光子晶体光纤原理及发展1

光子晶体光纤的原理及发展现状

物电学院13级无线电物理专业钟小清130********

摘要：光子晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤，其特点是包层排列有规则或随机分布的波长量级的空气孔。包层中的微结构使得光子晶体光纤能够呈现出许多传统光纤不具备的特性，其中之一就是在可见光和近红外波段能够呈现反常色散。在光纤通信、色散补偿以及非线性光学等实际应用中。本文介绍了光子晶体光纤发展的历史背景及其发展现状，重点叙述了光子晶体光纤的导光原理及光子晶体光纤的主要特性，并且对发展前景进行了展望。关键词：光子晶体光纤，PCF导光机理

Photonic Crystal Fiber and it’s Dispersion ABSTRACT：a new type of fiber, known as photonic crystal fiber(PCF), has emerged in the past several years.These fibers are characterized by wavelength-scale air holes running along the entire fiber length in the cladding region,which have resulted in some unusual properties unattainable with conventional optical fibers. In Particular, PCF can disply a anomalous dispersion in the visible and near-infrared wavelength range. Dispersion characteristics of PCFs are very important for realistic applications of optical fiber communications, dispersion compensation and nonlinear optics. The article introduces the history and Current situation of the development of PCF. Principle of photonic crystal fiber and the main characteristics of photonic crystal fiber are described mainly, and the development foreground is prospected.

Key words:Photonic Crystal Fiber, dispersion, Mechanism of light transmission

1 历史背景及发展现状

光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是198年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。

光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。可以预见，光子晶体将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革，极有可能在21世界扮演更为重要的角色。1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。

光子晶体光纤的概念最早在1992年由St.J.Russell等人提出[1]，其初衷是要在光纤中引入光子带隙效应实现对光的导引。受到制备工艺的限制，直到1996年首根光子晶体光纤才成功问世，光纤横截面如图1-1(a)所示。该光纤具有独特的无尽单模传输特性，在学术界和产业界引起极大的轰动。然而研究发现，该光纤虽然具有周期性的包层结构，但遵循的是传统光纤的全反射型导光机制(Total Internal Reflection，TIR)，并未利用光子带隙效应。进一

步分析表明，这一类光纤的传输特性并不依赖于包层气孔的周期排布。在特定条件下，无序排布的气孔结构也可以实现无尽单模传输。人们将这一类光纤称为全内反射型光子晶体光纤(TIR-PCF)或折射率导引型光子晶体光纤。TIR-PCF 的成功研制为光子晶体光纤的定义增添了新内容，并开启了光子晶体光纤技术研究的序幕。

图1-1

1998年，J.C.Knight 等人研制出依靠光子带隙效应导光的首根真正意义上的“光子晶体”光纤，如图1-1(b)所示。区别于TIR-PCF ，人们将这一类光纤称为光子带隙型光纤(PBG-PCF)。 1999年，R.F.Cregan 等人成功研制出大空气芯导光的PBG-PCF 。以空气作为传光介质意味着超低的传输损耗、超低非线性以及超低色散传输，这在传统光纤中是难以实现的。PBG-PCF 的问世宣告光子晶体光纤全面登上历史舞台。自此，光子晶体光纤进入高速发展阶段，并迅速占领众多科技领域的研究最前沿[2]。

目前，光子晶体光纤的应用研究己经逐渐覆盖到通信、传感、非线性光学、光谱学，乃至生物医学等众多科技领。随着研究的进一步深入，各种新型光子晶体光纤仍在不断涌现，基于光子晶体光纤的新应用同样日渐丰富。

2 导光原理和主要特性

2.1光子晶体

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化.在周期性介质中，电场E 满足麦克斯韦波动方程：

22

2

1022()()E E r E E c c ωωεε-?+???-= (2-1) 式中，0ε为常数，可以认为是介质的平均介电常，11()()n

r r R εε'=+是扰动介电常数，c 为真空中的光速。在周期性势场中，电子的波函数ψ满足薛定愕方程：

2[()]2e h V r E m

-?+ψ=ψ (2-2) 式中()()n V r V r R =+，h 为普朗克常数，e E 为电子的能量，在周期性势场中只能取本征值.

