光子晶体光纤 (PCF)

1.1 结构 • 下图是不同维数光子晶体的模型和实例
• 光子晶体里重复结构（或称晶胞）的单元尺度是光波长 （μm）量级。通过巧妙的安排和设计光子晶体可以控制光 子流
第一块光子晶体
• 1991年，Yablonovich 制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用 机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”， 它可以阻止里面的微波从任何方向传播出去。
• PCF的色散控制
• 由于石英和空气的折射率对比度很大，气孔的大小和排列方式可以灵活地变化，和普 通光纤相比，PCF能够在更大的范围内对色散进行控制 • 例如，小心控制光纤中的气孔大小和空间距离，可设计出令人惊异的色散曲线，使光 纤在通信频带中几百纳米波长范围内，色散D<0.5ps/(nm· km)，从而大大减小由色散造 成的脉冲展宽
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• 参考资料：
• 宋菲君,羊国光,余金中. 信息光子学物理. 北京：北京大学出版社. 2006.
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λ
n 2d sin
θ
d
当波长和周期结构的尺寸满足布拉格条件λ~2d 时， 该周期结构将反射入射波。其中d为周期常数。
• 若有一束平面波入射到晶体上，大多数波长 λ 的光波在晶 体中传播时不被散射，而当 λ ~ 2d 时，由于布拉格反射， 光波无法在晶体中传播。 • 即，某个波长范围的光子在这种结构中不能占据一个能量 状态。这些光子在该结构中是被禁止的，不能传播。这就 是光子带隙 PBG。
• 工作频率范围大 • 体积小 • 易于集成，很容易在硅片上集成或在硅基上制成
• 光子晶体还有许多其它应用背景，如无阈值激光器、光 开关、光放大、滤波器等新型器件 • 随着对光子晶体的许多新的物理现象的深入了解和光子 晶体制作技术的改进，光子晶体更多的用途将会被发现
2 光子晶体光纤(PCF)
• 一些研究者将光子晶体用于光波导，并在1992年提出了光子晶体 光纤的概念 • 在1996年光纤通信会议(OFC)上，发布了实用样品“无限长的单模 光子晶体光纤” • 其制作是用具有内部周期结构的充满空气的毛细管拉制而成光纤， 最终形成六角形晶格
2. 两种物质相（石英和空气）的折射率对比度比传统光纤技术中 的对比度高约2个数量级
• 传统光纤局限于非常小的芯区与包层的折射率差（约1.48:1.46）；而PCF 中，这种折射率差非常大（约1.00:1.46），并且可以任意组合以适应特 殊应用
2.2 两种光子晶体光纤结构
中心缺一个气孔，为实芯
中心为大的气孔
• 宽波长范围的单模运转
• 普通光纤，导模数目由V 参数决定，在长波长是单模运转的光纤，在短波长事实上是多 模的 • PCF可以在337~1555nm的范围内实现单模运转 • 这是因为，有效折射率可以看作是包层的平均折射率，同时要考虑光在包层中的强度 分布；在短波长光场较集中于SiO2区，避开了气孔区，这样就提高了有效折射率，降低 了V对波长的依赖关系，从而有可能扩展单模运转的波长范围 • 对前面的例子，只要 d/Λ<0.45，就能在所有波长下单模运转
红色区域：高折射率介质 蓝色区域：低折射率介质 白色区域：空气
2.3 PCF的制作
1mm
20mm
1800℃ 0.1mm
SEM micrographs of PCF
4μm
直径5μm
from en.wikipedia.org
PCF制作的技术难题
• 因为要控制温度和拉伸速度等宏观参数来得到微观尺寸的结构，制作满足所 要求的传输特性的PCF是一个相当困难的技术问题
1.3 优点 Ⅱ 2. 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 3. 光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波段传输
