光子晶體光纖催化中國光纖行業(yè)

　　ICCSZ訊   （文/廉正剛、婁淑琴）一根細(xì)細(xì)的玻璃纖維(光纖)可以把等同于上千本書的信息幾乎瞬時地傳輸?shù)綌?shù)百公里外。在現(xiàn)代通訊行業(yè)中，它早已取代了銅線，成為長距離信號傳輸?shù)妮d體。光纖自1966 年問世以來，人們最初追求的目標(biāo)是盡可能地降低損耗。70 年代末，光纖已達(dá)到每公里只有4-5%能量損耗(0.2dB/km)，光信號可以傳輸幾十公里;隨著科技的發(fā)展，到80 年代后期摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)面市，光信號可以傳輸過程中增強，完全解決了光纖損耗這一歷史性難題，實現(xiàn)了跨洋超長距離信息傳輸。光導(dǎo)纖維作為通信行業(yè)一個充滿活力的新興力量，蓬勃發(fā)展壯大起來。因此，擁有“光纖之父”美譽的華裔科學(xué)家高錕在2009年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

　　自1990年以來，由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的快速增長，使得人們對傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的要求不斷提升，更大容量、更高速率、更長傳輸距離的光纖通信系統(tǒng)隨之出現(xiàn)。但在傳統(tǒng)的光纖系統(tǒng)中，存在著諸如色散、非線性和下一代全光網(wǎng)絡(luò)中的邏輯器件功能簡單(如:光開關(guān))的難題，這就需要有新的光纖技術(shù)和器件作支撐。

　　1、從傳統(tǒng)光纖到光子晶體光纖

　　1987年，Eli Yablonovitch等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些動物體表有周期性規(guī)律排列的細(xì)毛，可以把某些顏色(對應(yīng)一定波長)的光完全反射，而吸收其它波長，展現(xiàn)出艷麗的色彩，如圖1所示孔雀的羽毛和蝴蝶的翅膀表面呈現(xiàn)出鮮艷的色彩。Eli Yablonovitch等將此類結(jié)構(gòu)命名為 “光子晶體”。很快，這一結(jié)構(gòu)在光纖領(lǐng)域得到了移植應(yīng)用。1992年，Phillip Russell等人提出“光子晶體光纖”(微結(jié)構(gòu)光纖中的一類)。光子晶體光纖是由一簇細(xì)小的石英毛細(xì)管按照六邊形周期性排列，從橫截面上看去，就像是蜂窩結(jié)構(gòu)。由于優(yōu)良的傳輸特性，光子晶體光纖迅速在全球受到重視。

　　

　　圖1，(a)孔雀的彩色羽毛，(b)通過電子顯微鏡看到的放大的孔雀羽毛;(c)藍(lán)色蝴蝶;(d)通過電子顯微鏡看到的蝴蝶翅膀。

　　傳統(tǒng)光纖的結(jié)構(gòu)(如圖2，(a))通常是由兩種玻璃材料制成的，包含具有較高折射率的纖芯和較低折射率的包層，光通過全反射的形式在高折射率材料的纖芯中傳播。光子晶體光纖可由單一材質(zhì)制備(如：石英玻璃)，分為實芯和空芯兩種結(jié)構(gòu)。實芯光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)，通常是由二維的毛細(xì)管按照六邊形組成的陣列，最中心的毛細(xì)管被換成石英玻璃棒，形成了光子晶體的缺陷(圖2(b))，光則在這個實芯缺陷中傳播。這種光纖的工作原理和傳統(tǒng)光纖接近，通過纖芯和包層不同的折射率傳播。這是因為包層中含有空氣孔，使得包層的有效折射率小于纖芯折射率，光在纖芯內(nèi)形成全反射?？招竟庾泳w光纖(圖2(c))也是只有二氧化硅一種材質(zhì)，但是它與傳統(tǒng)光纖和實芯光子晶體光纖傳導(dǎo)機理完全不同，空芯光子晶體光纖是采用光子帶隙原理，利用光子帶隙效應(yīng)實現(xiàn)光在空氣中傳輸。光在這種光子晶體光纖中是通過中間的氣孔傳播，所以沒有常規(guī)光纖的傳輸窗口、損耗、色散等限制。

