光子晶體光纖設(shè)計(jì)與全解

1、光子晶體光纖設(shè)計(jì)與分析摘要：光學(xué)物理學(xué)家探索的光子晶體材料應(yīng)用中，光纖無疑是最具有前景的一項(xiàng)應(yīng)用。光子晶體光纖（以下簡稱PCF）是一種新型光波導(dǎo)，具有與普通光纖截然不同的特性。這種新型光纖可以分為兩個(gè)基本類型一一折射率波導(dǎo)和帶隙波導(dǎo)。由于橫向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波導(dǎo)型PCF可以設(shè)計(jì)成具有高度反常色散、 非線性以及雙折射等特性的光纖。關(guān)鍵詞：PCF原理結(jié)構(gòu)分析制備特性應(yīng)用正文：一.PCF的導(dǎo)光原理按導(dǎo)光機(jī)理來說，PCF可以分為兩類：折射率導(dǎo)光機(jī)理和光子能隙導(dǎo)光機(jī)理。1.1折射率導(dǎo)光機(jī)理周期性缺陷的纖芯折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定差別，從而使光能夠在纖芯中

2、傳播，這種同，由于包層包含空氣，所以這種機(jī)理稱為改進(jìn)的全內(nèi)反射，這是因?yàn)榭招綪CF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長還小的緣故3。1.2光子能隙導(dǎo)光機(jī)理理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯PCF的傳導(dǎo)條件，即光子能隙導(dǎo)光理論。如圖2所示，光纖中心為空芯，雖然空芯折射率比包層石英玻璃低，但仍能保證光不折射出去，這是因?yàn)榘鼘又械男】c(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。 當(dāng)小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時(shí)，其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播，光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。最近有研究表明，這種PCF可傳輸99%以上的光能，而空間光衰減極低，光纖衰減只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的1/21/44?？招綪CF光子能隙傳光機(jī)理具體解釋

3、為：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳光機(jī)理是利用包層對(duì)一定波長的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空芯PCF中不能發(fā)生全內(nèi)反射，包層中的小孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)起到反射鏡的作用，使光在許多小孔的空氣和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。二.PCF的結(jié)構(gòu)與制作PCF的結(jié)構(gòu)一般是在石英光纖中沿徑向有規(guī)律地排列著許多空氣孔道，這些微小的孔道沿光纖軸線平行排列。根據(jù)其結(jié)構(gòu)類型可以分為實(shí)心光纖和空心光纖。實(shí)心光纖是纖芯為石英玻璃、包層為石英玻璃中分布許多空氣孔道和石英玻璃壁的組合體?？招墓饫w的纖芯為一條直徑較大的空氣孔道，包層與實(shí)心光纖類似。通過設(shè)計(jì)這些空氣孔的位置、大小、間距及占空比等波

4、長量級(jí)的特征參數(shù)，對(duì)某以波段形成帶隙，從而對(duì)這一波段的光傳播是實(shí)現(xiàn)控制。光子晶體的制作都要經(jīng)過拉伸、堆積和熔合等過程，如KnightJC等的制作方法：(1)取一根直徑為30mm的石英棒， 沿其軸線方向上鉆一條直徑為16mm的孔,隨后將石英棒研磨成一個(gè)正六棱柱；(2)把該石英棒放在2000c的光纖拉絲塔中，將它拉成直徑為0.8mm的細(xì)長正六棱柱絲；(3)把正六棱柱絲切成適當(dāng)長度的若干段，然后堆積成需要的晶體結(jié)構(gòu)，再把它們放到拉絲塔中熔合、拉伸，使內(nèi)部空氣孔的間距減小到50Am左右，形成更細(xì)的石英絲；(4)在以上工作的基礎(chǔ)上，把上述石英絲高溫拉伸，形成最后的PCF。在以上3個(gè)階段的拉伸過程中，晶胞

5、減少了104數(shù)量級(jí)以上，最后形成的光子晶體的孔間距在2Am左右。PCF沿著石英絲的軸向均勻排列著空氣孔，從PCF的橫切面看，存在著周期性的二維結(jié)構(gòu)。如果核心處引入一個(gè)多余的空氣孔， 或者在應(yīng)該出現(xiàn)空氣孔的地方由均勻硅代替,從而在光子晶體中引入一個(gè)“缺陷”作為核心。三.PCF的參數(shù)特性渀最空心PCF空心PCF中的光是在由周期性排列的硅材料空氣孔圍成的空心中傳輸。因?yàn)橹挥泻苌僖徊糠止庠诠璨牧现袀鬏敚韵鄬?duì)于常規(guī)光纖來說，材料的非線性效應(yīng)明顯降低，損耗也大為減少。據(jù)預(yù)測，空心光子晶體光纖最有可能成為下一代超低損耗傳輸光纖，在不久的將來，空心PCF將廣泛應(yīng)用于光傳輸，脈沖整形和壓縮，傳感光學(xué)和非線性