1.4 应用
• 光子晶体的光子带隙的存在使它具有很重要的应用背景。 可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件 1. 高性能反射镜
• • 频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中转播， 因此，选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从 任何方向入射的光，反射率几乎为100% 而传统的金属反射镜虽然在较大的波段内可以反射光，但在 红外波段有较大的吸收 如果把这种光子晶体反射镜用作平面天线的衬底，可以解决 衬底透射的问题
• 高折射率导波光纤
• 类似于标准的全内反射传导，根据修正的全内反射原理，在实心中传导光波
• 低折射率导波光纤——光子带隙型光纤
• 由光子带隙效应传导光波 • 光子带隙效应使光波不可能在微结构包层区传播，只能沿低折射率的芯传播 • 由于有一定角度的光子带隙结构阻止了其他模的传输，所以可以得到单模传输
• 变形气孔的存在 • 多余孔的出现 • 结构对称性的偏离
2.4 光子晶体光纤特性
• 光子晶体光纤具有新颖而有趣的光学特性，其新颖性包括：
• 可见光波段的反常色散 • 全波段的单模传输 • 很高的光学非线性
• 下面分别讨论两种光子晶体光纤的性质
Ⅰ 折射率导波型 PCF的特性PCF的基本性质，如图 • 可以用有效折射率模型定性地理解折射率导波型
自然界中的光子晶体结构
1.2 光子带隙基础
• 理解光波在光子晶体中的传播行为的最简单方法，就是把它与半导体内的电 子和空穴的运动作一比较
能量E 导带 禁带 由缺陷或杂质在禁带中引起的能级
在半导体禁带中由缺陷或杂质引起的能级分布图
• 当光子穿过一块含有一些排列成晶格结构的细微空气孔的 透明介电材料时，这种光学结构是带有空气孔的低折射率 区域散布在高折射率区中。
• 对光子来说，这种折射率的差异，就像是电子穿越硅晶体 的周期电势的经历。如果两个区域的折射率差异较大，那 么光波将被限制在电介质材料或空气孔内。 • 这一限制引起了在禁区中容许能量区的形成——称为光子 带隙（photonic band gap, PBG）
• 可以通过布拉格反射来理解光子带隙的概念
• 高数值孔径PCF
2 N . A. nc2 ncl
• SiO2和空气的折射率之比很大，因而有可能制造出N.A.>0.7的大数值孔径多模光子晶体 光纤，可用于对信号失真要求不严格的高功率的聚光和传输 • 一个非常重要的应用是制造双包层光纤激光器和放大器
• 超连续谱的产生
• 超连续谱的产生是一个复杂的非线性效应 • 当超短高功率脉冲在材料中传输时，由于一系列的非线性效应，其频谱有巨大的展宽
ω
带隙
k
1.3 优点Ⅰ
光子晶体可控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光
通信的一种关键性基础材料。
1. 光子晶体波导具有优良的弯曲效应
一般的光纤波导中，波导拐弯时，全内反射条件不再有效，会 漏掉部分光波能量，使传输效率降低。而光子晶体弯曲波导中， 利用不同方向缺陷模共振匹配原理。原则上只要达到模式匹配， 不管拐多大弯，都能达到很高的传输效率。
•
2. 光子晶体波导
• 传统的介电波导可以支持直线传播光，但在拐角处会损失能量 • 光子晶体波导不仅对直线路径，而且对转角都有很高的效率 • 这对于光学器件的集成非常有意义
3. 光子晶体微腔
• 在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态 • 这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子，这种光子晶体制成 的微腔比传统的微腔优异得多 • 用它制作的微腔激光器的体积可以非常小
• 高非线性PCF
• 加大气孔和（或）减小光纤直径，迫使光进入气孔中，可获得比常规光纤大很多的有 效折射率对比 • 用这种方法可以获得很强的模式限制，使芯区的强场导致非线性效应的增强 • 因为非线性实验对光纤色散有特定的要求，因此，PCF特别适合于制作非线性光纤器件
