高雙折射率光子晶體光纖的研究進(jìn)展

摘? 要：光子晶體光纖因其獨(dú)特的導(dǎo)光特性和靈活的結(jié)構(gòu)而優(yōu)于傳統(tǒng)光纖，高雙折射特性使其用于保偏光纖、光纖陀螺等光纖器件。通過閱讀研究相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行的理解和總結(jié)，在分析雙折射特性基本原理的基礎(chǔ)上，介紹了近年以提高光子晶體光纖雙折射特性為主要目標(biāo)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，增加不對(duì)稱性或轉(zhuǎn)變不同方向的應(yīng)力可有效獲得高雙折射特性。隨著人工超材料的不斷發(fā)展，光子晶體光纖在光通信等領(lǐng)域有著極廣的發(fā)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光子晶體光纖;高雙折射率;空氣孔;偏振

中圖分類號(hào)：TN252? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）18-0061-03

Abstract：Photonic crystal fiber is superior to conventional fiber due to its unique light conducting characteristics and flexible structure. High birefringence makes it suitable for polarization-preserving fiber，fiber optic gyro and other fiber devices. Based on the analysis of the basic principles of birefringence characteristics through the understanding and summary of reading research related literature，this paper introduces the research progress at home and abroad with the main goal of improving the birefringence characteristics of photonic crystal fibers in recent years，high birefringence can be obtained by increasing the asymmetry or changing the stress in different directions. The stress can effectively obtain high birefringence characteristics. With the continuous development of artificial metamaterials，photonic crystal fiber has a very wide range of applications and profound practical prospects in optical communication and other fields.

Keywords：photonic crystal fiber;high birefringence properties;air hole;polarization

0? 引? 言

英國(guó)Bath大學(xué)的Russell于1992年首次提出光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）的概念[1]。PCF又稱多空光纖、微結(jié)構(gòu)光纖，由單一材料和多個(gè)氣孔周期性地纏繞在纖芯周圍而形成。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其橫截面上呈現(xiàn)復(fù)雜的折射率分布，由于存在光子帶隙，光波只能在折射率較小的纖芯內(nèi)傳輸。

由于光學(xué)系統(tǒng)具有更高的加工精度，相比電子系統(tǒng)更精準(zhǔn)、更容易實(shí)現(xiàn)振幅和相位測(cè)量，光子晶體光纖一經(jīng)提出便引起了各方面的廣泛關(guān)注，隨即在理論層面、工藝制造到各種應(yīng)用都有了一定的研究發(fā)展，目前已經(jīng)制造出結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、功能較強(qiáng)的PCF器件，如光纖激光器、光纖傳感器、光纖光源、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、色散補(bǔ)償器等，這些產(chǎn)品具有高性能且應(yīng)用廣泛。

1? 光子晶體光纖結(jié)構(gòu)及分類

不同的排列方式組成不同復(fù)雜度的光子晶體空間結(jié)構(gòu)，其中較為經(jīng)典的是一維平面型，二維立體型和三維空間型，如圖1所示。光子晶體光纖是二維立體型中研究最為廣泛的一種，使用旋轉(zhuǎn)拉絲技術(shù)可以制備出三維空間型。

PCF的分類方法很多，最常用的是根據(jù)導(dǎo)光原理分為如圖2所示的兩類[1]：一類是帶隙型光子晶體光纖（Photonic Bandgap PCF，PBG-PCF），這類PCF的纖芯多為空氣孔，包層排列著周期性的空氣孔，它的包層折射率高于纖芯折射率，光波在低折射率的纖芯中傳輸;另一類是全內(nèi)反射型光子晶體光纖（Total Internal Reflection PCF，TIR-PCF），這類PCF的纖芯為實(shí)心，包層材料與纖芯材料通常是一樣的，包層上有空氣孔，空氣孔可以隨機(jī)排列，也可以按一定規(guī)則排列，纖芯的折射率較包層高，主要靠全內(nèi)反射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光。

還有其他的分類方法，如按形狀分、按照材料分、按照光纖的特性分、按照模式數(shù)量分等，這些不同分類的光子晶體光纖可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，從而得到結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、性能更為優(yōu)越的PCF。

2? 高雙折射率光子晶體光纖

2.1? 高雙折射特性

改變光子晶體光纖包層的結(jié)構(gòu)、空氣孔的數(shù)量及形狀等，就可以改變傳輸?shù)哪?chǎng)、損耗等，使其具有無(wú)截止單模傳輸、高雙折射、高非線性等特性[2]。

雙折射現(xiàn)象指由于光纖在傳輸x和y兩個(gè)偏振方向的基模時(shí)，產(chǎn)生不同的偏振折射率，使其傳播常數(shù)β不再相同，公式表示為：

其中，βx、βy分別表示x軸和y軸上的傳播常數(shù)。通常用這兩個(gè)方向上相互正交的偏振模的有效折射率之差B來(lái)表征，稱為模式雙折射參量，表達(dá)式為：

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作者簡(jiǎn)介：陳靜妍（1999—），女，漢族，山西代縣人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。