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1、光子晶体光纤及其在光通信中的应用光子晶体光纤及其在光通信中的应用摘摘 要要：简述三类光子晶体光纤 (Photonic crystal fibers，PCF)的结构、导光机制及特性，介绍了 PCF的研究现状和在光通信中的应用，并探讨了 PCF 的应用前景。关键词关键词 光子晶体；光子晶体光纤；光通信 Abstract: The three types of photonic crystal fibers (Photonic crystal fibers, PCF) structure, mechanism and optical properties, introduced the Resear
2、ch and PCF in optical communications applications, and to explore the PCF application prospects. Key words： photonic crystal; photonic crystal fiber; optical communication引引 言言在依靠电子器件完成信号处理的通信系统中，单信道的速率不可能超过 100 Gbits，要突破这一 “电子瓶颈”，需寻求光电子器件替代电子器件。EYablonovitchm 和 sJohnL 等人于 1987 年最早提出了光子晶体的概念，为上述思路的实
3、现提供了可能。光子晶体是指折射率在空问呈周期性分布的结构，其周期与光的波长同量级，能够产生光子禁带 (Photonic bandgap，PBG)。在完整的光子晶体中引入缺陷，在 PBG 内会出现频率分布有限的局域态，从而可以控制光在光子晶体中的传播。利用光子晶体的 PBG 效应及其优越的性能，可取代大多数传统的电子器件和光学产品，具有广泛的应用前景，成为光电子及相关领域的研究热点。 在光子晶体的研究基础上，STJRussell 等人于 1992 年最早提出光子晶体光纤的概念，第 1 个PCF 样品于 1996 年被研制出。按结构和导光机制可将 PCF 分为三种类型：一种是改进的全内反射 TIR
4、 PCF，由某一单质材料构成 (如无掺杂纯二氧化硅 )，它的传光通道是介质，传光特性类似于常规光纤，主要是由内部全反射引起；一种是 PBGPCF，即在周期性排列的介质中存在缺陷，利用 PBG 效应导光；另一种全向导波 OG (Omni guide)或同轴波导 CWG (Coaxial waveguide)PCF，在光纤的横截面内沿径向存在一维周期性结构（5、6）是 Bragg 光纤的推广。前两种在横截面内存在二维周期性结构，属于二维光子晶体，第三种属于一维光子晶体。PCF 是一种新型光纤，具有常规光纤不具备的优点：无休止单模性 (Endlessly singlemode)嘲、低损耗特性、特殊的
5、色散和非线性特性以及微结构的可设计性，在通信领域具有广泛的应用前景。 1 1 PCFPCF 的结构、导光机制和特性的结构、导光机制和特性 1 11 1 TIR-PCFTIR-PCF 图 1A 是全内反射 TIR 的光子晶体光纤扫描电子显微照片 (SEM)，由 JCKnight 等人报道了第一个 TIRPCF 样品。 图 1 两类 PCF 结构和光波模式分布图 Fig1 Two kinds of PCF structure and optical wave lengt mode distribution ll 包层的空气孔呈六角形周期性的紧密分布，中问空气孔缺失而形成正中问的实心芯层。包压有效折
