全內反射光子晶體光纖

TIR-PCF與常規光纖較為相似。尤其是當包層空氣比例很大時,其模型可看成是纖芯直接置於空氣環境中, 這與無包層的原始光纖非常類似。TIR-PCF具有常規光纖所不能比擬的特性。

基本介紹

• 中文名：全內反射光子晶體光纖
• 外文名：Total Internal Reflection Photonic CrystalFiber

1光子晶體

光子晶體在光纖領域的研究已多年,主要研究內容是具有高折射率的周期性微結構光纖,最典型的是在SiO2 材料環境中的周期性氣孔結構,通常被稱為光子晶體光纖( PCF)。　光子晶體光纖(PCF)又稱為多孔光纖(Hole fiber),它由純SiO2 和空氣孔構成, 其橫截面是沿軸向周期性均勻分布的圓空氣孔, 在芯區位置周期性被破壞形成缺陷, 光就可以沿缺陷傳播。PCF 可以分為兩類:全內反射光子晶體光纖(TIR-PCF) 和光子帶隙PCF 。通過對PCF 的結構進行設計可以獲得許多獨特的特性:無截止單模特性、模式雙折射以及高非線性特性等。PCF 獨特的色散特性可以套用於色散補償、脈衝壓縮、光孤子形成和受激拉曼散射增強等方面, 正成為研究熱點。高雙折射PCF 將套用於製作高性能的保偏光纖和光子器件的偏振保持等領域。

它可以分成2類: 第1種具有高折射率纖芯(如SiO2 ) ,二維光子晶體結構包層,一般與纖芯是同種材料,特性類似傳統光纖,纖芯折射率比包層的有效折射率高, 導波方式與全反射( TIR)原理類似而並不依賴光子禁帶效應( PBG) ,所以稱為全內反射光子晶體光纖( TIR-PCF) ; 第2種的包層結構表現出PBG效應,從而把光束縛在纖芯區域,稱為光子禁帶光子晶體光纖( PBG-PCF)。真正的PBG-PCF直到最近才被實驗證實,而TIR-PCF早已被製作出來並對其開展了廣泛的研究。

自然界中也不乏存在很多光子晶體結構，比如 SiO2沉澱而成的蛋白石(opal)、蝴蝶翅膀和蠕蟲的剛毛，蛋白石是由二氧化矽納米球堆積而成，其結構存在周期性而具有光子帶隙，由於帶隙位置不同，不同頻率的自然光被反射。藍蝶翅膀上如彩虹般的藍色光輝在半公里外就能看見，因為其角質層分立的層狀結構形成了光子帶隙，它斑斕的色彩是選擇性反射日光的結果。蠕蟲剛毛的橫截面是一種六角光子晶體結構，整個長度可看成是一個偽光子晶體光纖。該結構具有高度的空間周期性，含有部分光子帶隙，可橫向觀察到彩虹膜。

光子晶體根據周期結構的空間性劃分，可以分成 1D 光子晶體、2D 光子晶體和3D 光子晶體三種類型， 在一維光子晶體中，某一方向的折射率呈周期分布，一定頻率範圍內的光在這一方向被嚴格禁止，而在折射率均勻分布的其它兩個方向任意傳輸；在二維光子晶體中，頻率範圍內的光禁止在折射率呈周期分布的任意兩個方向傳播，而在另外一個方向上，其折射率均勻分布光可任意傳輸；三維光子晶體中，三個方向的折射率均呈現周期分布，一定頻率範圍內的光禁止傳播。在感測和通信領域廣泛套用的Bragg 光纖光柵就是一維光子晶體的典型例子。Thomas Krauss 在 1996 年拉製成功光學尺寸上第一個二維光子晶體光纖。1991 年首個人造三維光子晶體是由Yablonovitch 製作成功的，該光子晶體處於微波波段。

此後，眾多的專家和學者開展了大量的實用技術研究，不斷完善和提高理論分析與製造工藝，設計並製作出各種具有優良性能的新型光子晶體器件，如：高 Q 值1D 2D3D 微腔、通道復用/解復用器、線性波導、光開關、光放大器等，成為了近年來光學與光電子學研究的新熱點。

2 TIR-PCF

TIR-PCF與常規光纖較為相似。尤其是當包層空氣比例很大時,其模型可看成是纖芯直接置於空氣環境中, 這與無包層的原始光纖非常類似。但是,TIR-PCF具有常規光纖所不能比擬的特性。

材料和製造

TIR-PCF的製造材料是SiO2 ,無需摻雜。因為其不是通過摻雜量來調節包層和芯層的相對摺射率,而是藉助改變包層空氣比例使其有效折射率發生相應改變。TIR-PCF包層結構根據SiO2棒的堆放方式不同可以是三角形或蜂窩形,但製做工藝類似。

