大模場光子晶體光纖

1998年英國Bath大學的Knight等首次提出光子晶體光纖是一種製造單模大模場光纖的新方法，並成功製備出模場直徑為22μm、模場面積為380μm2 的大模場光子晶體光纖。

基本介紹

• 中文名：大模場光子晶體光纖
• 外文名：large-mode-field photonic crystal fiber

1　背景

光纖雷射器具有結構簡單、散熱效果好、轉換效率高、光束質量高以及維護方便等優點，成為國內外雷射研究領域的最大熱點之一。近年來隨著包層抽運、抽運耦合和光束整形等技術的發展，光纖雷射器的輸出功率迅速提高。2004年，Jeong等採用摻鐿雙包層光纖首次實現了單根光纖千瓦量級的雷射輸出。到2010年，已實現了單根光纖10kW 近衍射極限的雷射輸出。光纖雷射器功率的提升使得它的套用從光纖通信、光纖感測、光譜學分析等方面進一步擴展到如工業加工、雷射醫療和空間通信等領域。

儘管光纖雷射器的輸出功率提高很快，但是受光纖的非線性效應、光損傷及熱損傷等物理機制的限制，欲更大幅度地提高單個雷射器的功率已經相當困難。然而，光纖的非線性效應與光纖的模場面積成反比，模場面積越大非線性效應越弱，非線性閾值越高。因此，大模場光纖是解決光纖雷射器功率提升面臨的非線性效應及光纖損傷的一種最直接有效的途徑。然而，為保證輸出雷射的光束質量，在要求大模場面積（LMA）的同時，必須使光纖能夠單模運轉。而傳統的單模光纖的纖芯直徑很小，難以實現大模場面積；增大纖芯直徑則不可避免地會造成多橫模競爭，影響輸出光束質量。光子晶體光纖（PCF）是實現大模場最有前途的一種光纖結構。相比於傳統的光纖，光子晶體光纖具有許多奇特的光學性質，如無截止單模、低限制損耗、色散可調、高雙折射、大模場面積和大數值孔徑等，可以克服傳統光纖雷射器的諸多難題。首先，光子晶體光纖可實現單模大模場面積，在保證雷射傳輸質量的同時，顯著降低光纖中的雷射功率密度，減小光纖中的非線性效應，提高光纖材料的損傷閾值；其次，光子晶體光纖可以實現較大的內包層數值孔徑，從而提高抽運光的耦合效率，可採用長度相對較短的光纖實現高功率輸出。

大模場光子晶體光纖的諸多優良特性，使它成為光纖雷射器中一個新的研究熱點，在高功率光纖雷射器的研究和套用中發揮越來越重要的作用。本文回顧了大模場光子晶體光纖的研究歷程，從大模場光子晶體光纖特徵參數、設計方法和套用熱點等方面概括了大模場光子晶體光纖的研究現狀，最後對其發展進行了展望。

2大模場光子晶體光纖研究歷程

1998年英國Bath大學的Knight等首次提出光子晶體光纖是一種製造單模大模場光纖的新方法，並成功製備出模場直徑為22μm、模場面積為380μm 的大模場光子晶體光纖。然而，由於大模場光子晶體光纖結構設計和預製棒製備工藝的複雜性，在隨後的幾年裡其研究進展緩慢。直到德國Jena大學的Limpert等通過實心棒取代空氣孔微結構包層內環若干數量空氣孔的方法，增大纖芯直徑，獲得了模場面積超過1000μm2 的單模光子晶體光纖。2005年以後，大模場光子晶體光纖的設計和製備方法開始多樣化，出現了各種形狀的大模場光纖結構，包括泄漏通道光子晶體光纖、棒狀光子晶體光纖、多芯光子晶體光纖等。光纖的模場面積也相應地得到極大提高。2007年美國IMRA 的Dong等利用泄漏通道結構獲得了模場面積達3160μm2 的光子晶體光纖，隨後又用該方法將光纖的模場面積提高到14000μm2。2009年研究者又設計出一種獲得大模場光子晶體光纖的新方法應力誘導低折射率差法。美國IMRA的Fu等利用光纖拉絲冷卻後形成的壓力場誘導纖芯和低折射率溝道形成微小的折射率差[Δn≈6（±1）×10－5]，分別實現了模場面積為17400μm2（對應波長1．03μm）和模場面積為31600μm2（對應波長1．55μm）的單模低損耗光子晶體光纖。研究者在大模場光纖設計和製備方面進行了大量的研究工作，還報導了抗彎曲光子晶體光纖，以及其他大模場光子晶體光纖的設計方法。