可以看出，方程(2-1)与(2-2)的形式完全相似. e E 在周期性势场中只能取本征值，因此，在周期性介电晶体中，2

02c ωε也只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙[3]。频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。因此，光子晶体就是折射率呈周期分布的光学介质。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能形成能带结构。能带与能带之间出现光子带隙。能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。

2.2光子晶体光纤

光子晶体光纤（PCF ）又名微结构光纤(Microstructured optical fiber ，MOF)或多孔光纤 (Holeyfiber ，HF)，它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔对光进行约束，从而实现光的轴向传输。独特的波导结构，使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许多无可比拟的传输特性。就结构而言，PCF 可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。

2.2.1光子晶体光纤的导光原理[4]

PCF 导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF 导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF 中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。

光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条件,其结果就是光子能隙导光理论。如图2-1 所示,中心为空芯,虽然空芯的折射率比包层石英玻璃低,但仍能保证光不折射出去,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间的距离和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播,光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明,这种HF 中可传输99 %以上的光能,而空间光衰减极低,因此光纤衰减可能只有标准光纤的1/ 2～1/ 4 。但并不是所有PCF 都

是光子能隙导光。

图2-1

空芯PCF 的光子能隙传光机理的具体解释是：在空芯PCF 中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF 中不能发生全内反射，但包层中的小孔点阵结构就像一面镜子，这样光就在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。

根据纤芯引入缺陷态的不同, PCF导光机理可以分为两类:全内反射型和光子带隙型。

全内反射机制，通过在包层中引入空气孔, 降低包层的有效折射率nclad, 使得纤芯折射率ncore大于包层折射率nclad, 其模式折射率nmode满足ncore>nmode>nclad。光子带隙光纤的纤芯折射率ncore小于包层等效折射率nclad, 不再满足全内反射的条件, 但是由于光纤的包层为二维光子晶体, 频率处于光子带隙内的光不能在包层中传播, 所以这些频率的光耦合进纤芯后, 将被限制在纤芯中, 无法泄露出去, 从而达到传导光的目的。但与常规G.652光纤有所不同,由于包层包含空气,所以这种机理称为改进的全内反射,如图2-2所示。这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。

图2-2

光子带隙型PCF导光机理

理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件,即光子带隙导光理论。在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低,但仍能保证光不折射出去,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播,光被限制在中心空芯之内传输。如图2-3所示,这种PCF可传输99%以上的光能,而空间光衰减极低,光纤衰减只有标准光纤的1 /2～1 /4。

图2-3

2.2.2光子晶体光纤的主要特性[6]

PCF 灵活设计的微孔结构导致了其具有许多奇异的特性,这样有效地扩展和增加了光纤的应用领域。

无截止单模。光子晶体光纤在其空气孔径与孔间距之比小于0.2时, 无论什么波长都能单模传输, 与传统光纤随着纤芯尺寸的增加会出现多模化的特性比; 似乎不存在截止波长,

的光波下单模传输, 且与光纤的绝对这就是无截止单模传输特性. PCF 可在从蓝光到2m

尺寸无关, 所以通过改变空气孔间距来调节模场面积. 小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性。这有利于提高或降低光学非线性, 可用在低非线性通信用光纤, 高光功率传输等方面。

灵活的色度色散。就光子晶体光纤的结构特征来说，它对波导色散有较高的控制性. 只要改变孔径与孔间距之比, 即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态, 例如零色散波长可以向短波大大推进, 具有优性质的色散平坦等等.

良好的非线性效应。在光子能隙导光PCF中, 可以通过减小光纤的模场面积(或者减小PCF纤芯空气孔直径)来增强单位有效面积上的光强,从而增强非线性效应, 使光子晶体光纤同时具备强非线性和快速响应的特性.根据现有的技术水平, 各种典型非线形光纤器件的非线性环形镜等就可以比普通光纤短100倍.这一特性为制造大有效面积PCF奠定了技术基础.

高双折射效应。在PCF 中,通过改变其包层结构可制出高双折射效应的PCF, 只要破坏光子晶体光纤剖面的圆对称性, 使其成为二维结构就可以形成很强的双折射. 实际中可通过减少一些空气孔,或者改变一些空气孔的尺寸来获得高的双折射特性。

3 应用及发展前景

由于具有无截止单模传输、灵活可调的色散特性等许多传统光纤难以达到的优良特性, 光子晶体光纤在许多领域, 如: 光纤激光器和放大器、非线性光学、光纤通信、光纤传感等都有着重要的应用和广阔的前景。

