高非線性光子晶體光纖

高非線性光子晶體光纖一般有兩種：一種是纖芯較小，孔洞較大的網狀多模光纖，另一種纖芯稍微大些，孔洞較小，工作在零色散波長處的單模光纖。

基本介紹

• 中文名：高非線性光子晶體光纖
• 外文名：high nonlinearity photonic crystal fiber

1 光子晶體光纖概述

光子晶體的概念最初由 E.Yablonovitch 和 S. John 於 1987 年在分別研究如何抑制自發輻射及光子局域時同時提出，它是一種折射率隨空間周期性變化（變化周期一般在光波長量級上）的新型光學微結構材料。經過人們不懈的理論研究和實踐創新，到目前為止，光子晶體技術已成功套用於光傳輸，集成光學以及光信號處理等眾多領域，並從根本上改變了人們對光子器件的認識，有力地促進了光子器件的微型化和集成化，使“全光子化”的信息處理成為可能。正因為如此，1999 年 12 月 17 日光子晶體被《Science》雜誌評為全球十大進展之一。

光子晶體最大的特徵是光子帶隙效應：與半導體材料中周期性排列的原子結構相似,光子晶體由介電常數周期性變化的兩種不同介質材料構成, 介電常數的周期性排列產生了一定的“勢場”，當兩種材料的介電常數相差足夠大時，在介質界面上會出現布拉格散射，光波在其中傳播時將會受到調製而形成能帶結構，這種能帶結構就叫做光子能帶（Photonic Band）。光子能帶之間可能出現的帶隙即為光子帶隙（Photonic Bandgap，PBG），能量落在帶隙中的光將被禁止在光子晶體中傳播，因為光子帶隙中的態密度為零。兩種介質材料的介電常數比(或折射率比)越大，布拉格散射越強烈，就越有可能出現光子帶隙。光子晶體的另一個重要特徵是光子局域：如果在光子晶體周期性結構中引入某種缺陷，和缺陷態頻率吻合的光子可能被局域在缺陷位置或只能沿缺陷位置傳播。光子晶體引入點缺陷形成微腔、引入線缺陷形成光波導、引入面缺陷則形成一個完全鏡面。

光子晶體光纖就是在二維光子晶體纖維的長度方向上製造線缺陷，從而能夠導光的波導。與普通的光纖不同，在光子晶體光纖中石英玻璃（或其它材料）纖芯或（和）包層中沿軸向規則排列著許多周期性微氣孔，這些氣孔陣列（類似於晶體中的晶格）構成“晶格常數”為光波波長量級（約幾百納米）的二維光子晶體結構（圓形氣孔的半徑一般小於晶格常數），晶格的排列形狀主要有三角形、六邊形、正方形、長方形、蜂窩形以及其它規則形狀等，其中以三角形和六邊形最為常見。廣義的光子晶體光纖還包括一維光子晶體光纖，即在圓形光纖纖芯的外緣交替地分布折射率高低不同的多層介質環，外環高低折射率介質的厚度遠小於光纖纖芯，又有環形光纖及環形布拉格光纖之稱。

光子晶體光纖根據導光機理可以分為兩大類：

第一大類是全內反射型光子晶體光纖(Total Internal Reflection PCF, TIR-PCF)，也稱為高折射率纖芯光子晶體光纖(High-index Core PCF)或折射率導光型光子晶體光纖(Index-guiding PCF)。其導光機理定性地理解為：造成周期性缺陷的纖芯折射率（一般是石英玻璃）與周期性微結構包層的折射率（含氣孔的單元）之間存在一定差異，從而形成類似於常規光纖的芯/包折射率分布結構而使光能夠在纖芯中傳播，因此這種結構的光子晶體光纖導光機理依然是全內反射，但與常規光纖有所不同，由於包層中包含有空氣孔，所以這種機理稱為改進的全內反射。

結合具體的結構實現形式和光學特性，這一大類光子晶體光纖又可以分為四個子類：高數值孔徑光子晶體光纖(High Numerical Aperture PCF,HNA-PCF)、大模場光子晶體光纖(Large Mode Area PCF, LMA-PCF)、高非線性光子晶體光纖(Highly Nonlinear PCF, HNL-PCF) 和氣孔改性光導纖維(Hole Assisted Lightguide Fiber,HALF)。 第二大類是光子帶隙型光子晶體光纖(Photonic Bandgap PCF, PBG-PCF)，也可以稱為帶隙波導型光子晶體光纖(Bandgap Guiding PCF, BG-PCF)。其導光機理定性地理解為：包層中的小孔點陣結構形成具有二維光子晶體結構，它對一定波長的光形成光子能量禁帶，限制了該波長的光傳輸，而纖芯的特定結構對於包層而言是顯著的結構缺陷，使包層形成的光子能量禁帶發生分裂形成類似於電子能帶理論的能隙，容許該波長的光子在纖芯中沿軸向方向傳輸，而平行小孔點陣的方向很難傳輸。雖然在這類光子晶體光纖中不能發生全內反射，但包層的小點陣結構就像一面鏡子，這樣光就在許許多多的小孔和石英玻璃界面多次發生反射，光被限制在纖芯之內傳輸。

