光子晶体光纤设计与全解

光子晶体光纤设计与分析
摘要：光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。

光子晶体光纤（以下简称PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。

这种新型光纤可以分为两个基本类型——折射率波导和带隙波导。

由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型PCF可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。

关键词：PCF原理结构分析制备特性应用
正文：
一.PCF的导光原理
按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。

1.1折射率导光机理
周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种
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[3]。

1.2光子能隙导光机理
理论上求解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，即光子能隙导光理论。

如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯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。

当小孔间距和小孔直径满
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PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。

空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：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，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。

二．PCF的结构与制作
PCF的结构一般是在石英光纤中沿径向有规律地排列着许多空气孔道，这些微小的孔道沿光纤轴线平行排列。

根据其结构类型可以分为实心光纤和空心光纤。

实心光纤是纤芯为石英玻璃、包层为石英玻璃中分布许多空气孔道和石英玻璃壁的组合体。

空心光纤的纤芯为一条直径较大的空气孔道，包层与实心光纤类似。

通过设计这些空气孔的位置、大小、间距及占空比等波长量级的特征参数，对某以波段形成带隙，从而对这一波段的光传播是实现控制。

光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程,如Knight J C 等的制作方法:
(1)取一根直径为30mm的石英棒,沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔,随后将石英棒研磨成一个正六棱柱;
(2)把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中,将它拉成直径为
0.8mm的细长正六棱柱丝;
(3)把正六棱柱丝切成适当长度的若干段,然后堆积成需要的晶体结构,再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸,使内部空气孔的间距减小到50Λm左右,形成更细的石英丝;
(4)在以上工作的基础上,把上述石英丝高温拉伸,形成最后的PCF。

在以上3个阶段的拉伸过程中,晶胞减少了104数量级以上,最后形成的光子晶体的孔间距在2Λm左右。

PCF 沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔,从PCF 的横切面看,存在着周期性的二维结构。

如果核心处引入一个多余的空气孔,或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替,从而在光子晶体中引入一个“缺陷”作为核心。

三.PCF的参数特性
3.1空心PCF
空心PCF中的光是在由周期性排列的硅材料空气孔围成的空心中传输。

因为只有很少一部分光在硅材料中传输，所以相对于常规光纤来说，材料的非线性效应明显降低，损耗也大为减少。

据预测，空心光子晶体光纤最有可能成为下一代超低损耗传输光纤，在不久的将来，空心PCF将广泛应用于光传输，脉冲整形和压缩，传感光学和非线性光学中。

目前，已开发出多种商用空心光子带隙光纤，波长覆盖440nm~2000nm。

3.2高非线性PCF
高非线性PCF中的光是在由周期性排列的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。

通过选择相应的纤芯直径，零色散波长可以选定在可见光和近红外波长范围(670nm~880nm)，使得这些光纤特别适合
于采用掺钛蓝宝石激光或Nb3+泵浦激光光源的超连续光发生器。

Blaze photonics的PCF非线性效应可达245W-1km-1，可用于频率度量学、光谱学或光学相干摄影学中超连续光发生器。

3.3宽带单模PCF
常规单模光纤实际上是波长比二次模截止波长小的多模光纤，而宽带单模光子晶体光纤是真正意义上的单模光纤。

这种特性是由于其包层由周期性排列的多孔结构构成。

Blaze photonics的宽带单模光子晶体光纤的损耗低于0.8dB/km，主要用于空间单模场宽带辐射传输，短波长光传输，传感器和干涉仪。

3.4保偏PCF
传统保偏光纤双折射现象由纤芯附近差异热扩张的合成材料形成，当光纤在拉制降温过程中差异热扩张产生压力。

相反保偏光子晶体光纤是由非周期结构纤芯中空气和玻璃的大折射率差而形成双折射现象，从而得到更小的拍长，减小偏振态和保偏消光比之间的耦合曲率[7]。

例如Blaze photonics的保偏光子晶体光纤还有比传统保偏光纤低得多的温度敏感性，其拍长可小于4mm(1550nm波长)，损耗小于1.5dB/km。

3.5超连续光谱发生器的PCF
超连续PCF是特别设计用来把一种新的Q变换Nb3+微芯片激光器变成一种结构紧密，低成本，谱宽覆盖550nm~1600nm范围，平坦度好于5dB的超亮光超连续光源。