6、光學(xué)中。目前，已開發(fā)出多種商用空心光子帶隙光纖，波長覆蓋440nm2000nmb渀最高非線性PCF高非線性PCF中的光是在由周期性排列的硅材料空氣孔圍成的實(shí)心硅纖芯中傳輸。通過選擇相應(yīng)的纖芯直徑，零色散波長可以選定在可見光和近紅外波長范圍(670nm880nm),使得這些光纖特別適合于采用摻鈦藍(lán)寶石激光或Nb3+泵浦激光光源的超連續(xù)光發(fā)生器。BlazephotonicSPCF非線性效應(yīng)可達(dá)245W-1km-1,可用于頻率度量學(xué)、光譜學(xué)或光學(xué)相干攝影學(xué)中超連續(xù)光發(fā)生器。渀最寬帶單模PCF常規(guī)單模光纖實(shí)際上是波長比二次模截止波長小的多模光纖，而寬帶單模光子晶體光纖是真正意義上的單模光纖。這種特性是

7、由于其包層由周期性排列的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成。BlazephotonicS勺寬帶單模光子晶體光纖的損耗低于0.8dB/km,主要用于空間單模場寬帶輻射傳輸，短波長光傳輸，傳感器和干涉儀。渀最保偏PCF傳統(tǒng)保偏光纖雙折射現(xiàn)象由纖芯附近差異熱擴(kuò)張的合成材料形成，當(dāng)光纖在拉制降溫過程中差異熱擴(kuò)張產(chǎn)生壓力。相反保偏光子晶體光纖是由非周期結(jié)構(gòu)纖芯中空氣和玻璃的大折射率差而形成雙折射現(xiàn)象，從而得到更小的拍長，減小偏振態(tài)和保偏消光比之間的耦合曲率7。例如Blazephotonic第）保偏光子晶體光纖還有比傳統(tǒng)保偏光纖低得多的溫度敏感性，其拍長可小于4mm（1550nm波長），損耗小于1.5dB/km。渀最超連續(xù)光譜

8、發(fā)生器的PCF超連續(xù)PCF是特別設(shè)計(jì)用來把一種新的Q變換Nb3+微芯片激光器變成一種結(jié)構(gòu)緊密，低成本，譜寬覆蓋550nm1600nme圍，平坦度好于5dB的超亮光超連續(xù)光源。由于有較好的色散系數(shù)，20m長的這種光纖就可以實(shí)現(xiàn)與脈沖為1ns,重復(fù)率為6k,與1064nm均功率為幾十毫瓦激光器具有幾乎相同的變換效率。超連續(xù)光源主要應(yīng)用于光子學(xué)設(shè)備的測試、低相干白光干涉計(jì)、光相干攝像和光譜學(xué)中8。渀最大數(shù)值孔徑多模PCF大數(shù)值孔徑多模PCF中的光是在由同心環(huán)的硅材料空氣孔圍成的實(shí)心硅纖芯中傳輸。由于實(shí)心纖芯和包層的大折射率差，使得該光纖數(shù)值孔徑比全硅多模光纖大得多。大數(shù)值孔徑增加了從白熾燈或弧光燈熱

9、光源和從低亮度半導(dǎo)體激光器獲取光的能力。這種光纖在633nm處數(shù)值孔徑可達(dá)0.6,主要應(yīng)用于白熾燈或弧光燈光的傳輸、低亮度泵浦激光的傳輸以及光傳感器中。四.PCF的特性PCF有著以下許多奇異特性：無截止單模(EndlesslySingleMode)傳輸普通單模光纖隨著纖芯尺寸的增加會(huì)變成多模光纖。 而對(duì)于PCF，只要其空氣孔徑與孔間距之比小于0.2,無論什么波長都能單模傳輸，似乎不存在截止波長。 這就是無截止單模傳輸特性。 這種光纖可在從藍(lán)光到2wm的光波下單模傳輸。更為奇特的是這種特性與光纖的絕對(duì)尺寸無關(guān)，因此通過改變空氣孔間距可調(diào)節(jié)模場面積。在1550nm可達(dá)1800m2，實(shí)際上已制成了6

