光子晶體光纖設計與

1、光子晶體光纖設計與分析摘要：光學物理學家探索的光子晶體材料應用中，光纖無疑是最具有前景的一項應用。光子晶體光纖（以下簡稱PCF）是一種新型光波導，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 折射率波導和帶隙波導。由于橫向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波導型PCF可以設計成具有高度反常色散、非線性以及雙折射等特性的光纖。關鍵詞：PCF原理 結(jié)構分析 制備 特性 應用正文：一.PCF的導光原理按導光機理來說，PCF可以分為兩類：折射率導光機理和光子能隙導光機理。1.1折射率導光機理 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光的波長還小的緣故3。1.2光子能隙導光機理理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導出實芯和空芯PCF的傳導條件，即光子能隙導光理論。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成光子晶體。當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，光纖衰減只有標準光纖的1/21/44。空芯PCF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)構與制作 PCF的結(jié)構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。空心光纖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長度的若干段,然后堆積成需要的晶體結(jié)構,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。如果核心處引入一個多余的空氣孔,或者在應該出現(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，材料的非線性效應明顯降低，損耗也大為減少。據(jù)預測，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將廣泛應用于光傳輸，脈沖整形和壓縮，傳感光

6、學和非線性光學中。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非線性效應可達245W-1km-1，可用于頻率度量學、光譜學或光學相干攝影學中超連續(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)構構成。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)光源主要應用于光子學設備的測試、低相干白光干涉計、光相干攝像和光譜學中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,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非線性有極重要的意義。這種光纖具有很多潛在應用,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) 都應運而生。4.3極好的非線性效應雙折射效應G.652光纖中出現(xiàn)的非線性效應是由于光纖的單位面積上傳輸?shù)墓鈴娺^大造成嚴重損傷系統(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的目的。光子能隙導光的這個特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技術基礎。4.4優(yōu)良的雙折射效應對于保偏光纖而言，雙折射效應越強，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，使其構成二維結(jié)構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，并利用他們所設計出的超低衰減的PCF成功的進行了810Gbit/s的波分復用傳輸 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)光纖光學的束縛，正以極快的速度影響中現(xiàn)代科學的多個領域，給多個研究和技術領域