普通的周期性光子晶體同時具有旋轉對稱性和平移對稱性兩個特性，而準光子晶體的平移對稱性並沒有體現出來。在旋轉對稱度方面，普通光子晶體最高為 6，而準晶光子晶體，其旋轉對稱度大於普通的光子晶體，其帶隙對於不同的方向不敏感，傳輸光在光子帶隙傳輸不依賴於入射光的方向。準光子晶體結構介於周期性晶體和非周期晶體結構之間，將準光子晶體的概念引入光子晶體光纖的結構中，就構成了所謂的準光子晶體光纖。
基本介紹
- 中文名：準光子晶體光纖
- 外文名：PhotonicQuasi-crystal fiber, PQF
1光子晶體光纖概況,光子晶體光纖的分類,2準光子晶體光纖,準光子晶體光纖的特性,3多芯光子晶體光纖,
1光子晶體光纖概況
光子晶體光纖的分類
光子晶體的定義是 1987 年由 E. Yablonovitch和 S. John分別給出的，此新材料是通過光子禁帶進行導光的，類似於傳統概念上的晶體，光子晶體是一種介質材料折射率呈周期性分布的人工材料，它是一種由不同介電常數的材料所構成的。光子帶隙是光子晶體的最根本特徵，當電磁波在光子晶體中傳導時，根據透射、反射和折射原理，受到了布拉格散射的作用，因此形成了能帶結構，光子能帶間可能存在完全禁止某些頻率電磁波的頻率區域，這些頻率區域為光子帶隙(photonic band gap, PBG)，頻率位於帶隙中的光不能在光子晶體中傳播。因此當在光子晶體中引入缺陷使其周期性結構遭到破壞時，在該區域就會形成一定寬度的缺陷能級，滿足這一特定頻寬的光就可以在這個缺陷區內傳播，光子晶體光纖就是利用這個原理通過設計不同的結構來控制光在其中的傳播。
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。
當光子晶體存在缺陷時，若出現的是點缺陷，則在該點位置形成光子局域化，因自發輻射的光子不能輻射出來，同時該點散射外界光(即背向散射相干的光在局域化)；若光子晶體存線上缺陷，並且進入該缺陷的光，其頻率在光子晶體的帶隙範圍內，則該頻率光在缺陷內進行傳輸，不能進入光子晶體內部，這就形成了光子晶體光纖(photonic crystal fiber, PCF)。光子晶體光纖是一種二維光子晶體，包層中分布著的空氣孔是沿徑向均勻排列構成的，因其空氣孔是周期性納米量級結構，所以光子晶體光纖是一種介電常數隨周期空間結構進行變化的光學微結構材料，又稱為多孔光纖(Holey Fiber, HF)或者微結構光纖(Microstructure Fiber, MF)。相對於傳統意義上的光纖，由於光子晶體光纖的包層結構可以任意改變空氣孔大小和間距，在導光機制、結構參數和製備上具有比傳統光纖更多的靈活性，其設計自由度極大。因此可根據不同的套用需求，設計和製備出各種新結構的光子晶體光纖。
光子晶體光纖是一種單一材料，主要是由純石英和聚合物作為基底，橫截面分布著有序排列的空氣孔，空氣孔是沿光纖長度方向延伸，在纖芯處因缺失空氣孔或引入與包層結構不同的缺陷，從而在某一波長範圍內的傳輸光波是限制在纖芯內傳播的。光子晶體光纖根據結構特點的不同，可以分為實心光子晶體光纖和空心光子晶體光纖。光在纖芯中傳導是通過全內反射和光子帶隙效應，根據纖芯結構及其光波在光纖結構中的傳導原理不同，分類為全內反射型光子晶體光纖(TIR-PCF)，帶隙型光子晶體光纖(PBG-PCF)。
全內反射型光子晶體光纖也稱為折射率引導型光子晶體光纖，其傳光原理同普通的階躍型光纖類似，因為結構中空氣孔的排布，降低了包層的有效折射率，纖芯的折射率相對高於周期性包層折射率，滿足光學上的全反射條件，因此光在高折射率的纖芯內進行傳輸。其中心缺失一個空氣孔構成纖芯，包層中的空氣孔是由三角形晶格組成的六邊形結構，此類光纖對包層的空氣孔排布要求並不嚴格，不需要嚴格遵守其排列的周期性，其空氣孔的排列和大小有很大的控制餘地，可以根據需要靈活設計不同特性的光子晶體光纖，顯示出了很多傳統光纖無法實現的優異性能，如靈活色散等特性。
光子帶隙光纖，本質上是一種具有空間結構的二維光子晶體。光纖的包層結構中空氣孔的分布必須是規則有周期性的，纖芯的存在破壞了其結構的周期性，利用光子帶隙作用進行光傳輸，纖芯的折射率小於空氣孔包層的有效折射率，包層中出現的光子帶隙效應限制傳輸光束的頻率，因此帶隙型光子晶體光纖對傳輸光具有很強的波長依賴性，不受本徵吸收和瑞利散射的影響。若光纖結構中的傳輸光的頻率位於光子帶隙的頻率波段內，則光就會被約束在纖芯中。包層結構相似，同樣是是由三角形晶格組成的六邊形結構，但在結構中心存在空氣導孔，導致形成光子帶隙特性。此光子晶體光纖能夠減小非線性，同時實現超低損耗。
兩種光纖的不同之處就是纖芯折射率和包層空氣孔的折射率的不同，全內反射型光子晶體光纖的傳輸光可以在整個頻譜範圍內，而帶隙型的光子晶體光纖只有傳輸光的頻率位於光子帶隙的頻率波段內，光才會被約束在纖芯中。
