光子晶體光纖

光子晶體光纖有很多奇特的性質。例如，可以在很寬的頻寬範圍內只支持一個模式傳輸；包層區氣孔的排列方式能夠極大地影響模式性質；排列不對稱的氣孔也可以產生很大的雙折射效應，這為我們設計高性能的偏振器件提供了可能。

基本介紹

• 中文名：光子晶體光纖
• 外文名：photonic crystal fiber（PCF）； Micro-Structured Fiber（MSF）

概述

光子晶體光纖(Photonic Crystal Fibers,PCF)又被稱為微結構光纖（Micro-Structured Fibers, MSF)，近年來引起廣泛關注，它的橫截面上有較複雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度，光波可以被限制在低折射率的光纖芯區傳播。

概念的提出

光子晶體的概念最早出現在1987年，當時有人提出，半導體的電子帶隙有著與光學類似的周期性介質結構。其中最有發展前途的領域是光子晶體在光纖技術中的套用。它涉及的主要議題是高折射率光纖的周期性微結構（它們通常由以二氧化矽為背景材料的空氣孔組成）。這種被談論著的光纖通常稱之為光子晶體光纖（PCFs），這種新型光波導可方便地分為兩個截然不同的群體。第一種光纖具有高折射率芯層（一般是固體矽），並被二維光子晶體包層所包圍的結構。這些光纖有類似於常規光纖的性質，其工作原理是由內部全反射（TIR）形成波導；相比於傳統的折射率傳導，光子晶體包層的有效折射率允許芯層有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，這些我們所謂的內部全反射光子晶體光纖（TIR-PCFs） ，實際上完全不依賴於光子帶隙（ PBG ）效應。與TIR-PCFs截然不同的另一種光纖，其光子晶體包層顯示的是光子帶隙效應，它利用這種效應把光束控制在芯層內。這些光纖（PBG-PCFs）表現出可觀的性能，其中最重要的是能力控制和引導光束在具有比包層折射率低的芯層內傳播。相比而言，內部全反射光子晶體光纖（TIR-PCFs）首先是被製造出來的，而真正的光子帶隙傳導光纖（PBG-PCFs）只是在近期才得到實驗證明。

光子晶體光纖的製作

設計和研發新型光纖的重點是拉制工藝的控制和使用材料的選取。傳統單模光纖要求纖芯和包層材料的折射率相似(一般來講折射率差在1%左右),而光子晶體光纖卻要求折射率差值很大,達到50%～100%。普通光纖中微小的折射率差常常用氣相沉積的技術得到所需的預製棒,而光子晶體光纖所需的大折射率差值通常利用堆管技術製作預製棒。

光子晶體光纖的典型拉制過程:首先是完成預製棒的設計和製作,預製棒里包含了設計好的結構;然後將預製棒放在光纖拉制塔中,利用普通光纖的拉制方法在更精密的溫度和速度控制下拉製成符合尺寸要求的光子晶體光纖。在拉制過程中,通過調整預製棒內部惰性氣體壓強和拉制的速度來保持光纖中空氣孔的大小比例,從而獲得一系列不同結構的光子晶體光纖。一些研究小組還報導一些特殊的預製棒製作方法,這些方法可以用來拉制特殊材料或特殊結構的光子晶體光纖。例如,由於軟玻璃材料並不像矽一樣易形成管狀,普通的堆管制作預製棒的方法不適用,利用直接擠壓形成預製棒的新技術則能製作這類材料的光子晶體光纖預製棒。通過堆疊、衝壓和鑽孔的方法可以很好地製作聚合物材料的光子晶體光纖預製棒。通過一種獨特的卷雪茄技術將聚合物與玻璃合成布拉格結構的光子晶體光纖。而P.Falkenstein等則是在構成預製棒的玻璃棒中插入可被酸腐蝕的玻璃材料,將它們按設計要求排列好並融化成型後,利用酸腐蝕掉不需要的部分形成空氣孔,這種方法形成的預製棒能拉制出結構更完美、更符合設計要求的光子晶體光纖。

