光子晶體及光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀

    光子晶體光纖（PCF）由于具有傳統(tǒng)光纖無(wú)法比擬的奇異特性，吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，在短短的十年內(nèi)PCF 的研究取得了很大的進(jìn)展。本文闡述了PCF的一些獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)、制作技術(shù)及其理論研究方法， 介紹了PCF的發(fā)展以及最新成果。
　　　　

        1、前  言  
 
　　光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF），又稱多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖，以其獨(dú)特的光學(xué)特性和靈活的設(shè)計(jì)成為近年來(lái)的熱門研究課題。這類光纖是由在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成，通過(guò)這些微小空氣孔對(duì)光的約束，實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)。獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，靈活的制作方法，使得PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性，有效地?cái)U(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。在光纖激光器這一領(lǐng)域內(nèi)，PCF經(jīng)專門設(shè)計(jì)可具有大模面積且保持無(wú)限單模的特性，有效地克服了常規(guī)光纖的設(shè)計(jì)缺陷。以這種具有新穎波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和特性的光纖作為有源摻雜的載體，并把雙包層概念引入到光子晶體光纖中，將使光纖激光器的某些性能有顯著改善。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的很多大學(xué)和科研單位都在積極開展光子晶體光纖激光器的研究工作[2]。目前，國(guó)外輸出功率達(dá)到幾百瓦的光子晶體光纖激光器已有報(bào)道。本文闡述了PCF的一些獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)、制作技術(shù)及其理論研究方法，介紹了PCF的發(fā)展以及最新成果。

　　2、光子晶體光纖的導(dǎo)光原理

　　按導(dǎo)光機(jī)理來(lái)說(shuō)，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。

　　2.1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傳播，這種結(jié)構(gòu)的PCF導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射，但與常規(guī)G.652光纖有所不同，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(zhǎng)還小的緣故[3]。
　　

        2.2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/ 2～1/ 4[4]。  
　　空芯PCF光子能隙傳光機(jī)理具體解釋為：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(zhǎng)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。

　　當(dāng)光束從介質(zhì)1進(jìn)入介質(zhì)2時(shí)，光纖中光束傳輸常數(shù)β保持不變，如圖3（a）所示；如果β≤n1k0，其中k0為真空波矢量。而β>n2k0，則光束只能在介質(zhì)1中傳輸，而不能傳輸?shù)浇橘|(zhì)2中，這就是全反射情況，如圖3（b）所示[5]。
　　3、光子晶體光纖的參數(shù)特性

　　3.1空心光子晶體光纖

　　空心光子晶體光纖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(lái)說(shuō)，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(cè)，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(lái)，空心光子晶體光纖將廣泛應(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(zhǎng)覆蓋440nm~2000nm。
　　

        3.2高非線性光子晶體光纖 
  
　　高非線性光子晶體光纖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(guò)選擇相應(yīng)的纖芯直徑，零色散波長(zhǎng)可以選定在可見光和近紅外波長(zhǎng)范圍（670nm~880nm），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[6]。Blaze photonics的光子晶體光纖非線性效應(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。   
　　

        3.3寬帶單模光子晶體光纖 
 
　　常規(guī)單模光纖實(shí)際上是波長(zhǎng)比二次模截止波長(zhǎng)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(chǎng)寬帶輻射傳輸，短波長(zhǎng)光傳輸，傳感器和干涉儀。 
　　

        3.4保偏光子晶體光纖

　　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(guò)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(zhǎng)，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(zhǎng)可小于4mm（1550nm波長(zhǎng)），損耗小于1.5dB/km。主要用于光傳感器、光纖陀螺和干涉儀。

　　3.5超連續(xù)光譜發(fā)生器的光子晶體光纖

　　超連續(xù)光子晶體光纖是特別設(shè)計(jì)用來(lái)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550nm~1600nm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(zhǎng)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(cè)試、低相干白光干涉計(jì)、光相干攝像和光譜學(xué)中[8]。
　　

         3.6大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖
　　大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖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[9]。