2準光子晶體光纖
類似於普通的光子晶體，光子準晶排列有序，但其結構並沒有周期性。光子準晶其實是一種結構相對複雜的特殊的光子晶體。1984 年隨著論文“具有長程取向序而無平移對稱序的金屬相”發表，在 Al-Mn 淬冷合金的電子衍射圖中 5 重旋轉對稱軸的發現，為準晶研究揭開了神秘的序幕。該合金相是具有 5 重旋轉對稱軸在內的二十面體點群對稱的，稱之為二十面體相。這種長程有序的對稱性結構具有許多隨後相繼出現了不同形式如 8 重、10 重和 12 重旋轉對稱的準晶結構。
光子準晶(Photonic Quasicrystal, PQC) 是提出的一個全新概念，其結構是按準晶格子排列的，使得空間的介電常數隨準晶格結構進行變化，本質上仍屬於光子晶體領域。普通的周期性光子晶體同時具有旋轉對稱性和平移對稱性兩個特性，而準光子晶體的平移對稱性並沒有體現出來。在旋轉對稱度方面，普通光子晶體最高為 6，而準晶光子晶體，其旋轉對稱度大於普通的光子晶體，其帶隙對於不同的方向不敏感，傳輸光在光子帶隙傳輸不依賴於入射光的方向。準光子晶體結構介於周期性晶體和非周期晶體結構之間，將準光子晶體的概念引入光子晶體光纖的結構中，就構成了所謂的準光子晶體光纖(Photonic Quasi-crystal fiber, PQF)。這種新型的光纖，類似於普通的光子晶體光纖，其設計自由度更靈活了。由於其長程有序的準晶結構，導致在其的缺陷模式各種各樣，為進一步對準光子晶體光纖的特性研究提供了新的思路。
研究發現了多樣的準晶格子，具有二維八重、十重、十二重光子準晶以及三維光子準晶等的光子準晶結構成為了研究熱點。我們的工作主要立足於理論研究簡單的二維 6 重準光子晶體光纖的新的套用特性。本文所設計的準光子晶體光纖結構就是膨脹核心單元的基礎上發展起來的。其包層是由呈準六重對稱性周期結構的空氣孔構成。
準晶結構由邊長相等的正方形晶格和三角晶格兩個最基本的單元排列而成的，從中心點開始向包層外擴，最初的晶格核心單元是由 19 個格點組成。它們的坐標分別為(0,0)， [( ± 3/2, ± 1/2), (0, ± 1)]，[( ± (1 +3/2), ± 1/2), ( ± 1/2, ± (1 +3/2)), ( ± (1 /2+3/2), ± (1 /2+3/2))]。核心單元最外層是由 12 個格點組成的，在核心單元的基礎上進行擴展就形成了六重對稱結構的準光子晶體光纖。
準光子晶體光纖的特性
一直以來，人們對準光子晶體光纖(Photonic Quasi-crystal fiber, PQF)的研究相對較少。S. Kim 等人提出的六重對稱準光子晶體光纖結構，分析得到這種光纖可得到較高的單模截止頻率，較寬的近零超平坦色散波長範圍，色散值相對很小。該光纖中採用同一尺寸大小的空氣孔，空氣填充率相對低的情況下，在1490nm~1680nm 波段內獲得 0 ± 0.05ps/(km-nm)的近零超平坦色散。2009 年，S. Kim等人設計出了雙芯結構，得到了極低的負色散；同年，國內學者王艷梅等提出了一種複雜的八重結構的準光子晶體光纖，基於頻域有限差分方法進行數值模擬分析，得到不同水平的色散平坦曲線。準光子晶體光纖具有同普通的光子晶體光纖顯著地良好超平坦和負色散特性，準光子晶體光纖結構展現了不尋常的特性和現象，因而引起我們的廣泛關注。本文開展的研究工作是不同於光子晶體光纖的一般特性。
3多芯光子晶體光纖
在高功率光纖放大器和雷射傳輸方面是目前雷射領域研究的熱點，但是因為非線性效應、光學損傷等的限制，使得輸出功率的提升受到局限。大模場面積的光纖能夠很好地抑制這兩種效應，從而提高了雷射的傳輸功率。多芯光子晶體光纖由於纖芯的增多，其模場面積也增大，在高功率光纖雷射器的套用方面能夠提高閾值以及運轉速率，降低非線性效應。單芯光纖的輸出功率有限，因此通過光纖的結構改變，採用多芯光子晶體光纖來獲得高功率是必然的趨勢。 多芯光子晶體光纖具有高信道通信容量和避免單芯光纖中矢量彎曲感測、光纖耦合等問題。多芯光纖的輸出模式是由各個纖芯中模式的疊加得到的超模形式，在研究和套用中的首要問題是多芯光纖的超模模場和傳輸特性。研究結果表明，多芯光纖的出射光是含有對應芯個數的超模的混合模式。分析計算多芯光纖的超模採用耦合模理論，耦合模理論用來分析多芯光纖結構，具有可行性和準確性。通過分析纖芯之間的耦合過程，可以獲得較為直觀的研究成果。 由於光纖中纖芯之間的相互耦合作用，使得光子晶體光纖中傳輸多個超模。多芯光子晶體光纖的種類很多，根據纖芯的排列方式不同，可以劃分為平行陣列和環形排列結構。在多芯光子晶體光纖中，因為各個纖芯的光場並不是均勻分布的，致使各芯的泵浦功率吸收不均勻，增加了額外超模的模式競爭，因此獲取高功率的雷射輸出的關鍵因素是各芯的等振幅輸出。