• 大模面积PCF
• 通常的光纤如果要运转在单模区，对芯的直径和数值孔径有很强的限制；对任意波长 和芯径大小存在一个最大的N.A.，低于这个最大值，光纤的单模运转才成为可能 • PCF芯和包层之间的折射率差很大，使得有可能制造出大芯径的单模光纤；通过增加光 2 N . A. n12 n2 n1 2 子晶体中包层晶格的大小、减小气孔的半径或增大包层中缺陷的大小，可以控制大的 模面积；可能比传统光纤大十几倍，达到150μm2 • 这种光纤的优点在于非常低的非线性因子和非常高的损伤阈值，可用于高功率传输或 对于线性要求非常高的电信领域
实心的光子晶体光纤结构
等价的传统光纤结构
普通光纤的芯区和包层折射率之差对于不同频率是常数；但对于PCF，
短波长的光能够更有效地避开气孔，因此其包层有效折射率在短波长 极限处更接近于基质材料的折射率。 对于上图所示的石英光纤，如果气孔直径和气孔间距的比值小于0.4， 则光纤对于所有波长都是单模的，这一点在常规光纤中是无法实现的。
• 但是在PCF中，如果纵向波矢（即光纤中的传播常数）足够大时，在横向上 即使很小的折射率阶跃也能成为有效的散射中心 • 因此，对于给定的足够大的传播常数，在石英/空气结构中可能存在禁止频 率范围——光子带隙 • 或者说，对于给定的频率，某些传播常数是不允许的
与折射率导波型PCF相比的不同
1. PBG光纤是在低折射率材料中传导光波 2. 折射率导波型光子晶体光纤通常对所有频率有导模，而PBG光 纤只在特定频带中传导，而且当基模不传导时，可能存在某些 传导高阶模的频率
2.1 特性
• 将光纤和光子晶体的特性相结合，可以得到传统光纤达不到的一 系列独特性质 • 具有非常严格的设计原则：
• 为了得到单模运转，要受到限定芯径，模的截止波长，有限的材料选择 （芯材玻璃与包层材玻璃的热特性必须相同）等方面的限制
• 有两个基本特性与传统光纤十分不同
两个基本特性
1. 微结构的二维特性
光子晶体光纤 (PCF)
主要内容
• 光子晶体
• 结构 • 原理：光子带隙基础 • 优点
• 光子晶体光纤（PCF） • PCF激光器
1 光子晶体
• E. Yablonovitch 和 S.John 在1987年分别独立地提出了光子晶体的概念 • 光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列形成的人工结构。所谓晶体就是针 对这种“周期性”而言的。 • 根据“周期性”的维数，光子晶体也分为一维、二维和三维的
• 在很宽的频率范围内支持单模运行 • 可以传输更大功率
5. 光子晶体超棱镜
• 常规的棱镜难以分开波长相近的光 • 用光子晶体制成的超棱镜，分光的能力比常规棱镜大100 到 1000 倍，而体积只有常规棱镜的百分之一大小 • 这对光通信中的信息处理有很重要的意义
6. 光子晶体偏振器
• 用二维光子晶体制作的偏振器具有传统的偏振器没有的优点
4. 光子晶体光纤
• 在传统的光纤中，光在中心的氧化硅纤芯里传播 • 通常采取掺杂的办法提高其折射系数，以增加传输效率，但不 同的掺杂物只能对一种频率的光有效 • 英国Bath大学的研究人员用几百个传统氧化硅棒和氧化硅毛细 管一次绑在一起组成六角阵列，在 2000 度高温下烧结后制成 了二维光子晶体光纤。在光纤的中心可以人为地引入空气孔作 为导光通道，也可以用固体硅作为导光介质 —— PCF • 光子晶体光纤在两个方面明显优于传统的光纤
超连续包含有上百万个单独频率，
频率间隔由泵浦激光器的重复率精
确分开。形成的频率阶梯可用作进 行频率测量的高精度标尺，称为光 学频率梳。用这种“频率梳”对光 频的测量精度高达 5.1×10－16
Ⅱ 光子带隙型PCF的特性
• 在一个二维散射体阵列（如空气孔）中，如果散射体和基体材料的折射率之 比足够大，由于干涉效应，在一定的频率范围内，在该平面的所有方向的传 播将被禁止，这些频率窗口即光子带隙（PBG）。光子带隙结构可能将辐射 陷在散射中心晶格的点或线缺陷上 • 在这里，石英和空气的折射率之比还是太小，导致至少在周期结构中平面内 传播的波不能产生光子带隙效应