　　圖2，(a)傳統(tǒng)光纖含有多種玻璃材料，纖芯和包層是不同折射率的玻璃;(b)實芯光子晶體光纖和(c)空芯光子晶體光纖一般使用單一石英玻璃材料;和(d)多芯光纖。

　　2、光子晶體光纖革命性優(yōu)勢

　　光子晶體光纖除了在外形上和傳統(tǒng)光纖存在差異之外，在設(shè)計的自由度上也具有革命性優(yōu)勢。除了擁有傳統(tǒng)光纖的特性，光子晶體光纖還可以靈活的調(diào)整纖芯或包層中空氣孔的大小、間距和幾何形狀，這些變化使光纖有了更多的性能，也因此在多個方面超越了傳統(tǒng)光纖。以下是幾個簡單的例子：

　　(1)單一制作材料

　　首先，單一材料不易受到溫度變化的影響。如果光纖存在多種玻璃材料，而每種玻璃的熱膨脹系數(shù)不同，那么光纖在非恒溫使用條件下的傳輸性能會隨之變化，可能會造成信號紊亂，而單一材料光纖制品不存在相異的熱膨脹系數(shù)，很好的規(guī)避了溫差的限制，信號更為穩(wěn)定。其次，單一材料抗輻照性能優(yōu)越。如果在大氣層以外的環(huán)境中使用傳統(tǒng)光纖，失去大氣層保護(hù)的纖芯鍺會受到宇宙射線的干擾而產(chǎn)生化學(xué)變化，光纖的性能就不再穩(wěn)定。而光子晶體光纖只有單一的石英玻璃，不會受到種情況的干擾。而且，實芯光子晶體光纖是由純石英這一種材料制備而成，外部包層的多孔結(jié)構(gòu)使得包層的有效折射率低于纖芯，這樣以來，保證了光持續(xù)在纖芯中的傳輸。也可以設(shè)計毛細(xì)孔的間距來控制光的模式。

　　(2)空芯傳輸

　　在空芯光子晶體光纖中，光在空芯中傳輸，避免了纖芯材料的自身的吸收和散射問題，因此不存在傳統(tǒng)玻璃光纖中的傳輸窗口，整個波段都可以傳輸光，且理論上可實現(xiàn)極低損耗。雖然由于空芯光纖的拉制缺陷，目前的空心光子晶體光纖的損耗大于傳統(tǒng)光纖，隨著空心光子晶體光纖的生產(chǎn)工藝的逐步優(yōu)化，這一問題將很快得到解決。同時，空芯光子晶體光纖的色散與包層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，改變空芯光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)可以使零色散波長極大的向短波長方向移動，并可以實現(xiàn)各種特殊的色散要求(如色散平坦，色散補償?shù)?。另外，光在空氣中傳輸，其非線性系數(shù)非常小，比傳統(tǒng)單模光纖低1000多倍，有利于抑制有害的非線性影響。

　　(3)方便制作

　　光子晶體光纖不需要使用化學(xué)沉積等大型設(shè)備即可完成預(yù)制棒的制造。常規(guī)光纖預(yù)制棒制備方法是管內(nèi)化學(xué)沉積法，制備一根預(yù)制棒往往需要幾小時到幾十小時，而且存在有害氣體。光子晶體光纖預(yù)制棒是毛細(xì)管排管法完成的，數(shù)十根或上百根毛細(xì)管按照蜂窩狀排列成型。不需要化學(xué)沉積，節(jié)省生產(chǎn)時間并且對環(huán)境無污染。隨著市場的逐步開拓，生產(chǎn)成本亦會大幅度降低。