6、射率为空气孔和介质 (石英)的折射率权平均，使芯层和外围的周期性区域出现有效率差，纤芯的折射率大于包层的折射率，其导理与传统的阶跃光纤类似，为改进的全内反射导光机制。由于包层的周期性分布使其与传统的光纤在性能上有很大不同，而且由于引入空气孔可以得到在传统石英光纤中所无法实现的大折射率差，传统光纤通过掺杂截面内折射率变 化 至 多为 1-2，而 TIRPCF 中的折射率变化最大可达30-40。在理论上，其它类型的空气孔排列也可以达到同样的功能。图 1 一 B 是图 1 一 A 中样品的光波模式分布，具有与包层类似的对称性。 传统的单模光纤只在一定的频率范围内支持单模传输，当频率较高时将会出现多模
7、传输，而只要调节空气孔直径和空气孔距之比，PCF 就可以设计为在整个频率范围 (包括小于 1 Hm 的短波)支持单模传输，这就是所谓的 “无休止单模传输”特性。此外，改变空气填充率，可以得到各种频率下的色散关系。当空气孔直径增加时，波导色散值朝着负色散方 向增加，在 波长=155 微米 时，可得到 -2000 ps(nmkm)的巨大的反常色散，它可以很好地补偿在传统光纤中由于材料色散引起的正色散，因此这种光子晶体光纤具有很好的色散补偿能力。1 12 2 PBG-PCFPBG-PCF 图 1 一 E 为第一个真正利用二维 PBG 导光的光子晶体光纤的 SEM，报道于 1998 年，空气孔分布具有
8、蜂窝状网格结构，在其正中心引入一个作为缺陷的空气孔，光被局限在空气孔芯区附近传输，这在图 1-F的该样品的光波模式分布图中可看出。空气孔分布还可呈三角形等结构。由于在完整的二维周期结构中引入了缺陷，会在禁带中产生频率分布极窄的局域态，PCF 就可利用这个局域态沿着光纤方向导光。由于纤芯为空气孔，其折射率小于包层的折射率，因此不是利用传统的全内反射机制来导光，而是利用 PBG 效应来导光。利用二维 PBG 效应的 PCF 与全内反射机制导光的 PCF 的区别在于光波被限制在空气中传播，因此在传统光纤石英介质 中与材料相关的影响因素大大地减小了，因而具有低损耗、低色散、低非线性效应。空心光纤的光学
9、特性如包层有效折射率等与波长和孔的排列密切相关，空心光纤在设计上具有很大的灵活性，可通过结构参数的设计获得很好很好的色散特性与单模特性。 1 13 3 OG-PCFOG-PCF TlR 和 PBG 导光的 PCF 的传导单模对应于两种偏振态，与传统光纤类似，在与具有偏振依赖关系的器件耦合中存在偏振态旋转的问题 。 由 IbanescuM 在与金属同轴电缆类比中提出了同轴全向光波导光纤，如图 2-a 所示。纤芯为同轴空气柱与直径很小的介质柱，包层为由介电常数相差很大的两种介质同轴周期性交替组成，包层属一维周期性结构，可形成一维光子禁带。这种结构综合了金属同轴电缆和基于 PBG 导光的 PCF 的
10、优点是：具有与金属同轴电缆中类似的基模 (TEM 模)，模场分布为径向对称性如图 2-b，不存在偏振态旋转的问题。若中心介质折射率比包层平均折射率大， OGPCF 同时存在两种导光机制：全反射和光子带隙效应。若中心介质折射率比包层平均折射率小，或纤芯为空气柱，则其导光机制与 Bragg 光纤相同。OGPCF 结构参数设计、介质材料选取、工作波长确定等都可以在较宽的范围内选择。(a) (b) 图 2 OG 光子晶体光纤结构 (a)和光波模式分布 (b)示意图Fig，2 OG photonic crystal fiber structure(a)and optical wavelenghth mo
11、de distribution(b) 上述三类 PCF 具有共同特性：通过结构的合理设计，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，这是 PCF 最大的一个优势；通过结构参数调节，可加强或抑制非线性效应；具有色散特性。 2 2 PCFPCF 研究现状研究现状 目前，对 PCF 的理论研究取得了很大进展，能够通过数值计算得出结构参数和传输特性之间的关系。数值计算模型大多基于光子晶体的计算，常用的方法有：平面波扩展方法、转移矩阵方法、时域有限差分法等 。但上述方法都有近似性和局限性，其结论的精确与可靠性有待实验验证。针对 PCF 的特点，又提出了有效折射率模型、全矢量法和标量法等。PCF 的制作如图
