光子晶體光纖設(shè)計與分析

1、光子晶體光纖設(shè)計與分析摘要：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基本類型 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)光機理來說，PCF可以分為兩類：折射率導(dǎo)光機理和光子能隙導(dǎo)光機理。1.1折射率導(dǎo)光機理 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

2、纖芯中傳播，這種同，由于包層包含空氣，所以這種機理稱為改進的全內(nèi)反射，這是因為空芯PCF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，這是因為包層中的小孔點陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時，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光子能隙傳光機理具體

3、解釋為：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳光機理是利用包層對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)類型可以分為實心光纖和空心光纖。實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，包層與實心光纖類似。通過設(shè)計這些空氣孔的位置、大小、間距及占空比

4、等波長量級的特征參數(shù)，對某以波段形成帶隙，從而對這一波段的光傳播是實現(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Knight J C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正六棱柱;(2)把該石英棒放在2000的光纖拉絲塔中,將它拉成直徑為0.8mm的細長正六棱柱絲; (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50m左右,形成更細的石英絲;(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個階段的拉伸過程中

5、,晶胞減少了104數(shù)量級以上,最后形成的光子晶體的孔間距在2m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“缺陷”作為核心。三.PCF的參數(shù)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氣孔圍成的空心中傳輸。因為只有很少一部分光在硅材料中傳輸，所以相對于常規(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

6、學(xué)和非線性光學(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440nm2000nm。3.2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寶石激光或Nb3+泵浦激光光源的超連續(xù)光發(fā)生器。Blaze photonics的PCF非線性效應(yīng)可達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。3.3寬帶單模PCF 常規(guī)單模光纖實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

7、的單模光纖。這種特性是由于其包層由周期性排列的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成。Blaze photonics的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。3.4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張的合成材料形成，當(dāng)光纖在拉制降溫過程中差異熱擴張產(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Blaze photonics的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

8、.5dB/km。3.5超連續(xù)光譜發(fā)生器的PCF 超連續(xù)PCF是特別設(shè)計用來把一種新的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550nm1600nm范圍，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現(xiàn)與脈沖為1ns，重復(fù)率為6k，與1064nm平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、光相干攝像和光譜學(xué)中8。3.6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心硅纖芯中傳輸。由于實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

9、得多。大數(shù)值孔徑增加了從白熾燈或弧光燈熱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:4.1無截止單模( Endlessly Single Mode) 傳輸普通單模光纖隨著纖芯尺寸的增加會變成多模光纖。而對于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。這種光纖可在從藍光到2m 的光波下單模傳輸。更為奇特的是這種特性與光纖的絕對尺寸無關(guān),因此通過改變空氣孔間距可調(diào)節(jié)模場面

10、積。在1 550 n m可達1800 m2 ,實際上已制成了680 m2 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。4.2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)計很靈活,只要改變孔徑與孔間距之比,即可達到很大的波導(dǎo)色散,還可使光纖總色度色散達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1 300 n m 實現(xiàn)光弧子傳輸;具

11、有優(yōu)良性質(zhì)的色散平坦光纖(數(shù)百n m 帶寬范圍接近零色散) ;各種非線性器件以及色散補償光纖(可達2 000 ps/ n m·km) 都應(yīng)運而生。4.3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)墓鈴娺^大造成嚴(yán)重損傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個現(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，從而達到大大減少非線性效應(yīng)的目的。光子能隙導(dǎo)光的這個特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。4.4優(yōu)良的雙折射效應(yīng)對于保偏光纖而言，雙折射效應(yīng)越強，波長越短，所保持的傳輸光偏振態(tài)越好。在

12、PCF中，只需要破壞PCF剖面圓對稱性，使其構(gòu)成二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強的雙折射。通過減少空氣孔數(shù)目或者改變空氣孔直徑的方式，可以制造出比常用的熊貓牌保偏光纖高幾個數(shù)量級的高雙折射率PCF保偏光纖。5 光子晶體光纖在光纖通信中的應(yīng)用5.1色散補償光纖 普通色散補償光纖的纖芯和包層之間的折射率差較小，所以其色散補償能力差，而PCF的纖芯和包層之間的折射率差較大，所以具有很強的色散補償能力。 C.Trebuchet等人利用5.6Km的PCF線路進行工作波長為1550nm的40Gbit/s的傳輸實驗中，利用PCF的非線性效應(yīng)四波混頻制作了光相位共軛器進行色散補償，將光相位共軛器與2.6Km和3Km的P

13、CF鏈路級聯(lián)時，通過光相位對前后兩段PCF進行色散補償，使得整條PCF的色散的累計之和為零。 由于PCF的優(yōu)良的色散補償性能，使其有望代替普通的色散補償光纖成為新一代色散補償光纖。5.2作為光信號傳輸媒質(zhì) 目前PCF已進入實驗室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗研究階段，K.Tajik等人于2003年通過改進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)計出的超低衰減的PCF成功的進行了810Gbit/s的波分復(fù)用傳輸 試驗，證明了PCF在實際的通信系統(tǒng)中使用的可行性11。2004年， K.Kaimakam等人利用他們所研制的=5.6u

14、m,d/=0.5的零色散波長在8501550nm的超低衰減的60孔PCF進行了19×10Gbit/s的波分復(fù)用 傳輸實驗，證實了這種PCF可以在850nm波段實現(xiàn)單模傳輸， 并且沒有明顯的模式延遲。5.3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G.652光纖具有更大的優(yōu)勢。2000年，英國Bath大學(xué)的Wads worth和Knight等第一個實驗報道了連續(xù)波的摻鐿光子晶體光纖激光器，實驗 中泵浦功率為300mw，耦合效率為40%時，最大實現(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)的多個領(lǐng)域，給多個研究和技術(shù)領(lǐng)域