　　3、光子晶體光纖的應(yīng)用及市場

　　(1)惡劣環(huán)境使用的高性能保偏光纖

　　實際應(yīng)用中常常需要保持光的偏振特性，這正是保偏振態(tài)光纖的用武之地。尤其是在光纖陀螺領(lǐng)域，每年至少有1.5萬公里的使用量。傳統(tǒng)領(lǐng)結(jié)型及和熊貓型保偏光纖是基于應(yīng)力雙折射，雙折射值通常在10-4量級。光子晶體光纖型保偏光纖，雙折射可做到10-3以上，比傳統(tǒng)保偏光纖高一個數(shù)量級，偏振保持能力更強。基于應(yīng)力雙折射的傳統(tǒng)保偏光纖，應(yīng)力區(qū)的引入是獲得高雙折射的基礎(chǔ)。但當(dāng)溫度升高時，應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力逐漸釋放，雙折射值逐漸減小乃至消失，致使傳統(tǒng)保偏光纖在變化溫度環(huán)境中穩(wěn)定性較差。保偏光子晶體光纖屬于幾何雙折射，纖芯與包層采用單一材質(zhì)，一致的熱膨脹系數(shù);而且，空氣包層的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，能有效緩沖溫度大范圍波動導(dǎo)致的附加應(yīng)力，因此保偏光子晶體光纖具有良好的溫度穩(wěn)定性，雙折射不隨溫度升高而減小。另外，傳統(tǒng)保偏光纖芯中摻鍺，在太空等光纖陀螺應(yīng)用領(lǐng)域的輻射照射環(huán)境下會增加損耗。光子晶體保偏光纖采用高純石英玻璃制備，高純的石英使光子晶體光纖有良好抗輻照性能?？梢?，光子晶體保偏光纖對于在惡劣應(yīng)用環(huán)境下(如：太空輻照環(huán)境中)的高精度光纖陀螺，具有不可替代的作用。

　　(2)高功率光纖激光器和新型光纖傳感

　　光子晶體光纖采用毛細(xì)管堆疊拉制，激光器增益光纖和刻制光纖光柵所需要的在纖芯中的摻雜變得非常容易，只需在排列時采用含有稀土元素?fù)诫s的毛細(xì)棒替換中心毛細(xì)管即可;光子晶體光纖可以設(shè)計成高數(shù)值孔徑(NA)包層，有利于泵浦光的耦合;同時可以設(shè)計成大模場、低非線性，可支持高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出。

　　光纖激光器的市場巨大，同時高功率激光器在軍事、國防領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。IPG一家企業(yè)在2012年的一個季度就有超過1億美元的銷售額。中國市場對光纖激光器的需要量也是巨大的。許多傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)商拋棄老的加工生產(chǎn)方式，采用激光器做實現(xiàn)機械加工，這樣不僅可減少碳排放，且產(chǎn)品質(zhì)量也會得到大幅提高。但是，國內(nèi)依然沒有一家企業(yè)能夠長期穩(wěn)定的供應(yīng)摻雜光纖，這既是巨大的挑戰(zhàn)也是難得的機遇。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感行業(yè)的市場份額正在日益變大。作為光纖傳感行業(yè)最先步入實用的重要傳感器，光纖光柵正起著越來越重要的作用。光子晶體光纖纖芯摻鍺可提高光敏性，從而可以制成光纖光柵。1999年，Ben Eggleton等科學(xué)家在纖芯摻鍺的光子晶體光纖中，采用紫外光掩模寫入法獲得了布拉格光子晶體光纖光柵和長周期光子晶體光纖光柵。與普通光纖光柵相比，光子晶體光纖光柵具有對外界折射率指數(shù)不敏感、高耦合系數(shù)和低包層模損耗等等優(yōu)點。光子晶體光纖光柵的出現(xiàn)，正在有力地推動著光纖光柵傳感技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

