光子晶体光纤

光子晶体光纤

在光子晶体的研究基础上，ST．J．Russell等人于 1992年最早提出光子晶体光纤的概念，第1个PCF样品于 1996年被研制出。按结构和导光机制可将 PCF 分为三种类型：一种是改进的全内反射TIR ．PCF，由某一单质材料构成 (如无掺杂纯二氧化硅 )，它的传光通道是介质，传光特性类似于常规光纤，主要是由内部全反射引起；一种是光子禁带光子晶体光纤 PBG．PCF，即在周期性排列的介质中存在缺陷，利用 PBG效应导光；另一种全向导波 OG (Omni guide)或同轴波导 CWG (Coaxial waveguide)．PCF，在光纤的横截面内沿径向存在一维周期性结构是 Bragg光纤的推广。前两种在横截面内存在二维周期性结构，属于二维光子晶体，第三种属于一维光子晶体。PCF是一种新型光纤，具有常规光纤不具备的优点：无休止单模性 (Endlessly single．mode)嘲、低损耗特性、特殊的色散和非线性特性以及微结构的可设计性，在通信领域具有广泛的应用前景。

1 PCF的结构、导光机制和特性

1．1 TIR-PCF

包层的空气孔呈六角形周期性的紧密分布，中问空气孔缺失而形成正中问的实心芯层。包压有效折射率为空气孔和介质 (石英)的折射率权平均，使芯层和外围的周期性区域出现有效率差，纤芯的折射率大于包层的折射率，其导理与传统的阶跃光纤类似，为改进的全内反射导光机制。由于包层的周期性分布使其与传统的光纤在性能上有很大不同，而且由于引入空气孔可以得到在传统石英光纤中所无法实现的大折射率差，传统光纤通过掺杂截面内折射率变化至多为1％-2％，而TIR—PCF 中的折射率变化最大可达30％-40％。在理论上，其它类型的空气孔排列也可以达到同样的功能。

传统的单模光纤只在一定的频率范围内支持单模传输，当频率较高时将会出现多模传输，而只要调节空气孔直径和空气孔距之比，PCF就可以设计为在整个频率范围 (包括小于 1 Hm 的短波)支持单模传输，这就是所谓的“无休止单模传输”特性。此外，改变空气填充率，可以得到各种频率下的色散关系。当空气孔直径增加时，波导色散值朝着负色散方向增加，在波长=1．55 微米时，可得到 -2000 ps／(nm．km)的巨大的反常色散，它可以很好地补偿在传统光纤中由于材料色散引起的正色散，因此这种光子晶体光纤具有很好的色散补偿能力。

1．2 PBG-PCF

第一个真正利用二维PBG导光的光子晶体光纤的 SEM，报道于 1998年，空气孔分布具有蜂窝状网格结构，在其正中心引入一个作为缺陷的空气孔，光被局限在空气孔芯区附近传输。空气孔分布还可呈三角形等结构。由于在完整的二维周期结构中引入了缺陷，会在禁带中产生频率分布极窄的局域态，PCF就可利用这个局域态沿着光纤方向导光。由于纤芯为空气孔，其折射率小于包层的折射率，因此不是利用传统的全内反射机制来导光，而是利用 PBG效应来导光。

利用二维 PBG效应的 PCF与全内反射机制导光的PCF的区别在于光波被限制在空气中传播，因此在传统光纤石英介质中与材料相关的影响因素大大地减小了，因而具有低损耗、低色散、低非线性效应。空心光纤的光学特性如包层有效折射率等与波长和孔的排列密切相关，空心光纤在设计上具有很大的灵活性，可通过结构参数的设计获得很好很好的色散特性与单模特性。

1．3 OG-PCF

TIR和 PBG导光的 PCF的传导单模对应于两种偏振态，与传统光纤类似，在与具有偏振依赖关系的器件耦合中存在偏振态旋转的问题。由Ibanescu．M 在与金属同轴电缆类比中提出了同轴全向光波导光纤。纤芯为同轴空气柱与直径很小的介质柱，包层为由介电常数相差很大的两种介质同轴周期性交替组成，包层属一维周期性结构，可形成一维光子禁带。这种结构综合了金属同轴电缆和基于 PBG导光的 PCF的优点是：具有与金属同轴电缆中类似的基模 (TEM 模)，模场分布为径向对称性，不存在偏振态旋转的问题。若中心介质折射率比包层平均折射率大， OG—PCF同时存在两种导光机制：全反射和光子带隙效应。若中心介质折射率比包层平均折射率小，或纤芯为空气柱，则其导光机制与 Bragg光纤相同。OG—PCF结构参数设计、介质材料选取、工作波长确定等都可以在较宽的范围内选择。

上述三类 PCF具有共同特性：通过结构的合理设计，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，这是 PCF最大的一个优势；通过结构参数调节，可加强或抑制非线性效应；具有色散特性。

2 PCF研究现状

目前，对 PCF的理论研究取得了很大进展，能够通过数值计算得出结构参数和传输特性之间的关系。数值计算模型大多基于光子晶体的计算，常用的方法有：平面波扩展方法、转移矩阵方法、时域有限差分法等。但上述方法都有近似性和局限性，其结论的精确与可靠性有待实验验证。针对PCF的特点，又提出了有效折射率模型、全矢量法和标量法等。

一般制造方法是采用玻璃管束在一起而形成预制棒，在温度为 1800℃～2000℃的熔炉中进行拉丝的方法。典型的尺寸为：玻璃管直径约 1 1Tlln，预制棒直径约20 mm，拉丝后的光纤直径为20～200 um。拉丝后光纤的截面结构与预制棒的截面结构形状基本相似，光纤中空孔间隔为 1～10 um。从 1996年研制出如图 1．A所示的第一个 TIR．PCF样品，1998年研制出如图 1．E所示的第一个 PBG．PCF样品，至今已有多家企业生产出PCF产品系列，如世界领先的PCF 产品商业化的公司——丹麦 Crystal Fiber A／S在原有属于 TIR-PCF的“非线性光子晶体光纤”、“大模场区域光子晶体光纤”、“多模光子晶体光纤”三种系列产品的基础上，最近又推出两类新产品系列中一类为 PBG—PCF 系列。又如BlazePhotonics公司目前拥有四类光子晶体光纤PCF产品，单模 PCF，保偏 PCF，高非线性 PCF，中空 (PBG)PCF；其中在 1550nm处的色散为 3Ops／nm．km，色散斜率为 0．07 ps／nm2．km；而中空 (PBG )PCF 有 HC 一800-01、HC一1060—01 和HC．1550-01三种型号，带宽达 120 nm，损耗0.2dB