這類光子晶體光纖也可以分為三個子類：空心帶隙光子晶體光纖(Air Guiding PCF, AG PCF 或 Hollow Core PCF, HC PCF)、低折射芯區光子晶體光纖(Low Index Core PCF, LIC PCF)和實心蜂窩光子晶體光纖(Solid Core Honeycomb PCF)。 光子晶體光纖橫截面上空氣孔的引入使得光子晶體光纖具有許多“奇異”的光學傳輸性質。這些特性包括：無盡單模特性、靈活的色散特性、高雙折射、增強的非線性特性、大數值孔徑、大模場面積、PBG 光子晶體光纖的空心傳輸等等。其潛在的套用包括超寬色散補償、短波長光孤子傳輸發生、光纖感測、極短拍長的偏振保持光纖、光子晶體天線、光學積體電路、超短脈衝雷射器放大器和光開關;當摻進非線性介質時, 還可望用於光開關、光限幅、光雙穩和光倍頻等等。通過設計更加複雜的結構和使用不同的材料,還會有更多的用途。光子晶體光纖已成為近期纖維光學研發領域內比較熱門的課題之一。

2高非線性光子晶體光纖結構以及特性介紹

高非線性光子晶體光纖一般有兩種：一種是纖芯較小，孔洞較大的網狀多模光纖，另一種纖芯稍微大些，孔洞較小，工作在零色散波長處的單模光纖。 單模的高非線性光子晶體光纖比孔洞較大的多模的高非線性光子晶體光纖相比具有一些更好的特性：單模HNL-PCF空氣孔洞較小，因此與傳統光纖的熔接較容易一些；聚焦在單模HNL-PCF包層區域的光不能傳播而使其易於實現自由空間光耦合；另外單模HNL-PCF嚴格的工作在單模狀態。雖然單模HNL-PCF具有許多優點但是其非線性係數一般不高，研究發現多模HNL-PCF可獲得更高的非線性係數，因此使用較廣。高非線性光子晶體光纖一般指的是多模HNL-PCF。

普通石英單模光纖的非線性係數為1.11 1 WKm,而高非線性光子晶體光纖由於光被周期性的空氣微孔陣列嚴格地限制在纖芯中,其非線性係數是普通石英單模光纖的幾十至幾百倍,甚至高達245WKm。因此,在PCF中用脈衝泵浦峰值功率低於次千瓦量級（比常規非線性光纖所需的注入脈衝雷射功率低1～2個數量級）的雷射脈衝,可以產生較大的非線性頻率變換和雙倍程的超連續光譜。另外, PCF 的色散特性具有較大的設計靈活性,適當調整光纖的結構參數可以獲得較平坦的色散特性。同時由於包層與纖芯較大的折射率差，使得波導色散增加，零色散波長可以移至短波長波段。具有高非線性係數和可控的色散特性的高非線性光子晶體光纖的已被廣泛套用於光通信、全光再生、光相干層析及光頻率測量等領域。

3高非線性光子晶體光纖研究現狀

國際上對高非線性光子晶體光纖的研究主要包括：理論模型及光學傳輸特性的研究；製備工藝及其與傳統光纖熔接技術的研究；以及基於高非線性光子晶體光纖的各種有源、無源器件的研究等。下面分別介紹高非線性光子晶體光纖在這些方面的一些最新研究進展。

理論的分析

從1998 年起，開始有大量關於光子晶體光纖理論分析的文章發表，其中包括著名的《Science》，《Nature》等期刊，而美國光學學會更是在2001年12月在Optics Express 上以專刊的形式發表了一期關於光子晶體光纖的論文。這標誌著光子晶體光纖成為世界的前沿熱點研究之一。

最早出現的分析光子晶體光纖的理論模型是等效折射率模型（Effective Index Model），隨後平面波法（Plane Wave Method）也被發展用於光子晶體光纖的計算。接著出現了基於雙正交基的全矢量模型，光束傳播方法（Beam Propagation Method），正交函式方法，多極方法（Multiple Method ），傅立葉展開方法（Fourier Decomposition Algorithm），多重互易邊界元方法（Multiple Reciprocity Boundary Element Method），以及一些電磁場計算的常用方法如：有限元法（Finite Element Method），有限差分法（FDTD）等等。