光子晶体光纤的高非线性和色散可调的优良特性, 使其成为产生各种非线性效应, 诸如孤子自频移、四波混频、孤子压缩、孤子分裂等的理想载体, 因此, 光子晶体光纤的出现极大地促进了非线性光学的研究。由于孤子自频移、自相位调制、高阶孤子分裂、群速度色散、三阶色散、四波混频、交叉相位调制等诸多效应对光子晶体光纤中超连续光谱的形成都有贡献, 并且超连续光源在生物医学, 光谱检测和高精度频率测量等方面有重要应用, 利用光子晶体光纤产生超连续谱的研究在与光子晶体光纤相关的非线性光学的研究中占有重要的地位。2004 年, C. J. S. de Matos等[7]使用具有两个零色散点(分别为0.7 mm 和1.7 mm)的100 m长的光子晶体光纤, 利用两种不同的连续光抽运源, 分别得到了在1.05~1.38 mm 处的超连续谱, 总功率为 5.5 W。由于水分子所导致的1.38 mm处的吸收峰限制了超连续谱向长波方向的展宽, 通过降低光纤在 1.38 mm 处的损耗, J.C. Travers 等[8]得到了宽带、高功率密度、低相干的超连续谱光源。A. Kudlinsk 等[9]利用峰值功率为60 kW, 平均功率为8 W 的皮秒脉冲, 在1 m 长的零色散点不断向短波移动的锥形光子晶体光纤中,产生了395~850 nm 范围内, 最小功率为2.2 mW, 最大为5 mW 的平坦(3 dB) 超连续谱。F.

G.Omenetto等[10]用长度仅为5.7mm 的基于SF6 玻璃的高非线性光子晶体光纤, 得到了从350~3000 nm 的超宽带的连续谱输出。气体的非线性效应是非线性光学研究的重要内容之一。如何找到一种载体, 既可作为盛放气体的容器, 又可作为限制光能量的波导, 是研究气体非线性急需解决的问题。空芯光子晶体光纤的出现为这一问题提供了完美的答案。科研人员提出了很多种制作基于空心带隙光纤的气室的方法[11~12], 并对基于气体的高能孤子的产生, 相干反斯托克斯拉曼散射, 受激拉曼散射, 四波混频等非线性效应作了深入研究。光子晶体光纤中丰富的非线性现象, 可应用到生产和生活的很多方面, 如光学相干层析成像、光学参量放大器、频率转换器、脉冲整形等。

在此, 仅就其在非线性光学和光纤激光器方面的应用作一个简单的介绍。

仅使用数厘米长的高非线性光子晶体光纤, 就可产生各种非线性效应, 实现基于各种光学非线性现象的结构更加紧凑, 体积更加小巧的全光器件, 比如超连续谱光源、波长转换器等。利用数米长的掺杂稀土离子的光纤, 可以制造出效率高、光束质量好的光子晶体光纤激光器, 特别是利用相干合成技术和多芯光子晶体光纤, 使得具有几百千瓦输出功率的超大功率激光器成为了可能; 随着制备工艺的不断完善, 光子晶体光纤的损耗不断降低, 利用千米级长度的大负色散光子晶体光纤进行色散补偿, 或者利用千米级近零色散平坦光子晶体光纤搭建短距离, 超高速率光通信网络具有良好的应用前景。美国宾西法尼亚大学和英国南安普顿大学通过把基于平版印刷制作做平面芯片的技术移植到光子晶体光纤内部, 使光- 电- 光的转换全部在光纤中实现, 开创了全新的全光纤化的光电子学。

光纤激光器由于具有结构紧凑、效率高、光束质量好等优点,引起了研究人员的广泛关注。由于具有超大的模面积、宽带单模传输、大幅度可调的色散特性等优点, 基于光子晶体光纤的光纤激光器有着更为广阔的应用前景。从2000 年首台光子晶体光纤激光器问世到现在, 短短几年间, 大模面积光子晶体光纤激光器、主动锁模光子晶体光纤激光器、被动锁模光子晶体光纤激光器、高偏振光子晶体光纤激光器、双包层光子晶体光纤激光器等纷纷出现。其中, 大模面积双包层光子晶体光纤激光器是研究的热点之一。