自2001年英國Bath大學Wadsworth等採用摻Yb3+ 大模場光子晶體光纖實現雷射輸出以來，稀土離子摻雜的大模場光子晶體光纖開始廣泛套用於光纖雷射器，雷射輸出功率也從最初的315mW 提高到2．5kW 以上。有研究者預測大模場光子晶體光纖雷射器單根光纖雷射輸出可達36kW，因此大模場光子晶體光纖雷射器的雷射輸出功率還有很大的提升空間。與此同時，大模場光子晶體光纖在脈衝雷射器、光纖放大器領域的套用也處於快速發展中，並取得重大進展，目前脈衝寬度已達到亞飛秒級，峰值功率不斷提高。2003年以後，有關大模場光子晶體光纖色散特性、偏振特性、損耗等特性以及它在光纖通信系統中高速信號傳輸、超連續譜產生和高靈敏度感測器等方面的探索性套用研究相繼報導。

國內在大模場光子晶體光纖方面的研究起步雖晚，其商業化進程也相對緩慢，然而近年來燕山大學、天津大學、南開大學、武漢郵電科學研究院、中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱中科院上海光機所）、華中科技大學和烽火通信等研究機構和廠商在大模場光子晶體光纖的設計與製備、高功率光纖雷射器、放大器等方面取得了豐富的研究成果，部分工作已達國際先進水平。國內的大模場光子晶體光纖雷射器的輸出功率已從幾瓦提升到近千瓦量級。在脈衝雷射放大器方面，脈衝寬度也已達亞百飛秒量級，2008年天津大學劉博文等將光纖雷射器的輸出經光柵對壓縮後，得到85fs超短脈衝。在大模場光子晶體光纖設計和製備方面，2010年燕山大學郭艷艷等採用多極法設計了一種新型的全固態八邊形大模場低損耗摻鐿石英光子晶體光纖，且可實現單模傳輸，在1．064μm處模場面積可達2000μm2。同年，燕山大學耿鵬程等採用多極法和有限差分光束傳播法設計了一種大模場摻鐿的七芯光子晶體光纖，其模場面積高達3703μm2。2010年中科院上海光機所的周秦嶺等採用全矢量有限差分法設計了一種大模場面積平頂模場光子晶體光纖，模場面積超過2000μm2，與相同模場面積的其他類型光子晶體光纖相比，其損傷閾值和非線性閾值明顯提高，有利於提高大模場光纖雷射器及放大器的輸出功率。中科院上海光機所和烽火通信有限在大模場光子晶體光纖的製備方面做出了巨大貢獻，2006年烽火通信製備了模場面積為167μm2的摻鐿寬頻單模大模場光子晶體光纖，2009年該又製備了1465．7μm2 的大模場光子晶體光纖。2012年中科院上海光機所的馮素雅等製備了纖芯直徑為260μm的準單模大模場光子晶體光纖，這是目前國內報導的最大纖芯的光子晶體光纖。

此外，雖然已報導的大模場光子晶體光纖的基質材料大都集中於石英材料，而基於一些新玻璃基質（如碲酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃和硫系玻璃）的大模場光子晶體光纖近年來也開始相繼報導。

3光子晶體光纖的特徵參數

在光子晶體光纖的套用中，光纖的傳輸模式、損耗、色散和模場面積等是決定其性能的重要參數。光子晶體光纖的許多套用要求其單模傳輸，單模傳輸特性可保證光子晶體光纖輸出光束的質量，這對信號傳輸系統、光纖放大器、雷射器尤其是超快脈衝雷射器的套用極為重要。光纖的損耗決定了光信號的傳輸距離，在實際系統中損耗過大，則不可避免地需要增加信號放大器，既增加了系統的複雜度又提高了運營成本。色散是衡量光纖性能的另一個重要參數，對於信號傳輸、超連續譜發生、諧波的產生和孤子傳輸等有重要影響。非線性效應是高功率光纖系統進一步發展的最大障礙，為了突破非線性效應的限制，各國研究者付出了艱辛的努力。在研究大模場光子晶體光纖的特性及套用時，必須綜合考慮上述各影響參數。與傳統光纖類似，為了光子晶體光纖設計和性能表征的方便，研究者引入歸一化頻率V、模場面積Aeff、限制損耗Lc和色散D 等特徵參數。

大模場光子晶體光纖結構設計方法

目前大模場光子晶體光纖結構設計方法主要包括：大芯徑光子晶體光纖、棒狀光子晶體光纖、泄漏通道光子晶體光纖和壓力誘導光子晶體光纖等。

大芯徑光子晶體光纖

大芯徑法是實現大模場面積最簡單有效的方法。它主要通過使用實心棒取代光子晶體光纖內環若干個空氣孔以形成纖芯區來增大纖芯直徑。目前取代1孔、3孔、7孔、19孔的光子晶體光纖均有報導。研究表明若保持光纖結構及參數相同，相比於取代1孔的光子晶體光纖，取代3內環空氣孔的光子晶體光纖的模場面積可增加30%，取代7空氣孔的光子晶體光纖模場直徑可達到35μm，甚至45μm。此外，光子晶體光纖的無截止單模特性與光纖結構的絕對尺寸無關，當改變結構尺寸時，光子晶體光纖仍可保持單模傳輸，這就提供了一條實現大模場面積光纖的途徑，即可通過擴大光子晶體光纖的尺寸以增大纖芯直徑。