在分析光子晶體光纖的傳輸特性時，如果光子晶體光纖中的空氣孔較小或不考慮模式的偏振特性時，可以採用標量法或半矢量法。而要準確分析關於光子晶體光纖傳輸特性如：色散特性、偏振特性（雙折射）、高階模等，就必須考慮波動方程中的矢量項，採用全矢量法。

等效折射率模型中採用了元胞近似，並且忽略了電磁場的矢量特性，是一種標量的分析方法，在某些情況下得到的結論準確度不高。平面波方法是分析光子晶體能帶結構的標準方法，也可以將其套用於分析光子晶體光纖，缺點是計算量較大。多極方法得到的計算精度很高，但目前還只能處理空氣孔為圓形的情況。此外有限元法及時域有限差分法等電磁場常用的計算方法精度很高，但是計算時所需的記憶體量很大。國際上對光子晶體光纖的理論研究主要包括：新模型、算法的提出和發展；對光子晶體光纖的光學傳輸特性分析；設計新型光子晶體光纖結構以滿足特殊的光學特性等。

4製備工藝和測試技術

國際上有許多研究組在對光子晶體光纖的製備工藝進行研究，但還沒有關於光子晶體光纖製備關鍵工藝的報導。光子晶體光纖的製備一直是該領域的一個難點。一般最為常用的方法是管棒堆積多次拉絲工藝，將石英管和芯棒按照預期設計的周期性結構堆積並熔合成形，然後經過多次拉絲製備光子晶體光纖，工藝過程具體參數需要根據光子晶體光纖設計來確定。

光子晶體光纖製備工藝的一個關鍵問題是如何降低損耗。近幾年快速發展的光子晶體光纖製備工藝已經使得製備低損耗，複雜結構的光子晶體光纖成為可能。光子晶體光纖目前已基本商用化，但是製備光子晶體光纖的關鍵技術只被國際上少數幾家研究單位所掌握，如丹麥的Crystal Fiber，英國的Bath大學，日本的NTT實驗室等。因此商用化的光子晶體光纖的價格非常昂貴，一般每米的價格從幾十美元到幾千美元不等。而國內的多家研究單位在光子晶體光纖製備工藝方面還沒有取得突破性進展。長飛光纖光纜有限自2002年開始進行該特種光纖製備工藝的初步探索，目前在光子晶體光纖製備工藝方面已取得突破性進展，掌握了光子晶體光纖製備的關鍵技術。 高非線性光子晶體光纖技術不能獲得廣泛套用的另一個關鍵因素是光纖的熔接技術不成熟。光子晶體光纖非線性光學係數越大,有效模場面積(或芯徑) 就越小，與傳統單光纖的耦合、熔接就越困難。光子晶體光纖的熔接損耗與光纖的模場失配有關，熔接過程中空氣孔中會有水氣等的凝結污染，會影響到接頭的損耗和壽命。如何方便有效地進行光纖熔接是目前急待解決的關鍵問題。

5高非線性光子晶體光纖的套用

當強雷射脈衝與非線性介質發生作用時,各種不同頻率相互作用就產生了新頻率的雷射,這種相互作用越強,產生的頻譜展寬越寬,從而生成一定波長範圍的寬頻光譜,即超連續光譜。超連續光譜的寬度由非線性介質的色散和輸入雷射脈衝的強度決定,為了產生較寬的超連續光譜,通常將非線性光纖的零色散波長設計在注入脈衝波長附近。超連續光譜在光通信、超短脈衝壓縮、雷射光譜學、感測技術等方面有著極大的套用潛力。

高非線性光子晶體光纖由於具有特殊的色散和非線性特性,比一般光纖更容易產生超連續譜。通過光纖的色散特性進行特殊設計可以獲得參數最佳化的超連續光譜。利用高非線性PCF 製備的單個寬頻光源可以為密集波分復用(DWDM) 提供1000個信道的光信號。PCF產生的超連續譜也為超高解析度的光學相干層析技術提供了理想光源。在頻率計量學中,利用飛秒脈衝序列與PCF 作用產生的超連續譜已被用來製作“光頻率梳”。此外，HNL-PCF可控的色散特性使得這種光纖在超快光學領域也有很大的套用價值,包括超短脈衝的受控傳輸、頻率轉換、脈衝寬度壓縮等。