12、3 所示。 图 3 TIRPCF 制作示意图Fig3 Schematic diagram of TIRPCF fabrication 一般制造方法是采用玻璃管束在一起而形成预制棒 (如图 3-a)，在温度为 1800C2000的熔炉 (如图 3-b)中进行拉丝 (如图 3-c)的方法。典型的尺寸为：玻璃管直径约 1 1Tlln，预制棒直径约 20 mm，拉丝后的光纤直径为 20200 帅 。拉丝后光纤的截面结构与预制棒的截面结构形状基本相似，光纤中空孔间隔为 110 um。从 1996 年研制出如图 1A 所示的第一个 TIRPCF 样品，1998 年研制出如图 1E 所示的第一个 PBGPC
13、F 样品，至今已有多家企业生产出 PCF 产品系列，如世界领先的 PCF 产品商业化的公司丹麦 Crystal Fiber AS 在原有属于 TIR-PCF 的 “非线性光子晶体光纤”、 “大模场区域光子晶体光纤”、“多模光子晶体光纤”三种系列产品的基础上，最近又推出两类新产品 系 列 中 一 类 为 PBGPCF 系 列 。 又 如 BlazePhotonics 公 司 目前拥 有四类 光子晶体光纤 PCF 产品，单模 PCF，保偏 PCF，高非线性 PCF，中空 (PBG)PCF；其中在 1550nm 处的色散为 3Opsnmkm，色散斜率为 007 psnm2km；而 中空 (PBG )
14、PCF 有 HC 一 800-01、HC 一 106001 和 HC1550-01 三种型号，带宽达 120 nm，损耗 dBm，且宣布多种光子晶体光纤的价格将最大下调 40，其中单模 PCF101 m1000 m 的价格为 20$m，说明了 PCF 的制作工艺逐渐成熟。 3 3 应用前景与研究展望应用前景与研究展望 PCF 和普通单模光纤相比有许多突出的优点：(1)PCF 可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；(2)PCF 允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；(3)PCF 可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到 1 岬以下；(4)P
15、BG 导光的 PCF 允许出现大于直角的光路弯曲，甚至可以在弯曲曲率半径小于波长的条件下传播，因而可以在光耦合系统中极大地提高耦合效率和弯曲状态下的传光效率；(5)空气通道的 PCF 不受光波与纤芯材料之间的相互作用 (吸收或非线性)的限制，它可以大大地限制光纤的非线性效应带来的影响和降低损耗；(6)如果在空芯中充入特定的气体或一定折射率的液体，它们与传导模式中的光可能有非常强的相互作用，这在气体传感及检测、利用非线性过程产生多种光波长以及进行材料的非线性光学性质研究方面有极为广泛的用途。 因此，利用 PCF 在光通信中可以进行高功率传输、超宽色散补偿、短波长光孤子传输，发生、实现超短脉冲的激
16、光器和放大器、高功率 PCF 激光器、极短拍长的偏振保持光纤、光纤传感器和光开关等。PCF使单模工作波段向短波长方向扩展，这为密集波分复用系统 (DwDM)中增加复用的信道数提供 了充足的波长资源。PCF 的潜在应用还包括高灵敏度光谱分析、非线性光学传感、可调谐 PCF、PCF 耦合器等。 PCF 一方面具有传统光纤所没有的新特性，但是另一方面，PBGPCF 传输损耗过大却是一个问题。传输损耗的主要原因是空孔及其表面的杂质所引起的吸收损耗，从而成为实用化的障碍。从理论分析和实验寻找减小传输损耗的方法，是今后 PCF 研究的一大方向。在理论研究方面，如何用准确的理论模型精确、可靠的分析 PCF 的结构参数与特性参量间的关系，从而预测和控制 PCF 的特性，并指导实验，是今后理论研究的主要任务。在样品和产品的研制上，如何借鉴一些成熟技术，如半导体超晶格的生长工艺、传统光纤制造技术等，并开发新的
