光子晶體光纖特性及應用

【摘要】光子晶體光纖以其特殊的傳輸機理和優(yōu)異的性能，其應用領域正不斷擴大，本文介紹了光子晶體光纖的概念、原理和分類，說明兩種光子晶體光纖的結構，并討論了光子晶體光纖的特性及相應的應用。

【關鍵詞】光子晶體光纖；微結構光纖；光子帶隙

1 概述

光子晶體可以認為是一種由折射率周期性變化而產(chǎn)生光子能帶和帶隙的物質(zhì)。頻率處于禁帶范圍內(nèi)的光子不能在這種物質(zhì)中傳播，如在光子晶體中引入缺陷以破壞其周期性結構時，光子帶隙就會形成具有一定頻帶寬度的缺陷區(qū)，與其對于的特定頻率的光波可以在其中傳播。這就是光子晶體概念的來源。

光子晶體光纖又稱為微結構光纖是一種二維光子晶體，通常的結構為光纖的橫截面內(nèi)存在著很多按一定規(guī)律周期性排列的空氣孔，這些孔的尺寸和光波的波長相當。如在周期性的結構中引入線缺陷，如改變孔徑的大小，或以玻璃代替空氣孔，便形成了光子晶體光纖結構，光可以沿著缺陷在光纖中傳輸。缺陷構成光子晶體光纖的纖芯，缺陷外的周期性結構便是光子晶體光纖的包層，光在缺陷內(nèi)傳播。光子晶體光纖是具有空洞的微列陣結構的光纖，被稱為多孔光纖或微結構光纖。

光子晶體光纖有很多奇特的性質(zhì)。例如，可以在很寬的帶寬范圍內(nèi)只支持一個模式傳輸；包層區(qū)氣孔的排列方式能夠極大地影響模式性質(zhì)；排列不對稱的氣孔也可以產(chǎn)生很大的雙折射效應。

2 光子晶體光纖的結構

根據(jù)傳光機制，光子晶體光纖可以分為兩大類，全反射型光子晶體光纖和光子帶隙型光子晶體光纖。

2.1全反射型光子晶體光纖的結構。全反射型光子晶體光纖和傳統(tǒng)光纖的傳光原理相似，利用光纖內(nèi)部全反射（TIR）原理，使被傳送的光能量在高折射率實體的“芯”中傳播，周圍規(guī)則排列的微結構做為低折射率的光學皮層，如圖1和圖2所示。

2.2光子帶隙型光子晶體光纖結構。這種類型的光纖不是光的全反射原理，而是利用光子晶體的光子帶隙效應（PBG），被傳送的光被光子帶隙限定在“芯”中，沿微結構方向傳輸。如圖3和圖4所示，光子帶隙型光子晶體光纖的結構，中間空的部分是“芯”，周圍規(guī)則排列的微結構區(qū)域是光纖的包層。

3 光子晶體光纖的特性

全反射型光子晶體光纖的傳光機理和傳統(tǒng)的光纖傳光機理相同。是通過光纖內(nèi)部的全反射原理在高折射率的“芯”區(qū)域進行光的傳播。但與傳統(tǒng)的光纖不同，光纖的皮層是空氣，再加上光子晶體光纖中的小孔尺寸和傳導光的波長相當或更小，這種機理稱為修正的全內(nèi)反射。光子帶隙型光子晶體光纖的傳光機理和傳統(tǒng)光纖的傳光機理不同，為光子帶隙導光。雖然空孔中的空氣的折射率比包層石英玻璃低，不能發(fā)生全內(nèi)反射，但光子晶體中的光子帶隙如同反射鏡，使光在空氣和石英的界面發(fā)生反射現(xiàn)象，使光在空心內(nèi)傳播。光子晶體光纖最顯著的特性就是結構合理的光子晶體光纖具備在很寬的波長范圍內(nèi)，特別是短波長區(qū)，支持單模傳輸?shù)哪芰?，只要滿足空氣導孔足夠小的條件，空氣導孔孔徑與孔間距之比不大于0.2，就具備寬帶單模特性，其寬帶單模特性與絕對尺寸無關，可以根據(jù)特定需要來設計光纖有效截面積。

由于光子晶體光纖可以由一種材料制成，因此光纖的纖芯和包層在力學和熱學性能上可以做到完全匹配，從而可以在非常寬的波長范圍內(nèi)獲得較大或穩(wěn)定的色散。其主要特性是具有無截止單模特性、靈活的色度色散、良好的非線性效應、高雙折射效應。

由于光子帶隙型光子晶體光纖的芯是空的，其傳輸介質(zhì)是空氣，因此理論上它具有非常小的傳輸損耗，而且光在空氣重傳播可以大大降低非線性效應，從而提高拉曼散射、布里淵散射等非線性效應的激發(fā)閾值。若打破纖芯的對稱結構，光子帶隙型光子晶體光纖也可以產(chǎn)生非常高的雙折射效應，可以制成保偏光纖。

4 光子晶體光纖的應用

光子晶體光纖的研究已取得重要進展，并逐步開始實用化。作為一種新型的功能光纖，目前光子晶體光纖的應用研究目前主要集中在光纖傳輸和光器件。光纖傳輸方面主要致力于降低光纖損耗、改進制造工藝，主要應用到光通信技術領域；光器件方面主要在于通過設計不同結構參數(shù)的光子晶體光纖，利用其無截止單模特性、色散特性、高非線性效應和高雙折射率特性來設計制造不同性能的光學器件，如：高功率光纖激光器、光纖放大器、超連續(xù)光譜、色散補償、光開關、光倍頻、濾波器、波長變換器、孤子發(fā)生器、模式轉(zhuǎn)換器、光纖偏振器、醫(yī)療、生物傳感、光纖光柵等領域。

根據(jù)增益介質(zhì)不同，基于光子晶體光纖的激光器件可分為兩類，一類是采用活性介質(zhì)，利用激發(fā)輻射實現(xiàn)光能放大，摻雜不同的稀土離子，可以實現(xiàn)不同的受激發(fā)輻射頻譜，可實現(xiàn)不同波段的放大。另一類是基于光纖的非線性效應，利用受激色散機制實現(xiàn)光能的直接放大，光纖拉曼器件就屬于此類。

光子晶體光纖其全新的結構和傳光機制，具有優(yōu)越的設計自由度和優(yōu)異的傳輸性能為光纖應用提供了廣闊的發(fā)展平臺，也必將促進光子晶體光纖制造技術的進步。