光子晶體光纖的概念及發(fā)展

高慧敏　陳飛

摘 要 ：光子晶體光纖具有獨特的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光機制，展現(xiàn)出比傳統(tǒng)光纖優(yōu)異的光傳輸特性，將對未來光通信領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。文章介紹了光子晶體光纖的概念及光子晶體光纖特有的光傳輸特性，闡述了光子晶體光纖在光信號傳輸及光纖器件制作領(lǐng)域中熱點研究方向的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：光子晶體光纖，光傳輸特性，光纖器件

中圖分類號：N04；TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0054-03

Introduction of the Concept and Development of Photonic Crystal Fiber

GAO Huimin CHEN Fei

Abstract： Due to its particular structure and light guide mechanism， photonic crystal fiber represents excellent optical transmission characteristics compared with traditional fiber， and will produce important influence on the development of optical communication. This paper introduces the concept and particular optical transmission characteristics of photonic crystal fiber， expatiates on the latest development of the hot research aspects in the field of light transmission and fiber apparatuses.

Keywords： photonic crystal fiber， optical transmission characteristics， fiber apparatuses

收稿日期：2014-06-28

作者簡介：高慧敏（1983—），女，山西大同人，碩士，審查員，從事光學(xué)領(lǐng)域的專利審查。通信方式：gaohuimin@ sipo. gov. cn。

引 言

近年來，隨著光通信領(lǐng)域的快速發(fā)展，對光纖的傳輸性能提出了更高的要求，光子晶體光纖應(yīng)運而生，其在單模傳輸、色散、非線性、雙折射等方面具有傳統(tǒng)光纖不可比擬的特性，國內(nèi)外研究人員利用光子晶體光纖開發(fā)出了多種性能優(yōu)異的光纖器件。筆者將概述光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點、導(dǎo)光機制及傳輸特性，并對其在太赫茲波傳輸、溫度傳感器及熱敏光開關(guān)方面的應(yīng)用進(jìn)行較詳細(xì)的論述。

一 光子晶體光纖的概念

光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）又稱微結(jié)構(gòu)光纖（microstructured fiber）或多孔光纖（holey fiber），是以石英為光纖基底材料，在光纖中設(shè)置縱向延伸的規(guī)則排列空氣孔，并通過在光纖的中心處引入缺陷結(jié)構(gòu)來形成纖芯[1] 。

根據(jù)缺陷結(jié)構(gòu)的不同，分為兩種導(dǎo)光機制不同的光子晶體光纖：全內(nèi)反射光子晶體光纖（total internal reflection PCF，TIRPCF）和光子帶隙光子晶體光纖（photonic band gap PCF，PBGPCF）。全內(nèi)反射光子晶體光纖通過中心缺失一個空氣孔形成缺陷結(jié)構(gòu)，導(dǎo)光機制為全內(nèi)反射導(dǎo)光；光子帶隙光子晶體光纖通過在中心引入一個更大的空氣孔形成缺陷結(jié)構(gòu)，導(dǎo)光機制為光子禁帶導(dǎo)光（見圖1）。

圖1 全內(nèi)反射光子晶體光纖（左）和光子帶隙光子晶體光纖（右）

二 光子晶體光纖的特性

與傳統(tǒng)光纖相比，光子晶體光纖可實現(xiàn)對光傳輸特性的靈活調(diào)整，其光傳輸特性取決于光纖基底和孔內(nèi)介質(zhì)材料的折射率，以及光纖內(nèi)孔的直徑、間距和排布方式。

光子晶體光纖具有無截止單模傳輸、可調(diào)模場面積、寬波段色散平坦、高雙折射、高非線性、低損耗等優(yōu)異光傳輸特性，適合于多種波段光信號的傳輸以及多種類型光纖器件的制作。

三 光子晶體光纖的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著對光子晶體光纖特性的深入研究，在光信號傳輸及光纖器件制作領(lǐng)域，光子晶體光纖均得到了廣泛的應(yīng)用。對光子晶體光纖的研究和應(yīng)用從經(jīng)典的石英-空氣孔光子晶體光纖，逐步發(fā)展到塑料或聚合物相關(guān)的光子晶體光纖，以及空氣孔填充固體或液體介質(zhì)的光子晶體光纖。近年來，對塑料或聚合物光子晶體光纖以及空氣孔填充光子晶體光纖的研究成為熱點，主要的應(yīng)用有太赫茲波傳輸、溫度傳感器以及熱敏光開關(guān)。以下將對上述幾種較典型的光子晶體光纖器件的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1.太赫茲波傳輸