图3-1两种掺镱大模面积双包层光纤的端面图

2003 年, J. Limpert 等利用长度为2.3 m 的所示光纤, 在光纤一端加高反射的二色镜, 另一端利用光纤端面4%的菲涅尔反射, 构成共振腔, 用976 nm的激光二极管做抽运源, 得到了80 W 的功率输出, 其中, 抽运耦合效率为55%, 斜率效率为78%, M2=1.2±0.1。2006 年, 他们利用长度仅为58 cm 的图3-1(b)所示光纤制作的大模面积双包层光子晶体光纤激光器, 实现了320 W 连续波的输出, 出光效率高达550 m/W, 抽运光的吸收高达30dB/m。光子晶体光纤具有众多优异的性能, 使得其在很多方面都有广阔的应用前景。

总之, 随着制备工艺的不断提高和制造成本的不断下降, 光子晶体光纤将会应用于社会生产和生活的方方面面。光子晶体光纤的奇异特性是一些传统光纤所没有的。作为传光介质, 在光子带隙中传输信息, 具有超低损耗、超低非线性、超低色散, 是未来光通信的理想材料。这些性质, 同样为生命科学、精细测量技术等带来美好前景。作为光纤元件, 通过对光子晶体光纤的优化设计, 还能够制造全新特性的光纤激光器, 如超大功率激光器、超快激光器系统等; 还能够制造成光纤放大器、光纤振荡器、波长转换器、光纤光栅、偏振保持器等。总之,可以制造出现有分立激光系统, 通信系统中的所有器件, 而且能够实现集成化、超小型化、现代化。作为特殊载体, 不远的将来, 可在空芯光子晶体光纤中实现纳米结构光子学研究, 实现纳米制造、纳米组装、纳米成型, 制备出一系列纳米半导体材料和系统集成。同样,空芯光子晶体光纤中可以实现平面半导体的一些制备工作和大规模集成, 使纳米技术、半导体技术与光子晶体- 光纤微结构技术结合起来构造出全新的科学领域和发展方向。光子晶体光纤不是孤立的材料和元件, 它对信息技术、生命科学、新材料的研究具有重大的推动作用。

参考文献

[1] Russell.P.St J,Knight.J. C,Birks.T.A, etal.Reeent progress in photonic crystal fibers[J]. Proc OFC, 2000, (3):

98-100

[2] 郭铁英. 新型光子晶体光纤及面向其应用的关键技术研究[D]. 北京：北京交通大学，2009: 2-3

[3]张方迪. 新型光子晶体光纤的结构设计与关键特性分析[D]. 北京：北京邮电大学，2007：2-3

[4] 龙梅，刘子丽. 光子晶体光纤及其研究现状[J]. 攀枝花学院学报,2010,27(3),9-10

[5] 刘红梅林巧文，刘桂枝. 光子晶体光纤特性及其在光器件的应用[J]. 山西大同大学学报(自然科学版),2009,25(2),32-33

[6] 150 C. J. S. de Matos, S. V. Popov, J. R. Taylor. Temporal and noise characteristics of continuous- wave- pumped continuum generation in holey fibers around 1300 nm[J]. Appl. Phys. Lett., 2004, 85(14):2706~2707 [7] J. C. Travers, R. E. Kennedy, S. V. Popov et al.. Extended continuous- wave supercontinuum generation in a low-water- loss holey fiber[J]. Opt. Lett., 2005, 30(15):1938~1940

[8]A. Kudlinski, A. K. George, J. C. Knight et al.. Zero- dispersion wavelength decreasing photonic crystal fibers for ultraviolet- extended super continuum generation[J]. Opt. Exp., 2006, 14(12):5715~5722

[9] F. G. Omenetto, N. A. Wolchover, M. R. Wehner et al.. Spectrally smooth super continuum from 350 nm to 3 μm in sub- centimeter lengths of soft- glass photonic crystal fibers[J]. Opt. Exp., 2006, 14(11):4928~4934 [10]R. Thapa, K. Knabe, K. L. Corwin et al.. Arc fusion splicing of hollow- core photonic bandgap fibers for gas- filled fiber cells [J]. Opt. Exp., 2006, 14(21):9576~9583

[11]F. Benabid, F. Couny, J. C. Knight et al.. Compact, stable and efficient all- fibre gas cells using hollow - core photonic crystal fibres[J]. Nature, 2005, 434(7032):488~491

[12] Christopher J. Hensley, Daniel H. Broaddus , Chris B. Schaffer et al.. Photonic band- gap fiber gas cell fabricated using femtosecond micro-machining [J]. Opt. Exp., 2007, 15(11):6690~6695