10、80m2的大模場PCF，大約是常規(guī)光纖的10倍。小模場有利于非線性產(chǎn)生，大模場可防止發(fā)生非線性。這對(duì)于提高或降低光學(xué)非線性有極重要的意義。這種光纖具有很多潛在應(yīng)用， 如激光器和放大器(利用高非線性光纖),低非線性通信用光纖，高光功率傳輸。不同尋常的色度色散真空中材料色散為零， 空氣中的材料色散也非常小。 這使得空氣芯PCF的色散非常特殊。由于光纖設(shè)計(jì)很靈活，只要改變孔徑與孔間距之比，即可達(dá)到很大的波導(dǎo)色散，還可使光纖總色度色散達(dá)到所希望的分布狀態(tài)。如零色散波長可移到短波長， 從而導(dǎo)致在1300nm實(shí)現(xiàn)光弧子傳輸； 具有優(yōu)良性質(zhì)的色散平坦光纖（數(shù)百nm帶寬范圍接近零色散）；各種非線性器件以及色散

11、補(bǔ)償光纖（可達(dá)2000ps/nm-km）都應(yīng)運(yùn)而生。極好的非線性效應(yīng)雙折射效應(yīng)G.652光纖中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)是由于光纖的單位面積上傳輸?shù)墓鈴?qiáng)過大造成嚴(yán)重?fù)p傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個(gè)現(xiàn)象。然而，在光子能隙導(dǎo)光PCF中，我們可以通過增加PCF纖芯空氣孔直徑（即PCF的有效面積）來降低單位有效面積上的光強(qiáng)，從而達(dá)到大大減少非線性效應(yīng)的目的。光子能隙導(dǎo)光的這個(gè)特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。優(yōu)良的雙折射效應(yīng)對(duì)于保偏光纖而言，雙折射效應(yīng)越強(qiáng)，波長越短，所保持的傳輸光偏振態(tài)越好。在PCF中，只需要破壞PCF剖面圓對(duì)稱性，使其構(gòu)成二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強(qiáng)的雙折射。通過減少空氣孔數(shù)目或者改變空氣孔直徑

12、的方式，可以制造出比常用的熊貓牌保偏光纖高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的高雙折射率PCF保偏光纖。五.光子晶體光纖在光纖通信中的應(yīng)用色散補(bǔ)償光纖普通色散補(bǔ)償光纖的纖芯和包層之間的折射率差較小，所以其色散補(bǔ)償能力差，而PCF的纖芯和包層之間的折射率差較大，所以具有很強(qiáng)的色散補(bǔ)償能力。C.Trebuchet等人利用5.6Km的PCF線路進(jìn)行工作波長為1550nm的40Gbit/s的傳輸實(shí)驗(yàn)中， 利用PCF的非線性效應(yīng)四波混頻制作了光相位共鈍器進(jìn)行色散補(bǔ)償，將光相位共鈍器與2.6Km和3Km的PCF鏈路級(jí)聯(lián)時(shí)，通過光相位對(duì)前后兩段PCF進(jìn)行色散補(bǔ)償，使得整條PCF的色散的累計(jì)之和為零。由于PCF的優(yōu)良的色散補(bǔ)償性能，

13、使其有望代替普通的色散補(bǔ)償光纖成為新一代色散補(bǔ)償光纖。作為光信號(hào)傳輸媒質(zhì)目前PCF已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)研究階段，K.Tajik等人于2003年通過改進(jìn)PCF的制作工藝，制成了在1550nm波長處衰減為0.3dB/km長度超過10km的超低衰減的PCF,并利用他們所設(shè)計(jì)出的超低衰減的PCF成功的進(jìn)行了810Gbit/s的波分復(fù)用傳輸試驗(yàn)， 證明了PCF在實(shí)際的通信系統(tǒng)中使用的可行性11。2004年，K.Kaimakam等人利用他們所研制的A=5.6um,d/A=0.5的零色散波長在8501550nm的超低衰減的60孔PCF進(jìn)行了19X10Gbit/s的波分復(fù)用傳輸實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了這種PCF可以在850nm波段實(shí)現(xiàn)單模傳輸，并且沒有明顯的模式延遲。光纖激光器和光纖放大器通過調(diào)整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設(shè)計(jì)出模場面積范圍為11000um2的PCF,使得PCF在光纖激光器和光放大器研制中比G652光纖具有更大的優(yōu)勢。2000年，英國Bath大學(xué)的Wadsworth和Knight等第一個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)道了連續(xù)波的摻鏡光子晶體光纖激光器，實(shí)驗(yàn)中泵浦功率為300mw,耦合效率為40%時(shí)，最大實(shí)現(xiàn)了18mw的激光輸出，激光閾值小于10mw?？偨Y(jié)光子晶體光纖的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)光纖光學(xué)的束縛，正以極快的速度影響中現(xiàn)代科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，給多個(gè)研究和技術(shù)領(lǐng)域帶來了新的復(fù)興