论光子晶体光纤技术现状和发展

论光子晶体光纤技术的现状和发展

摘要: 光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性

1 引言

1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。

光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具

有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。

2 光子晶体光纤概述

2.1 光子晶体光纤导光原理

光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。

带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图2-1（a）。

折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）

（a）带隙型光子晶体光纤（b）折射率引导型光子晶体光纤

图2-1光子晶体光纤扫描电子显微图

由于PCF的新颖性，这里有必要区分有关概念。光子晶体指的是在一维、二维或者三维空间上介电常数周期分布的材料；PBG是指在二维或三维空间中，某一限定波长范围内所有的光模式都被抑制。根据上述定义，光纤布拉格光栅(FBG)也是光子晶体，它存在阻带但不存在禁带结构。PBG只在特别设计的光子晶体中才会出现，一般光子晶体并不都具有PBG结构，相应的也并非所有的PCF都利用PBG结构导光。

2.2 光子晶体的制备方法

首先将熔融制成的石英毛细管紧密地放置于一根粗石英管内，形成二维的光子晶体结构，然后将中心位置的空芯毛细管替换成相同外径的实芯棒以制备实芯结构，或者抽去中心附近的若干根石英毛细管形成空心结构，从而得到了符合设计需求的光子晶体光纤预制棒;最后，用拉丝塔将预制棒在适当环境下拉制成光子晶体光纤，然后进行抗腐蚀性等后处理。该方法简单、易操作，堆积法[18]目前是制备光子晶体光纤的最常用方法。

（1）堆积法

普通单模光纤随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤[4]。对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可在从蓝光到2μm的光波下单模传输，不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1550nm可达1～800μm，已制成了680μm的大模场PCF，大约为常规光纤的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，高光功率传输等。

（2）挤压法

光对于由塑料或玻璃材料构成的光子晶体光纤，需利用模具挤压法[5]来制备。首先，根据光子晶体光纤的结构设计相应的模具;然后，在高温高压的条件下，将熔融的塑料或玻璃倒入模具，挤压出光子晶体光纤预制棒;最后利用拉丝塔将预制棒拉制成光子晶体光纤。此方法的优点在于制作效率高，适合量产;缺点在于对制作材料有一定的温度要求。

（3）超声波打孔法

挤压法制备光子晶体光纤需要设计生产模具，增加了制备成本，超声波打孔法则避免了这个问题。利用超声波打孔机，可以在玻璃棒中打出周期性排列的空气孔，从而制备出光子晶体光纤预制棒。2005年，X.Feng等人己经制备出了六边形结构的实芯光子晶体光纤。

（4）浇铸法

利用聚合物光子晶体光纤预制棒的化学原位制备技术，采用对预聚物浇铸后再加热聚合的方法，可以制备出了微结构光纤预制棒及光纤，2006年，西安光机

所己通过此法成功制备出保偏光子晶体光纤。

3 光子晶体光纤的特性

3.1 单模传输特性

普通单模光纤[4]随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可在从蓝光到2μm的光波下单模传输，不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1550nm可达1～800μm，已制成了680μm的大模场PCF，大约为常规光纤的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，高光功率传输等。

3.2非线性特性

光子晶体光纤是理想的非线性光学介质，因为与传统光纤相比，光子晶体光纤的纤芯更小，从而更容易产生非线性效应[6-7]，当改变包层空气孔直径和空气孔间距时，有效模场的能量密度也会发生强弱变化，从而使光纤的非线性性能发生相应变化，易于实现丰富的非线性现象。

非线性效应对于光纤通信进行大容量传输有较大不良影响，但通过结合可设计的色散，可以产生丰富的非线性现象，如三次谐波产生、四波混频、波长转换和受激布里渊散射等，其在制作参量光纤放大器、产生超连续谱、宽带拉曼光纤放大器和光波长变换器等光电器件方面有许多应用[8-10]。

3.3 双折射效应

保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。在PCF