光子晶體光纖的特性及應(yīng)用概述

高 靜 陳海良

燕山大學(xué)理學(xué)院

光子晶體光纖（PCF）是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，其傳輸機(jī)理與傳統(tǒng)光纖相比有本質(zhì)的區(qū)別，在光通信和光纖傳感等領(lǐng)域引起了科研工作者的極大興趣。本文介紹了兩種最基本的光子晶體光纖，分別為全內(nèi)反射型PCF 和光子帶隙型PCF，并對(duì)光子晶體光纖具有的優(yōu)異特性和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了簡(jiǎn)要概括。

引言

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）又稱微結(jié)構(gòu)光纖，一般由石英材料構(gòu)成，在光纖橫截面上呈二維周期性結(jié)構(gòu)。沿光纖軸向規(guī)則排列著波長(zhǎng)量級(jí)的二維光子晶體，即空氣孔從而構(gòu)成微結(jié)構(gòu)包層；光纖的纖芯可以是石英，也可以是空氣孔。

具有規(guī)則微結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖的概念是由英國(guó)Bath大學(xué)的P.St.J.Russell 在1992年首次提出來(lái)的。1996年，P.St.J.Russell，J.C.Knight，T.A.Birks 等人率先研制出世界上第一根光子晶體光纖，如圖1 所示。在這種新型的光波導(dǎo)中，純石英實(shí)芯周圍排布有六邊形對(duì)稱的石英-空氣包層材料。P.St.J.Russell 等人制備的光子晶體光纖在較寬的光譜范圍內(nèi)（至少458～1550nm），可支持單模低損耗的光信號(hào)傳輸。

由于光子晶體光纖中空氣孔的尺寸和排布可改變，這樣能根據(jù)特定需要來(lái)調(diào)整光纖中的光傳輸狀態(tài)，引起了國(guó)內(nèi)外眾多光纖工作者的廣泛關(guān)注，關(guān)于PCF 理論研究及實(shí)驗(yàn)制備的論文、專利開始不斷增多。

光子晶體光纖分類

按照導(dǎo)光方式的不同，通常將光子晶體光纖分為兩種：一種為全內(nèi)反射型光子晶體光纖（TIR-PCF），另一種為光子帶隙型光子晶體光纖（PBG-PCF）。

（1）全內(nèi)反射型PCF

全內(nèi)反射型PCF 是由純石英實(shí)芯和石英-空氣孔光子晶體包層組成。包層材料的有效折射率小于纖芯材料的折射率，與普通光纖的導(dǎo)光原理類似，光在纖芯-包層界面上發(fā)生全反射，圖1 即為此類結(jié)構(gòu)的光纖。傳統(tǒng)光纖是通過(guò)摻雜物質(zhì)使包層低于纖芯的折射率，折射率差值不大。而全內(nèi)反射型PCF 中的纖芯和包層折射率差異可通過(guò)控制包層中的空氣孔比率來(lái)實(shí)現(xiàn)，折射率差值可以設(shè)計(jì)成很大。在光子晶體光纖中，包層區(qū)域呈六角形對(duì)稱和周期性折射率調(diào)制，當(dāng)滿足一定條件時(shí)就能形成光子禁帶，從而提高纖芯導(dǎo)光能力。

結(jié)構(gòu)上的特殊，使得全內(nèi)反射型PCF 具備有別于普通光纖的特點(diǎn)：通過(guò)改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)控制光纖的傳播模式、色散特性、偏振態(tài)等。這類PCF 對(duì)包層空氣孔的大小及排列要求并不嚴(yán)格，制作相對(duì)容易，目前技術(shù)已較成熟，大多數(shù)關(guān)于PCF 的研究和應(yīng)用都是基于這類光纖。