由于有较好的色散系数，20m长的这种光纤就可以实现与脉冲为1ns，重复率为6k，与1064nm平均功率
为几十毫瓦激光器具有几乎相同的变换效率。

超连续光源主要应用于光子学设备的测试、低相干白光干涉计、光相干摄像和光谱学中[8]。

3.6大数值孔径多模PCF
大数值孔径多模PCF中的光是在由同心环的硅材料空气孔围成
的实心硅纤芯中传输。

由于实心纤芯和包层的大折射率差，使得该光纤数值孔径比全硅多模光纤大得多。

大数值孔径增加了从白炽灯或弧光灯热光源和从低亮度半导体激光器获取光的能力。

这种光纤在
633nm处数值孔径可达0.6，主要应用于白炽灯或弧光灯光的传输、低亮度泵浦激光的传输以及光传感器中。

四．PCF的特性
PCF有着以下许多奇异特性:
4.1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1 550 n m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。

4.2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 n m 实现光弧子传输;具有优良性质的色散平坦光纤(数百n m 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/ n m·km) 都应运而生。

4.3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。

4.4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。

五．光子晶体光纤在光纤通信中的应用
5.1色散补偿光纤
普通色散补偿光纤的纤芯和包层之间的折射率差较小，所以其色散补偿能力差，而PCF的纤芯和包层之间的折射率差较大，所以具有很强的色散补偿能力。

C.Trebuchet等人利用5.6Km的PCF线路进行工作波长为1550nm的40Gbit/s的传输实验中，利用PCF的非线性效应四波混频制作了光相位共轭器进行色散补偿，将光相位共轭器与2.6Km和3Km的PCF链路级联时，通过光相位对前后两段PCF 进行色散补偿，使得整条PCF的色散的累计之和为零。

由于PCF的优良的色散补偿性能，使其有望代替普通的色散补偿光纤成为新一代色散补偿光纤。

5.2作为光信号传输媒质
目前PCF已进入实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段，K.Tajik等人于2003年通过改进PCF的制作工艺，制成了在1550nm 波长处衰减为0.3dB/km长度超过10km的超低衰减的PCF，并利用他们所设计出的超低衰减的PCF成功的进行了810Gbit/s的波分复用传输试验，证明了PCF在实际的通信系统中使用的可行性[11]。

2004年，K.Kaimakam等人利用他们所研制的Λ=5.6um,d/Λ=0.5的零色散波长在850~1550nm的超低衰减的60孔PCF进行了19×10Gbit/s 的波分复用传输实验，证实了这种PCF可以在850nm波段实现单模传输，并且没有明显的模式延迟。

5.3光纤激光器和光纤放大器
通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为1~1000um2的PCF，使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G.652光纤具有更大的优势。

2000年，英国Bath大学的Wads worth和Knight等第一个实验报道了连续波的掺镱光子晶体光纤激光器，实验中泵浦功率为300mw，耦合效率为40%时，最大实现了18mw的激光输出，激光阈值小于10mw。

总结
光子晶体光纤的出现打破了传统光纤光学的束缚，正以极快的速度影响中现代科学的多个领域，给多个研究和技术领域带来了新的复兴潜力。

从光子晶体光纤在模式、色散及非线性等方面所具有的特性及其广阔的应用范围来看，光子晶体光纤将给光通信技术、微光电子学、微纳米化学、强场物理学、光测量学、超短脉冲技术等等多个学科带来极大的冲击。

所以有理由认为光子晶体光纤是一种带来革命性变革的新型光波导。

它的特性是传统光纤无法比拟的，代表了新一代的快速发展的光纤技术与产业。

参考文献
【1】百度文库
【2】陈罗湘，光子晶体光纤在光纤传感器中的应用，科技创新导报。

2008,9
【3】维普网。