光子晶體光纖的特性及應用

摘要：光子晶體光纖由于獨特的導光原理和靈活的結構設計，性能明顯能優于傳統光纖，在光通信和激光技術等領域具有非常廣闊的應用空間。文章介紹了光子晶體光纖的導光原理，研究了其主要特性，并分析了其在波分復用器、光纖激光器、光纖放大器及光耦合器件等方面的應用。

關鍵詞：光子晶體光纖 特性 光器件

0 引言

光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)是光纖技術發展的主要方向，對于大容量光纖通信和高功率光纖激光器的研究開發具有重要意義。光子晶體光纖又稱為多孔光纖(Holey Fiber，HF)或微結構光纖(Micro-Structured Fiber，MSF)，它是在石英光纖的包層中沿軸向均勻地排列空氣孔，并在纖芯端面存在一個破壞了周期性結構的缺陷所構成，從而使入射光能被控制在光纖纖芯中傳輸。光子晶體光纖由于包層中的二維光子晶體結構，可以作為更加優異的光傳輸介質，在新一代光纖通信系統和激光技術等重要領域具有極其廣闊的應用范圍。

1 光子晶體光纖的導光原理

光子晶體光纖的概念基于光子晶體，按其傳導機制可分為帶隙型光子晶體光纖(PBG-PCF)和折射率引導型光子晶體光纖(TIR-PCF)兩類。

帶隙型光子晶體光纖是一種具有石英-空氣光子晶體包層的空芯石英光纖，其包層橫截面的折射率具有規則的周期分布，通過包層光子晶體的布拉格衍射來限制光在纖芯中傳播的。在滿足布拉格條件時出現光子帶隙，對應波長的光不能在包層中傳播，而只能限制在纖芯中傳播，見圖1（a）。

折射率引導型光子晶體光纖的導光機制與傳統光纖類似，包層由石英-空氣周期介質構成，中心為SiO2構成的實芯缺陷。由于纖芯折射率高于包層平均折射率，光波在纖芯中依靠全內反射傳播。由于包層含有氣孔，與傳統光纖的實芯熔融硅包層不同，因而這種導光機制叫做改進的全內反射，見圖1（b）。

2 光子晶體光纖的特性

光子晶體光纖與傳統光纖相比具有許多優異的性能，如：無截止單模傳輸特性、可調節的色散特性、高非線性和高雙折射特性等，為克服傳統光纖發展中的瓶頸提供了可能的解決途徑。

無截止單模性質對傳統光纖而言，單模傳輸的光譜范圍相對來說不是太寬，當歸一化頻率參量V<2.4048時，才是單模的。光子晶體光纖能在更寬的光譜范圍內實現單模傳輸，不存在截止波長，只要包層中空氣所占的百分比足夠小，就能保證所有的波長單模傳輸。

可調節的色散特性由于PCF包層結構復雜，可以通過設計不同幾何結構，改變光纖的波導色散，從而實現調節光纖總色散。改變光子晶體光纖的尺寸，就可以在幾百納米的范圍內獲得零色散波長；調節PCF包層參數可以取得近零超平坦色散；適當設計PCF芯層參數，可以在單一波長下實現高負色散。

光子晶體光纖具有高非線性特性，如自相位調制、交叉相位調制、四波混頻、受激拉曼散射、孤子自頻移和超連續譜生成等。可以通過減小有效纖芯直徑和采用高非線性系數的材料做纖芯來增大其非線性系數，如英國的Southampton大學研制的RG-PCF，其纖芯直徑約為1.2μm，在1550nm處的非線性系數為70W，比標準通訊光纖高達70倍。

光子晶體光纖的雙折射特性是由于氧化硅和氣孔之間高的折射率對比，以及氣孔對光波模式場的非常強的約束，使光子晶體光纖易于獲得很高的雙折射，其值通常比傳統的保偏光纖高一個數量級。通過改變纖芯的形狀或包層中空氣孔的形狀和排列從而破壞光纖的對稱性就可以獲得很高的雙折射。

3 光子晶體光纖的應用

隨著研究的不斷深入，光子晶體光纖的應用范圍也不斷拓展，涉及到通信、制造業、航天航空、軍事、石化等科技領域。

在通信領域，光子晶體光纖作為傳光介質，在光子帶隙中傳輸信息，具有超低損耗、超低非線性、超低色散，是未來光通信的理想材料。作為光纖元件，通過對光子晶體光纖的優化設計，還能夠制造新型的光纖放大器、波長轉換器和光纖光柵等；光子晶體光纖能夠解決光脈沖無法長距離傳輸的難題，在飛秒激光領域的應用中實現了超大功率激光器、超快激光器系統的開發；能量傳輸方面的應用針對于空芯光子晶體光纖，可以作為高效率光耦合器件，用來制作腫瘤切割和內窺鏡等醫療器件。

4 結束語

光子晶體光纖因其新穎的結構和優異的功能，給光纖技術的發展帶來了重大突破。光子晶體光纖的導光機制、制備工藝以及性能測量等將不斷提高與完善，為開發新一代性能優異的光子器件開辟了廣闊的應用領域。

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