（2）光子帶隙型PCF

與全內(nèi)反射型PCF 相比，光子帶隙型PCF 的不同之處在于中心為空芯的石英光纖，空芯為傳光通道，此類光纖對(duì)包層中空氣孔的尺寸、間距和排列周期要求嚴(yán)格。如圖2 所示，為美國(guó)Thorlabs 公司的HC-1550-空芯光子晶體光纖。不同于TIR-PCF，PBG-PCF 的纖芯折射率小于包層有效折射率，它是利用光子帶隙效應(yīng)來(lái)傳導(dǎo)光的。當(dāng)入射光的頻率位于光子帶隙內(nèi)時(shí)，由于光子晶體的禁帶作用，光會(huì)被束縛在引入的缺陷（空芯）中傳播；而頻率落在光子帶隙之外的光被禁止傳播。PBG-PCF 以空氣作為纖芯，極大減少了石英對(duì)光的吸收和散射，特別適合做大功率激光傳輸。由于光進(jìn)入空芯石英光纖時(shí)沒(méi)有發(fā)生菲涅爾反射，所以這種光子帶隙型PCF 可用于制作高效率光耦合器件。若在空芯中注入特定的氣體或液體，它們可能與傳輸?shù)墓庥蟹浅?qiáng)的相互作用，這在傳感、檢測(cè)、材料的非線性光學(xué)性質(zhì)研究等方面有非常廣的應(yīng)用前景。

光子晶體光纖特性

光子晶體光纖新穎的微結(jié)構(gòu)，給PCF 帶來(lái)了獨(dú)特性能，為光纖的研究和應(yīng)用注入了新的活力。

（1）無(wú)截止單模傳輸特點(diǎn)

圖1 光子晶體光纖掃描電子顯微圖（TIR-PCF）

圖2 PBG-PCF 截面圖

在傳統(tǒng)光纖中，歸一化頻率V<2.405 時(shí)，光纖只容許基模即單模傳輸。而對(duì)于PCF，光纖單模與多模傳輸?shù)腣 的臨界值發(fā)生了變化。

在PCF 中，當(dāng)波長(zhǎng)λ 減小時(shí)，模場(chǎng)分布向纖芯處集中，包層有效折射率變大，那么纖芯和包層的有效折射率之差也就減小了，使歸一化頻率V 接近一固定值。當(dāng)空氣孔直徑d 與孔間距Λ 之比小于這個(gè)固定值時(shí)，V 始終低于產(chǎn)生多模的臨界值。這表明PCF 具有無(wú)截止單模傳輸特點(diǎn)，并且與光纖絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)，為實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)面積的PCF 提供了解決途徑。美國(guó)Thorlabs 公司可生產(chǎn)無(wú)截止單模、大模場(chǎng)面積的PCF。以型號(hào)為L(zhǎng)MA-25 ESM 的光子晶體光纖為例，該光纖芯徑為25μm，有效模場(chǎng)面積約為265μm2，在無(wú)非線性效應(yīng)和材料損壞的前提下支持高功率的低損耗傳輸。

（2）高雙折射特點(diǎn)

通過(guò)改變PCF 的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)破壞光纖橫截面的對(duì)稱性，可制作出具有高雙折射特性的光子晶體光纖。這種光纖常采用雙芯或多芯結(jié)構(gòu)，在空氣孔的形狀、大小、分布等方面有所調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。馮朝印等人設(shè)計(jì)了一種新型高雙折射PCF，數(shù)值模擬得到優(yōu)化的PCF 在1550 nm 處的雙折射率高達(dá)0.0236，高于普通保偏光纖兩個(gè)數(shù)量級(jí)，為光纖通信中的偏振模色散補(bǔ)償技術(shù)提供了新的解決方法。

（3）靈活的色散可調(diào)特點(diǎn)

光纖色散使傳輸?shù)拿}沖信號(hào)展寬，導(dǎo)致前后信號(hào)間發(fā)生重疊干擾，限制了光纖的傳輸容量和速率，阻礙了光纖通信的發(fā)展。

光子晶體光纖的出現(xiàn)為有效調(diào)節(jié)色散帶來(lái)了希望。通過(guò)合理地改變PCF的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如空氣孔大小、孔間距等），可人為調(diào)控光纖的色散特性，設(shè)計(jì)出寬波段范圍內(nèi)中心波長(zhǎng)可移的色散平坦PCF，具有較大色散系數(shù)的色散補(bǔ)償光纖等。已報(bào)道的高負(fù)色散系數(shù)、寬波段補(bǔ)償?shù)腜CF，在1550 nm 處可實(shí)現(xiàn)-2000 ps/（nm·km）的色散，為常規(guī)色散補(bǔ)償光纖的20 倍。目前，零色散點(diǎn)位于可見光波段、平坦和超平坦色散的光子晶體光纖，已在光孤子傳輸、孤子激光器、超短脈沖壓縮等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

