可以不存在这样最小波长，使光纤在较宽的波长区域内实现单模传输，因此具有无截止单模的特性。更重要的一点是，光子晶体光纤的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸无关。即当放大结构尺寸时，光子晶体光纤仍可保持单模传输，这就提供了一条实现大模式面积光纤的途径。

3.2 色散特性

色散是光纤的一个重要参数，它决定着波导是否可以应用到某个领域，如孤子传输、超短脉冲的产生、超连续光谱的产生和谐波的获得等，对光通讯以及应用光子晶体光纤进行色散补偿和设计光纤激光器等都起着决定作用。Bath 大学Birks 等人的分析表明，设计合理的光子晶体光纤可以获得100 nm 带宽、超过- 2 000 ps/nm·km 的色散值，并可以补偿是其自身长度35 倍的标准光纤引起的色散。

3.3 高非线性［4］

光纤的非线性系数定义为：g=2pn2 /(lAeff)

其中, n2 是材料的非线性折射率系数, Aeff 为光纤有效模场面积。在光子晶体光纤中, 减小包层空气孔间距和提高包层空气填充率, 可以有效地减小芯区面积, 增大纤芯和包层折射率差, 极大地减小有效模场面积。但是, 当光子晶体光纤芯径过小时, 将会有很大一部分光能量泄漏到包层中, 不仅增大模场面积, 也增加了光纤的损耗。由图6 可以看到, 在相同的包层空气填充率的情况下, 当等效纤芯直径2L- d 小于工作波长时, 光纤限制损耗随着纤芯的减小而迅速增大。并且由图6 的插图可知, 模场面积并非随着纤芯半径的减小而单调递减, 而是存在着一个最小点。由于在最小模面积处,光纤存在着较大的限制损耗, 在实际的应用中, 应综合考虑模场面积和限制损耗。