太赫茲波（Terahertz ，THz）是介于毫米波和紅外波段之間的電磁波，頻率范圍為0.1THz～10THz，其在天文學(xué)、移動通信、衛(wèi)星通信、軍事領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景。

太赫茲波極易被介質(zhì)材料吸收，在傳統(tǒng)石英光纖中傳輸損耗很大，甚至無法傳輸。韓國和日本的科學(xué)家分別利用高密度聚乙烯和聚四氟乙烯制成了太赫茲光子晶體塑料光纖，損耗小、色散低，模場能被有效限制在缺陷中。2011年，南京郵電大學(xué)吳昊等人提出一種新型的太赫茲波塑料光子晶體光纖（見圖2）[2]，其包層由兩種不同直徑的空氣孔周期排列而成，基底材料為聚乙烯，纖芯圓孔填充聚四氟乙烯，可得到低損耗、超平坦趨于零色散的太赫茲光子晶體光纖，其在46～54μm 波長范圍內(nèi)具有±0.5ps/（nm·km）的色散值，在47.5μm處損耗為2.6dB/km。

圖2 太赫茲光子晶體光纖

2.溫度傳感器

通過在全內(nèi)反射型光子晶體光纖的空氣孔中填充折射率溫度敏感液體，可形成基于光子晶體光纖的溫度傳感器。光子晶體光纖溫度傳感器的工作原理是當(dāng)周圍溫度發(fā)生變化時，孔內(nèi)溫度敏感液體的折射率隨溫度變化而改變，從而改變光纖包層的等效折射率，光纖內(nèi)模場分布發(fā)生變化，通過對出射光功率的測量可實現(xiàn)對溫度的傳感。

早在2009年、2010年就已有采用酒精、液晶作為溫度敏感液體的報道[3]。2011年，天津大學(xué)王若琪等人更提出在全內(nèi)反射光子晶體光纖的空氣孔中填充酒精和氯仿等溫度敏感液體的混合液，能夠得到更高靈敏度的溫度傳感器[4]，而且通過調(diào)節(jié)混合液體中各組分的比例可對溫度傳感器的溫度敏感度和敏感區(qū)間進(jìn)行方便的調(diào)節(jié)，仿真并實驗獲得了0.75dB/℃的光子晶體光纖溫度傳感器。

3.熱敏光開關(guān)

利用空氣孔中填充有折射率溫度敏感液體的全內(nèi)反射光子晶體光纖還可以制作熱敏光開關(guān)，在溫度敏感液體的折射率趨近于光子晶體光纖的纖芯折射率時，全內(nèi)反射導(dǎo)光機制被破壞，纖芯限制光的能力消失，光模場擴散到包層中，實現(xiàn)熱敏光開關(guān)從導(dǎo)通到斷開狀態(tài)的躍變。

通過調(diào)節(jié)混合液體中各組分的比例，可得到不同溫度敏感度和不同敏感區(qū)間的熱敏液體，從而可得到不同溫度躍變點的熱敏光開關(guān)。2011年，王若琪等人還提出了包層空氣孔填充折射率從1.44385到1.4439，折射率的變化量為5.0×10-5，僅需 0.1℃的溫度變化就足以從導(dǎo)通狀態(tài)躍變到斷開狀態(tài)的熱敏光開關(guān)[5]。

四 結(jié) 語

綜上所述，光子晶體光纖所具有的全新結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光機制，使其展現(xiàn)出傳統(tǒng)光纖所不具有的諸多光傳輸特性，是非常有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮鈧鬏斀橘|(zhì)。通過對光子晶體光纖基底、纖芯材料的改進(jìn)，能實現(xiàn)對太赫茲波段的高效傳輸，通過在光子晶體光纖空氣孔內(nèi)填充溫度敏感液體，還可設(shè)計出高敏感度的溫度傳感器和熱敏光開關(guān)，在未來的光通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] Birks T A， Knight J C， Russell P St J.Endlessly singlemode photonic crystal fiber[J]. Opt. Lett. 1997， 22（13）： 961-963.

[2] 吳昊，施偉華，趙巖，等. 新型太赫茲波塑料光子晶體光纖的色散特性[J].光通信研究. 2011，（1） ：40-42.

[3] Yu Y， Li X， Hong X，et al. Some features of photonic crystal fiber temperature sensor based on liquid ethanol filling[J]. Optics Express， 2009，18（15）：15383-15388.

[4] 王若琪，姚建銓，周睿，等. 填充混合液體的光子晶體光纖溫度傳感研究[J]. 光電子· 激光.2011，22（11）：1609-1612.

[5] 王若琪.基于液體填充的光子晶體光纖微結(jié)構(gòu)設(shè)計[D]. 天津：天津大學(xué)，2011.