　　(3)下一代通訊技術(shù) - 空分復(fù)用，多芯光纖

　　受高容量光網(wǎng)絡(luò)需求的推動，空分復(fù)用和多芯光纖等多種光纖結(jié)構(gòu)和功能創(chuàng)新在不斷涌現(xiàn)?？辗謴?fù)用，是一條光纜中的多組光纖通過空間進(jìn)行復(fù)用的方式;多芯光纖則是一根光纖具有多個常規(guī)纖芯，且纖芯相互之間干擾很小。空分復(fù)用和多芯光纖，均可在很大程度上提升傳輸系統(tǒng)的容量，有望成為下一代傳輸光纖?；诠庾泳w光纖制作技術(shù)，制造多芯光纖是極其方便的，只需將相應(yīng)位置的毛細(xì)管替換為毛細(xì)棒即可(如圖2(d))。同時，可以設(shè)計每個纖芯周圍的包層，減小纖芯之間的最小串?dāng)_距離，使同樣直徑的光纖中容納更多的纖芯，提高傳輸系統(tǒng)的容量。

　　光子晶體光纖通過改變包層中空氣孔的間距及大小，可以很方便的改變光纖的波導(dǎo)性能，因此可以設(shè)計具有特殊性質(zhì)的光子晶體光纖，如：大模場面積光子晶體光纖，高數(shù)值孔徑光子晶體光纖，高雙折射光子晶體光纖，高非線性光子晶體光纖，色散平坦光子晶體光纖，色散補償光子晶體光纖等?？梢哉f光子晶體光纖在許多應(yīng)用領(lǐng)域會超越傳統(tǒng)光纖，將會在通訊，激光器和傳感領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。僅全球的通訊光纖在2013年的使用量超過2.5億芯公里。因此，光子晶體光纖很快會在這個龐大的應(yīng)用領(lǐng)域分到一杯羹。

　　4、我國研制生產(chǎn)的光子晶體光纖已達(dá)國際先進(jìn)水平

　　我國目前生產(chǎn)的光子晶體光纖已經(jīng)達(dá)到了國際較先進(jìn)的水平。我國首家特種光纖產(chǎn)業(yè)公司武漢長盈通光電技術(shù)有限公司，已研制出多種尺寸的保偏光子晶體光纖，生產(chǎn)的光子晶體光纖已經(jīng)達(dá)到了國際較先進(jìn)的水平，也正在穩(wěn)步開發(fā)光敏性和空芯光子晶體光纖等產(chǎn)品。公司生產(chǎn)的保偏光子晶體光纖在1550nm波段損耗低于1.5dB/km以下。光纖包層及纖芯采用同樣材質(zhì)，實測數(shù)據(jù)顯示，其溫度敏感性上優(yōu)于傳統(tǒng)保偏光纖，全溫消光比變化為2dB左右，相比傳統(tǒng)保偏光纖具有很大的優(yōu)勢。長盈通光電的技術(shù)總監(jiān)廉正剛博士說:“光子晶體光纖在航天，激光器，傳感等領(lǐng)域中均體現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢，未來的市場會是巨大的。”。 現(xiàn)在，該公司正在對光子晶體光纖的熔接進(jìn)行實驗，有望推進(jìn)光子晶體光纖的實用化進(jìn)程。

　　5、結(jié)語

　　光纖的發(fā)展已超過了半個世紀(jì)。針對不同的應(yīng)用，光纖的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計都在發(fā)生著演變。光子晶體光纖的出現(xiàn)，使光纖生產(chǎn)商和應(yīng)用商耳目一新，它靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度同時也吸引了各大科研院所的濃厚興趣。雖然存在有巨大的潛在市場，但是目前我國具備光子晶體光纖研制和生產(chǎn)能力的公司屈指可數(shù)。武漢長盈通光電公司計劃進(jìn)一步豐富光子晶體光纖產(chǎn)品線，打破國外壟斷，開發(fā)全系列光子晶體光纖產(chǎn)品，為光傳遞信號和傳輸能量提供最佳的特種光纖及整體解決方案。