光子晶體光纖分類

光子晶體光纖按照其導光機理可以分為兩大類：折射率導光型（IG-PCF)和帶隙引導型（PCF）。帶隙型光子晶體光纖能夠約束光在低折射率的纖芯傳播。第一根光子晶體光纖誕生於1996年，其為一個固體核心被正六邊形陣列的圓柱孔環繞。這種光纖很快被證明是基於內部全反射的折射率引導傳光。真正的帶隙引導光子晶體光纖誕生於1998年。帶隙型光子晶體光纖中，導光中心的折射率低於覆層折射率。空心光子晶體光纖（Hollow-core PCF,HC-PCF）是一種常見的帶隙型光子晶體光纖。光子晶體光纖主要通過堆疊的方式拉制而成，有些情況下會使用硬模（die）來輔助製造

折射率引導型光子晶體光纖又可以分成:無截止單模型、增強非線性效應型和增強數值孔徑型等。而光子帶隙型光子晶體光纖又可以分成:蛛網真空型和布拉格反射型等。

光纖的一個重要參數是光信號在光纖內傳輸時功率的損耗。在過去的30多年裡,由於技術的逐漸完善,普通光纖中的損耗一直在降低,目前已經趨於本徵損耗。熔融矽光纖中具有最低損耗的波長約在1550nm附近,在此波長上的損耗約為0.12dB/km。對於光子晶體光纖而言,實芯光子晶體光纖中損耗達到1dB/km以下,最低損耗已經達到0.28dB/km,與普通光纖相當。由於在傳輸機制上與普通光纖相同,實芯光子晶體光纖在損耗上不太可能有大幅度的降低。對光子帶隙型光子晶體光纖而言,最近報導的最低損耗為1.2dB/km。中空的結構使得這類型光子晶體光纖具有更低的本徵損耗極限[,因此報導中的數值遠遠未達到本徵損耗值。　

折射率引導型光子晶體光纖

這類光纖是由純石英纖芯和具有周期性空氣孔結構的包層組成。由於空氣孔的加入,包層與纖芯相比具有較小的有效折射率,即由於石英空氣包層的有效折射率小於纖芯的折射率,這種結構的光子晶體光纖以類似全內發射的機制導光,這一點與普通光纖相似。因此一個簡單的分析方法就是把這類光子晶體光纖等效為折射率階躍型光纖,得到包層的有效折射率後就可以用折射率階躍型光纖的方法加以分析和計算。通過調整預製棒的結構參數能得到所需結構與尺寸的光子晶體光纖,具有非常靈活設計自由度。不同的空氣孔結構和排布使得折射率引導型光子晶體光纖具有特定的模式傳輸特性。特別需要指出的是,研究還發現折射率引導型光子晶體光纖包層中空氣孔的周期排列不是必要的,隨機排列足夠多的空氣孔也能夠有效降低包層的折射率,實現改進的全內反射。因此,這種光纖已經不同於早期提出的空氣孔周期排列的光子晶體光纖,為了突出包層中排列有波長量級的空氣孔的這一特徵,折射率引導型光子晶體光纖更適合被稱為多孔光纖或微結構光纖。

光子帶隙型光子晶體光纖

相對於折射率引導型光子晶體光纖,光子帶隙型光子晶體光纖要求包層空氣孔結構具有嚴格的周期性。纖芯的引入使其周期性結構遭到破壞時,就形成了具有一定頻寬的缺陷態或局域態,而只有特定頻率的光波可以在這個缺陷區域中傳播,其他頻率的光波則不能傳播,即光子帶隙效應。在這種導光機制下可以將纖芯設計成中空結構。這種結構的光子晶體光纖所具有的極低的非線性效應和傳輸損耗使其在傳輸高能雷射脈衝和遠距離信息傳遞方面具有很大的潛在優勢。