棒狀光子晶體光纖

棒狀光子晶體光纖是Limpert等為進一步提高光子晶體光纖雷射器輸出功率，並免受高功率導致的受激拉曼散射、自相位調製等非線性效應限制而提出的一種新型大模場光子晶體光纖。這種棒狀光纖由毫米量級的大尺寸棒狀外包層、空氣孔微結構內包層和大直徑實心纖芯構成。光纖中存在兩個重要的波導結構：一個用來傳輸抽運光，另一個可用來傳輸雷射，具有棒狀和光纖增益介質的雙重優點。2005年Limpert等報導了Yb3+ 摻雜外包層直徑為1．7mm、內包層直徑為117μm、模場直徑為35μm、長度為48cm的單模大內包層數值孔徑的棒狀光子晶體光纖，並且採用976nm的雷射抽運，得到了近衍射極限輸出功率為120W 的連續雷射輸出。隨後，他們又製備出模場直徑分別為60μm和100μm的有源、無源單模光子晶體光纖，泄漏通道光子晶體光纖。

為了打破傳統光子晶體光纖中嚴格單模、低損耗、抗彎曲要求對模場直徑的限制，2005年，美國提出了一種新型抗彎曲嚴格單模大模場光子晶體光纖的設計方法：泄通通道型光子晶體光纖。這種光子晶體光纖由一環或幾環大直徑空氣孔和大直徑纖芯構成，同時合理地選擇空氣孔的幾何分布並採用大孔間距Λ。研究表明大纖芯直徑可提高模場面積，大直徑空氣孔使得纖心和空氣孔形成很大折射率差，光纖對基模具有很強的限制作用，大孔間距Λ 使得高階模能夠從大孔間通道泄漏出去。泄漏通道光子晶體光纖中基模的損耗很小（小於0．1dB/m），高階模的損耗很大（大於1dB/m），因此可嚴格單模或近單模工作。這種光纖的出現對高功率光纖雷射器和光纖放大器等光器件的發展形成了極大的推動作用。

2005年Wong等製備出模場面積為1417μm2 單模低損耗泄漏通道光子晶體光纖，研究表明，當纖芯直徑增大到100μm時，這種光纖仍能單模工作。2007年製備出模場面積為3160μm2 的摻Yb3+ 低損耗單模泄漏通道光纖和模場面積為1400μm2 的偏振保持泄漏通道光纖，實驗驗證了該光纖優異的抗彎曲特性。

應力誘導型光子晶體光纖

根據單模傳輸條件，當纖芯直徑Dcore很大時，要保持光纖嚴格單模傳輸就必須降低光纖的數值孔徑NA。由於傳統光纖氣相沉積過程中摻雜控制精度的限制，傳統單模光纖的數值孔徑通常為NA>0．06，進一步降低數值孔徑難度非常大，所以傳統單模光纖的模場面積有限。為解決NA 值難於進一步降低的問題，Fu等提出了應力誘導型光子晶體光纖。與傳統空氣孔微結構光子晶體光纖不同，應力誘導型光子晶體光纖是由兩種熱膨脹係數不同（但相差不大）的玻璃材質組成，以高折射率石英玻璃為背景，低折射率石英玻璃棒按照一定的規律分布在高折射率棒中，形成與空氣孔微結構類似的等效低折射率玻璃棒微結構包層。

在光纖的拉制過程中，由於擴散、氣氛影響及其他表面效應，低折射率玻璃棒的表面比內部有更高的膨脹係數，當光纖緩慢冷卻時在石英棒的周圍產生了低折射率的溝道，溝道與纖心區的折射率差為10－5量級，因此應力誘導型光子晶體光纖可實現大直徑纖芯，並同時保持嚴格單模運轉。2009年Fu等首次製造出包層尺寸為1．2mm、纖芯直徑為252μm、模場面積分別為17400μm（對應波長為1．03μm）和31600μm（對應波長為1．5μm）的應力誘導型光子晶體光纖力誘導型PCF橫截面上灰色點代表氟摻雜的石英玻璃棒，按三角格子排列在純石英玻璃中，灰色的六邊形為低折射率的溝道，溝道和纖芯的折射率差為6（±1）×10。

綜上所述，以上各種方法各有優缺點：大芯徑法是實現大模場光子晶體光纖最直接有效的方法，是其他方法的基礎；棒狀光子晶體光纖的纖芯直徑和外徑均較大，既可提高光纖的散熱性能又可增加光纖的機械性能，可以免去有機聚合物塗覆層，提高了光纖的熱損傷閾值；泄漏型光子晶體光纖的尺寸通常與棒狀光子晶體光纖相當，但是其結構簡單，更易於製備，可採用擠壓、鑽孔等方法獲得；相比於以上幾種方法，應力誘導型光子晶體光纖的纖芯與低折射率溝道折射率差極小，可更大程度地增大纖芯直徑，同時保持單模運轉，然而其折射率精度控制要求極高，製備比較困難。