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    光子晶體光纖的特性及應用概述

    2014-01-02 07:31:08陳海良
    中國科技信息 2014年24期
    關鍵詞:包層纖芯色散

    高 靜 陳海良

    燕山大學理學院

    光子晶體光纖(PCF)是一個新興的研究領域,其傳輸機理與傳統(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,并對光子晶體光纖具有的優(yōu)異特性和應用領域進行了簡要概括。

    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)則排列著波長量級的二維光子晶體,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Bath大學的P.St.J.Russell 在1992年首次提出來的。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中,純石英實芯周圍排布有六邊形對稱的石英-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)特定需要來調(diào)整光纖中的光傳輸狀態(tài),引起了國內(nèi)外眾多光纖工作者的廣泛關注,關于PCF 理論研究及實驗制備的論文、專利開始不斷增多。

    光子晶體光纖分類

    按照導光方式的不同,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控制包層中的空氣孔比率來實現(xiàn),折射率差值可以設計成很大。在光子晶體光纖中,包層區(qū)域呈六角形對稱和周期性折射率調(diào)制,當滿足一定條件時就能形成光子禁帶,從而提高纖芯導光能力。

    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:通過改變光纖的結(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 對包層空氣孔的大小及排列要求并不嚴格,制作相對容易,目前技術(shù)已較成熟,大多數(shù)關于PCF 的研究和應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,此類光纖對包層中空氣孔的尺寸、間距和排列周期要求嚴格。如圖2 所示,為美國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來傳導光的。當入射光的頻率位于光子帶隙內(nèi)時,由于光子晶體的禁帶作用,光會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,極大減少了石英對光的吸收和散射,特別適合做大功率激光傳輸。由于光進入空芯石英光纖時沒有發(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姷南嗷プ饔茫@在傳感、檢測、材料的非線性光學性質(zhì)研究等方面有非常廣的應用前景。

    光子晶體光纖特性

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

    (1)無截止單模傳輸特點

    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,光纖只容許基模即單模傳輸。而對于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,當波長λ 減小時,模場分布向纖芯處集中,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。當空氣孔直徑d 與孔間距Λ 之比小于這個固定值時,V 始終低于產(chǎn)生多模的臨界值。這表明PCF 具有無截止單模傳輸特點,并且與光纖絕對尺寸無關,為實現(xiàn)大模場面積的PCF 提供了解決途徑。美國Thorlabs 公司可生產(chǎn)無截止單模、大模場面積的PCF。以型號為LMA-25 ESM 的光子晶體光纖為例,該光纖芯徑為25μm,有效模場面積約為265μm2,在無非線性效應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

    通過改變PCF 的結(jié)構(gòu)參數(shù)來破壞光纖橫截面的對稱性,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)整來實現(xiàn)。馮朝印等人設計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0.0236,高于普通保偏光纖兩個數(shù)量級,為光纖通信中的偏振模色散補償技術(shù)提供了新的解決方法。

    (3)靈活的色散可調(diào)特點

    光纖色散使傳輸?shù)拿}沖信號展寬,導致前后信號間發(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)色散帶來了希望。通過合理地改變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,設計出寬波段范圍內(nèi)中心波長可移的色散平坦PCF,具有較大色散系數(shù)的色散補償光纖等。已報道的高負色散系數(shù)、寬波段補償?shù)腜CF,在1550 nm 處可實現(xiàn)-2000 ps/(nm·km)的色散,為常規(guī)色散補償光纖的20 倍。目前,零色散點位于可見光波段、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、超短脈沖壓縮等領域得到了應用。

    (4)良好非線性特點

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

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

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

    光子晶體光纖應用

    根據(jù)前幾節(jié)所述內(nèi)容,由于PCF 具有獨特的微結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能,經(jīng)過多年的發(fā)展研究,PCF 已在多個領域得到了應用。

    PCF 的高非線性效應和高度可調(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,將藍寶石激光器發(fā)出的短脈沖入射到PCF 中,觀察到波長范圍為400~1600 nm 的超連續(xù)譜現(xiàn)象。在設計中,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),來得到最優(yōu)的超連續(xù)譜展寬。這種超連續(xù)譜可應用于光學頻率測量、建立光學原子鐘、生物醫(yī)學成像、多光子光譜顯微鏡等領域。

    基于PCF 的大模場面積、單模寬帶傳輸?shù)忍攸c,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:一種是通過摻雜稀土元素來得到受激發(fā)輻射頻譜,完成光放大;另一種是根據(jù)非線性效應,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光的耦合效率,還能有效減少由于高功率運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的非線性效應、熱效應,實現(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象。丹麥的Crystal fibre A/S 公司是全球領先的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,并在此基礎上該公司進行了高功率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)的基礎上,今后PCF傳感器的研究將向著集成化、網(wǎng)絡化、全光纖化發(fā)展。

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

    結(jié)束語

    光子晶體光纖的特殊微結(jié)構(gòu),使其具有獨特的光學性能。經(jīng)過多年的發(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域取得了很大進步。我們深信,隨著科研工作的深入開展,光子晶體光纖在波導和色散特性研究、非線性效應的理論與實驗研究,以及制備和性能測試等方面均會有更大的成績,為光纖發(fā)展應用開拓廣闊的空間。

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