20世紀60年代,在現代矽光纖技術發展起來以前,毛細管曾經被研究作為通信光波導的代替品。現在常見的中空光纖則是將極細的毛細管內表面上鍍反射膜來增強反射率,通過內部反射來導光。這項技術被廣泛套用於紅外波段,畢竟製作較大的空氣孔相對簡單,並且鍍膜較易實施。但是因為鍍膜是在光纖拉制後,因此這種光纖長度相對較短,並且傳輸的模式質量差。而對於光子帶隙型光子晶體光纖來講,光纖拉制過程將預製棒橫向上的空氣孔尺度減小到光波長量級,並不需要更多的工藝。這項技術已經生產出了很長的中空光子晶體光纖並且可以通過改變包層結構調整導波模的特性。

光子帶隙型光子晶體光纖有著更大的發展空間。可能比普通光纖有更低的傳輸損耗,使得它們有可能成為未來通信傳輸系統的生力軍;比普通光纖有更高的損傷閾值,使得它們適合以雷射加工和焊接為目的的強雷射傳輸;中空的結構提供了更多在氣體中的非線性光學實驗方案,例如可以構成具有無衍射和損耗極限的單氣體微腔。文獻中報導了充氫氣的光子帶隙型光子晶體光纖可以作為受激拉曼散射實驗的微腔,這種光纖中受激拉曼散射的閾值比先前的實驗低了兩個數量級。在類似的思想引導下,光子帶隙型光子晶體光纖可以用作氣體檢測或控制,或者用作氣體雷射器的增益微腔。

折射率導光型光子晶體光纖特性及套用

折射率引導型光子晶體光纖具有無截止單模特性 、大模場尺寸 /小模場尺寸和 色散可調特性（調節d,Λ等，無須摻雜)等特性。被廣泛套用於色散控制 (色散平坦，零色散位移可以到800nm)，非線性光學 （高非線性，超連續譜產生），多芯光纖 ，有源光纖器件（雙包層PCF有效束縛泵浦光）和光纖感測等領域。

帶隙型光子晶體光纖特性及套用

空隙帶隙型光子晶體光纖具有易耦合，無菲涅爾反射，低彎曲損耗、低非線性和特殊波導色散等特點被廣泛套用於高功率導光，光纖感測和氣體光纖等方面。光子晶體光纖的發展為光纖感測開拓了廣闊的空間，尤其是在生物感測和氣體感測方面為光纖感測技術帶來新的發展。

發展與套用前景

光子晶體光纖克服了傳統光纖光學的限制,為許多新的科學研究帶來了新的可能和機遇。儘管現在只有一小部分研究小組能夠製造這種光子晶體光纖,但是極快的發展速度和非常有效的國際間科學合作使得光子晶體光纖在許多不同領域中的套用獲得快速發展。最典型的例子就是英國Bath大學研究者們參與的一個合作,他們製作的光子晶體光纖成功地用於德國普朗克量子光子學研究所T.Hansch教授領導的研究小組所研究的高精密光學測量中。值得一提的是,從發現光子晶體光纖能夠產生超連續光譜這一特性到將其套用到光計量學中的時間間隔僅有幾個月,而T.Hansch教授則因在超精密光譜學測量方面成就斐然,尤其為完善“光梳”技術作出了重要貢獻而獲得了2005年度的諾貝爾物理學獎。光子晶體光纖正在以極快的速度影響著現代科學的多個領域。利用光子帶隙結構來解決光子晶體物理學中的一些基本問題,如局域場的加強、控制原子和分子的傳輸、增強非線性光學效應、研究電子和微腔、光子晶體中的輻射模式耦合的電動力學過程等。同時,實驗和理論研究結果都表明,光子晶體光纖可以解決許多非線性光學方面的問題,產生寬頻輻射、超短光脈衝,提高非線性光學頻率轉換的效率,用於光交換等。不難想像,不久的將來我們還會發現光子晶體光纖更多的性質,更多的套用領域。