　　4、PCF的特性 
 
　　PCF 有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu)；纖芯和包層折射率差可以很大；纖芯可以制成多種樣式；包層折射率是波長(zhǎng)函數(shù)，包層性能反映在波長(zhǎng)尺度上。因此PCF有許多特性。

　　4.1無(wú)截止單模

　　普通單模光纖隨纖芯尺寸的增加會(huì)變成多模光纖。對(duì)于PCF只要其空氣孔徑與孔間距之比小于0.2，可在從藍(lán)光到2μm 的光波下單模傳輸，不存在截止波長(zhǎng)。這就是無(wú)截止單模傳輸特性，且這種特性與光纖絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)，因此通過(guò)改變空氣孔間距可調(diào)節(jié)模場(chǎng)面積，在1550nm可達(dá)1～800μm2，已制成了680 μm2的大模場(chǎng)PCF，大約為常規(guī)光纖的10倍[10]。小模場(chǎng)有利于非線性產(chǎn)生，大模場(chǎng)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?shù)取?span style="display: none">  
　　

        4.2不同的色度色散

　　真空中材料色散為零，空氣中的材料色散也非常小，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(zhǎng)可移到短波長(zhǎng)，從而在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補(bǔ)償光纖（可達(dá)2000ps/nm·km）應(yīng)運(yùn)而生[11]。

　　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)是由于光纖單位面積上傳輸?shù)墓鈴?qiáng)過(guò)大造成嚴(yán)重?fù)p傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個(gè)現(xiàn)象。而在光子能隙導(dǎo)光PCF中，可以通過(guò)增加PCF纖芯空氣孔直徑（即PCF的有效面積）來(lái)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[12]。光子能隙導(dǎo)光的這個(gè)特性為制造大有效面積PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 

　　4.4優(yōu)良的雙折射效應(yīng)

　　保偏光纖中，雙折射效應(yīng)越強(qiáng)，波長(zhǎng)越短，保持傳輸光偏振態(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(guò)減少空氣孔數(shù)目或者改變空氣孔直徑的方式，可以制成比常用熊貓保偏光纖高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的高雙折射率PCF保偏光纖[13]。
　　

         4.5較高的入射功率 
 
　　光子晶體光纖的全波長(zhǎng)單模特性與光纖絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)，放大或縮小光纖照樣可以保持單模傳輸，這表明可以根據(jù)需要來(lái)設(shè)計(jì)纖芯面積。英國(guó)Bath大學(xué)研究人員已經(jīng)制作了工作在458nm，纖芯直徑是23μｍ的單模光子晶體光纖。其纖芯面積大約是傳統(tǒng)光纖纖芯面積10倍左右，用于高功率傳輸時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)非線性效應(yīng)。
　　

        4.6光子晶體光纖的非線性現(xiàn)象

        減小光纖模場(chǎng)面積，可增強(qiáng)非線性效應(yīng)，從而使光子晶體光纖同時(shí)具有強(qiáng)非線性和快速響應(yīng)特性。常規(guī)光纖有效截面積在50－100μｍ量級(jí)，而光子晶體光纖可以做到1μｍ量級(jí)，所以各種典型非線性光纖器件如科爾光閘、非線性環(huán)形鏡等就可以做成比普通光纖短100倍[14]。通過(guò)改變孔間距可以調(diào)節(jié)有效模場(chǎng)面積，調(diào)節(jié)范圍在1.5μｍ波長(zhǎng)處約為1－800μｍ。在孔中可以裝載氣體，也可以裝載低折射率液體，從而使光子晶體光纖具有可控制的非線性。
　　4.7易于實(shí)現(xiàn)多芯傳輸

　　多芯傳輸有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是提高了信道通信的容量，二是解決了單芯難以勝任的復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)、矢量彎曲傳感、光纖耦合等問題。光子晶體光纖使得多芯的結(jié)構(gòu)能被精確定位且具有良好的軸向均勻性，無(wú)須附加其他工藝。
　　