（4）良好非線性特點(diǎn)

光子晶體光纖具有的可調(diào)節(jié)色散特點(diǎn)以及高雙折射特點(diǎn)，為非線性效應(yīng)研究提供了條件。光纖的非線性系數(shù)定義為：

其中，λ0 為中心波長(zhǎng)；n 為材料的非線性折射率；Aeff 為有效模場(chǎng)面積。

由（1）式，得到有效模場(chǎng)面積越小，光纖的非線性系數(shù)就越大，這種高非線性效應(yīng)的光纖可用于光纖激光器、光調(diào)制器、拉曼放大器、光開關(guān)等非線性器件的研究。若有效模場(chǎng)面積增大，相應(yīng)的非線性系數(shù)就會(huì)隨之降低，即設(shè)計(jì)具有大模場(chǎng)面積的光子晶體光纖，可將非線性系數(shù)降至最低。

光子晶體光纖應(yīng)用

根據(jù)前幾節(jié)所述內(nèi)容，由于PCF 具有獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展研究，PCF 已在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

PCF 的高非線性效應(yīng)和高度可調(diào)的色散特性，成為超連續(xù)光譜產(chǎn)生的理論依據(jù)。J.K.Ranka 等人最早研究非線性效應(yīng)，將藍(lán)寶石激光器發(fā)出的短脈沖入射到PCF 中，觀察到波長(zhǎng)范圍為400～1600 nm 的超連續(xù)譜現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)中，需選擇合適的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸入脈沖參數(shù)，來(lái)得到最優(yōu)的超連續(xù)譜展寬。這種超連續(xù)譜可應(yīng)用于光學(xué)頻率測(cè)量、建立光學(xué)原子鐘、生物醫(yī)學(xué)成像、多光子光譜顯微鏡等領(lǐng)域。

基于PCF 的大模場(chǎng)面積、單模寬帶傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，發(fā)展了光子晶體光纖激光器。按照增益介質(zhì)不同，可分為兩類：一種是通過(guò)摻雜稀土元素來(lái)得到受激發(fā)輻射頻譜，完成光放大；另一種是根據(jù)非線性效應(yīng)，利用受激色散完成光放大。其中，摻稀土元素的PCF 激光器不僅可以提高抽運(yùn)光的耦合效率，還能有效減少由于高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)、熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量、高功率的激光輸出，成為PFC 研究的重要內(nèi)容之一。目前報(bào)道的PCF 激光器摻稀土元素主要有摻Y(jié)b3+、摻Er3+以及摻Nd3+，其中以摻Y(jié)b3+光子晶體光纖激光器為最熱研究對(duì)象。丹麥的Crystal fibre A/S 公司是全球領(lǐng)先的PCF 研發(fā)和制造商，技術(shù)上較成熟，現(xiàn)已推出了大數(shù)值孔徑雙包層摻Y(jié)b3+的PCF，并在此基礎(chǔ)上該公司進(jìn)行了高功率PCF 激光器的開發(fā)研究。

光子晶體光纖的微結(jié)構(gòu)和特殊性能，也為傳感器的制作帶來(lái)了新的研究方向。常見的光子晶體光纖傳感器包括：PCF 光柵傳感器、干涉型PCF 傳感器、熒光型PCF 傳感器，以及吸收型PCF 傳感器。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，今后PCF傳感器的研究將向著集成化、網(wǎng)絡(luò)化、全光纖化發(fā)展。

除了以上幾種應(yīng)用外，PCF 還可用于光開關(guān)、光纖陀螺、參量放大器、產(chǎn)生多信道超短脈沖源、光纖色散補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域的研究。

結(jié)束語(yǔ)

光子晶體光纖的特殊微結(jié)構(gòu)，使其具有獨(dú)特的光學(xué)性能。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展研究，PCF 已在光通信、光纖激光器、光傳感、光電子器件制造等領(lǐng)域取得了很大進(jìn)步。我們深信，隨著科研工作的深入開展，光子晶體光纖在波導(dǎo)和色散特性研究、非線性效應(yīng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，以及制備和性能測(cè)試等方面均會(huì)有更大的成績(jī)，為光纖發(fā)展應(yīng)用開拓廣闊的空間。