以三角形結構為例, T IR-PCF的製做過程一般可分為3步: 1) 在SiO2棒上鑽一定半徑的通孔,然後在棒的外表打磨出規則的六邊形從而構成六邊形基本單元(預製棒) ; 也有不打磨六邊而直接用來拉制的。2) 預掉棒在光纖拉制塔中在大約2 000℃條件下拉成細棒;然後按長度切成段,堆積成需要的晶體結構; 接著細棒堆再放入塔中拉制,此過程中細棒堆熔合在一起,同時棒間距不斷減小。3) 熔合後的棒堆被拉製得到最終的光纖。

單模特性

1996年英國的J. C. Knight 等人[ 1]報導了具有很寬單模波長範圍(至少458～ 4 550 nm)的T IRPCF,隨後又提出了“無窮單模光子晶體光纖”的概念,並通過有效折射率和有效歸一化頻率的概念對寬範圍單模特性作出了解釋。

3雙折射PCF

與普通保偏光纖相似,通過改變包層的結構參數可以製做具有高雙折射效應的PCF。最近理論上設計的一種PCF雙折射度可達10- 3。它仍然採用高折射率無孔纖芯,包層周期性多孔的結構,但為了引入雙折射,增大了中心附近的2個孔徑,並同時減小這2個孔的距離(從Λ1變為Λ2 )。考慮到包層結構參數的隨機性,光纖中不但有主動引入的雙折射,而且還有非主動引入的雙折射,後者將影響整個光纖的雙折射性能。結果發現, 1) 當結構尺寸Λ1 比真空中波長λ的2倍小時,主動引入的雙折射可達10以上; 2) 雖然主動引入的雙折射很大,但是包層參數的隨機性引入的雙折射也不小。實際所得到的雙折射PCF表現出很強的雙折射,基於偏振模差拍的頻譜測量所得到的拍長在1 540 nm處約為4 mm,即3. 85× 10- 3。

非線性套用

SiO2 材料的非線性效應很低,非線性光纖器件的典型長度在1 km的量級,這不適於實際套用。考慮到SiO2 材料和空氣的折射率差很大,如果增大包層孔徑或減小孔間距,就可以得到大的數值孔徑和相應的緊密束縛的模場。這樣可以利用PCF光纖技術來減小模場面積,即增大光纖的非線性,從而使PCF同時具備強非線性和快速回響的特性。常規光纖有效截面積在50～ 100μm2 量級,而PCF可做到1μm2 量級, 所以各種典型非線性光纖器件如克爾光閘, 非線性環形鏡( NO LM)等就可以做成比普通光纖的短100倍。同時PCF的色散特性使得短波非線性過程可以在低色散條件下進行,從而實而能實現短波孤子傳輸、白光超連續譜等非線性套用。

光纖的自相位調製( SPM)會產生新的頻譜分量,而頻移量與入射光的峰值功率成正比,所以頻移量反映了入射光的強度。當經SPM作用後的光脈衝信號通過與入射信號光中心頻率有一定頻移(與信號脈衝的非線性頻移相應)的帶通濾波器時,則只有峰值功率足夠大的脈衝所產生的SPM頻移分量才會落在濾波器頻帶範圍內,否則無法通過。PCF的高非線性係數使得單位功率的SPM頻移量增加,據此可用來製做2-R再生的光開關。

隨著光纖雷射器的高功率化，在傳輸過程中光纖所遇到的非線性效應和材料損傷問題在一定程度上限制了大功率光纖雷射器的發展。擴大光纖中的模場面積是一種能夠有效避免這些問題的直接手段。對傳統的光纖結構而言，要實現大模場，一定程度上需要獲得更粗的纖芯直徑。為了保證光束質量，輸出光需要保持單模或近似單模特性。由光纖光學理論可知，單包層光纖的模式數量與歸一化頻率V 正相關，僅當V<2．405時，光纖才可實現單模輸出，而V 正比於纖芯直徑a 和纖芯包層相對摺射率差（n2 core－nclad2）1/2，反比於導波波長λ，其中nclad為包層有效折射率，ncore為纖芯折射率。因此，增加芯徑a會使歸一化頻率V 增大，這為單模特性的保持帶來了困難。針對該問題主要有兩種解決方案：一是將尺寸較大的多模光纖單模化，即通過各種高階模抑制手段（如彎曲選模，光錐選模，增益控制，新型手型耦合光纖，模式轉換等）來降低高階模的影響；二是在保證光纖單模特性的同時，擴大其模場面積，即通過特殊設計光纖截面折射率分布來最佳化模場分布，基於該思路的代表性設計為光子晶體光纖（PCF）。PCF有較大的人工設計空間，通過控制其微結構參數即可對模場面積、色散特性、數值孔徑、偏振特性等進行針對性最佳化。而且，PCF在幾何上與普通光纖一樣具有軸向平移不變性，可通過堆疊拉絲和鑽孔法獲得，其製造工藝在近些年來又有一些新的發展。此外，PCF的構造材料相對單一，最簡單的空氣孔PCF可僅由矽玻璃一種材料構成，其機械特性、熱力學特性等更加良好，使其成為目前最佳化光纖模場分布研究方向的熱點。