         5、光子晶體光纖的發(fā)展
　　1996 年，英國(guó)南安普頓大學(xué)光電研究中心和丹麥技術(shù)大學(xué)電磁系首先報(bào)道了成功制備出PCF。莫斯科大學(xué)A. M. Zheltikov 等人也進(jìn)行了包層具有周期分布空氣導(dǎo)孔的多孔光纖的研制。研究發(fā)現(xiàn)，改變多孔光纖包層的幾何結(jié)構(gòu)，可有效地增強(qiáng)光纖中非線性效應(yīng)[15]。這種方法可應(yīng)用于脈沖壓縮、光孤子的形成和受激拉曼散射的增強(qiáng)。
　　

          2001年，英國(guó)Bath大學(xué)Wadsworth等人實(shí)現(xiàn)了雙包層光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。雙包層光子晶體光纖摻雜離子為Yb3+離子，纖芯直徑15.2μm，數(shù)值孔徑0.11，內(nèi)包層直徑150μm，數(shù)值孔徑0.8，利用20W光纖耦合二極管陣列泵浦該光纖，光纖長(zhǎng)度為17m ，獲得了3.9W功率輸出，斜效率21%[16]。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雙包層光子晶體光纖存在隨機(jī)散射中心，說(shuō)明纖芯中存在著缺陷，有待進(jìn)一步完善光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)。

　　2002年，日本Norihiko等人以鎖模摻Er3+光纖激光器為泵浦源，結(jié)合周期極化LiNbO3，泵浦長(zhǎng)60cm的高非線性PCF，得到波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為0. 78- 0.90μm的孤子脈沖，脈寬為55fs，所用PCF芯徑為1.7μm，零色散波長(zhǎng)大約在0.69μm處[17]。
　　

         2003年1月，Wadsworth等人報(bào)導(dǎo)了利用大模面積空氣包層PCF研制的高功率PCF 激光器，其結(jié)構(gòu)為雙程后向線性腔結(jié)構(gòu)，最大輸出功率3.9W，斜率效率30% ，實(shí)現(xiàn)單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)[18]。所采用的PCF纖芯直徑為15μm ，內(nèi)包層數(shù)值孔徑大于0.8。為了使包層中的泵浦光最大限度的耦合到纖芯中，提高纖芯對(duì)泵浦光的吸收，PCF的摻雜纖芯采用了偏芯設(shè)計(jì)。 　　2004年初，Blaze曾發(fā)布了一款新型PCF，該光纖是針對(duì)Nd3+微芯片激光器特別優(yōu)化設(shè)計(jì)的，可產(chǎn)生超連續(xù)光譜，這種光譜可在單模光纖中產(chǎn)生一個(gè)寬帶輸出，光譜亮度超過(guò)太陽(yáng)10000倍。Blaze表示利用微芯片激光器和PCF可獲得高性能光源，將會(huì)取代Lamp和超高亮度LED等傳統(tǒng)的寬帶光源。 
　　

        2004年，清華大學(xué)研究人員理論上計(jì)算了PCF的色散值，所選擇PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)為：空氣孔間距為0.8μm，空氣孔直徑與空氣孔間距之比是0.835。計(jì)算得到在1.55μm PCF的色散值可以達(dá)到-2050ps/（km.nm），可以補(bǔ)償120倍長(zhǎng)度的G.652光纖（17ps/（km.nm）），可以補(bǔ)償240倍長(zhǎng)度的G.655光纖（8.2ps/（km.nm）），從而大大縮短了色散補(bǔ)償光纖的長(zhǎng)度[19]。PCF的色散補(bǔ)償作用在高速率、大容量、遠(yuǎn)距離的WDM系統(tǒng)中將會(huì)具有極大的應(yīng)用價(jià)值。
　　

         2005年，英國(guó)Bath大學(xué)A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脈沖在PCF中產(chǎn)生了超連續(xù)譜， 日本電報(bào)電話公司T.Yamamoto等人用波長(zhǎng)1562nm、脈寬2.2ps、重復(fù)頻率40GHz的光脈沖注入到200m長(zhǎng)的色散平坦保偏PCF中，在1550nm區(qū)域產(chǎn)生了超過(guò)40nm的均勻超連續(xù)譜，而美國(guó)Rochester大學(xué)Z. M. Zhu等人利用丹麥Crystal Fiber A公司低雙折射、高非線性PCF獲得600～1000nm的超連續(xù)譜[20]。