高非线性光子晶体光纤1光子晶体光纤概述

光子晶体的概念最初由 E.Yablonovitch 和 S. John 于 1987 年在分别研究如何抑制自发辐射及光子局域时同时提出，它是一种折射率随空间周期性变化(变化周期一般在光波长量级上)的新型光学微结构材料。经过人们不懈的理论研究和实践创新，到目前为止，光子晶体技术已成功应用于光传输，集成光学以及光信号处理等众多领域，并从根本上改变了人们对光子器件的认识，有力地促进了光子器件的微型化和集成化，使"全光子化"的信息处理成为可能。正因为如此，1999 年 12 月 17 日光子晶体被《Science》杂志评为全球十大进展之一。

光子晶体最大的特征是光子带隙效应:与半导体材料中周期性排列的原子结构相似,光子晶体由介电常数周期性变化的两种不同介质材料构成, 介电常数的周期性排列产生了一定的"势场"，当两种材料的介电常数相差足够大时，在介质界面上会出现布拉格散射，光波在其中传播时将会受到调制而形成能带结构，这种能带结构就叫做光子能带(Photonic Band)。光子能带之间可能出现的带隙即为光子带隙(Photonic Bandgap，PBG)，能量落在带隙中的光将被禁止在光子晶体中传播，因为光子带隙中的态密度为零。两种介质材料的介电常数比(或折射率比)越大，布拉格散射越强烈，就越有可能出现光子带隙。光子晶体的另一个重要特征是光子局域:如果在光子晶体周期性结构中引入某种缺陷，和缺陷态频率吻合的光子可能被局域在缺陷位置或只能沿缺陷位置传播。光子晶体引入点缺陷形成微腔、引入线缺陷形成光波导、引入面缺陷则形成一个完全镜面。

光子晶体光纤就是在二维光子晶体纤维的长度方向上制造线缺陷，从而能够导光的波导。与普通的光纤不同，在光子晶体光纤中石英玻璃(或其它材料)纤芯或(和)包层中沿轴向规则排列着许多周期性微气孔，这些气孔阵列(类似于晶体中的晶格)构成"晶格常数"为光波波长量级(约几百纳米)的二维光子晶体结构(圆形气孔的半径一般小于晶格常数)，晶格的排列形状主要有三角形、六边形、正方形、长方形、蜂窝形以及其它规则形状等，其中以三角形和六边形最为常见。广义的光子晶体光纤还包括一维光子晶体光纤，即在圆形光纤纤芯的外缘交替地分布折射率高低不同的多层介质环，外环高低折射率介质的厚度远小于光纤纤芯，又有环形光纤及环形布拉格光纤之称。

光子晶体光纤根据导光机理可以分为两大类:

第一大类是全内反射型光子晶体光纤(Total Internal Reflection PCF, TIR-PCF)，也称为高折射率纤芯光子晶体光纤(High-index Core PCF)或折射率导光型光子晶体光纤(Index-guiding PCF)。其导光机理定性地理解为:造成周期性缺陷的纤芯折射率(一般是石英玻璃)与周期性微结构包层的折射率(含气孔的单元)之间存在一定差异，从而形成类似于常规光纤的芯/包折射率分布结构而使光能够在纤芯中传播，因此这种结构的光子晶体光纤导光机理依然是全内反射，但与常规光纤有所不同，由于包层中包含有空气孔，所以这种机理称为改进的全内反射。

结合具体的结构实现形式和光学特性，这一大类光子晶体光纤又可以分为四个子类:高数值孔径光子晶体光纤(High Numerical Aperture PCF,HNA-PCF)、大模场光子晶体光纤(Large Mode Area PCF, LMA-PCF)、高非线性光子晶体光纤(Highly Nonlinear PCF, HNL-PCF) 和气孔改性光导纤维(Hole Assisted Lightguide Fiber,HALF)。 第二大类是光子带隙型光子晶体光纤(Photonic Bandgap PCF, PBG-PCF)，也可以称为带隙波导型光子晶体光纤(Bandgap Guiding PCF, BG-PCF)。其导光机理定性地理解为:包层中的小孔点阵结构形成具有二维光子晶体结构，它对一定波长的光形成光子能量禁带，限制了该波长的光传输，而纤芯的特定结构对于包层而言是显著的结构缺陷，使包层形成的光子能量禁带发生分裂形成类似于电子能带理论的能隙，容许该波长的光子在纤芯中沿轴向方向传输，而平行小孔点阵的方向很难传输。虽然在这类光子晶体光纤中不能发生全内反射，但包层的小点阵结构就像一面镜子，这样光就在许许多多的小孔和石英玻璃界面多次发生反射，光被限制在纤芯之内传输。

这类光子晶体光纤也可以分为三个子类:空心带隙光子晶体光纤(Air Guiding PCF, AG PCF 或 Hollow Core PCF, HC PCF)、低折射芯区光子晶体光纤(Low Index Core PCF, LIC PCF)和实心蜂窝光子晶体光纤(Solid Core Honeycomb PCF)。 光子晶体光纤横截面上空气孔的引入使得光子晶体光纤具有许多"奇异"的光学传输性质。这些特性包括:无尽单模特性、灵活的色散特性、高双折射、增强的非线性特性、大数值孔径、大模场面积、PBG 光子晶体光纤的空心传输等等。其潜在的应用包括超宽色散补偿、短波长光孤子传输发生、光纤传感、极短拍长的偏振保持光纤、光子晶体天线、光学集成电路、超短脉冲激光器放大器和光开关;当掺进非线性介质时, 还可望用于光开关、光限幅、光双稳和光倍频等等。通过设计更加复杂的结构和使用不同的材料,还会有更多的用途。光子晶体光纤已成为近期纤维光学研发领域内比较热门的课题之一。

高非线性光子晶体光纤一般有两种:一种是纤芯较小，孔洞较大的网状多模光纤，另一种纤芯稍微大些，孔洞较小，工作在零色散波长处的单模光纤。 单模的高非线性光子晶体光纤比孔洞较大的多模的高非线性光子晶体光纤相比具有一些更好的特性:单模HNL-PCF空气孔洞较小，因此与传统光纤的熔接较容易一些;聚焦在单模HNL-PCF包层区域的光不能传播而使其易于实现自由空间光耦合;另外单模HNL-PCF严格的工作在单模状态。虽然单模HNL-PCF具有许多优点但是其非线性系数一般不高，研究发现多模HNL-PCF可获得更高的非线性系数，因此使用较广。高非线性光子晶体光纤一般指的是多模HNL-PCF。

普通石英单模光纤的非线性系数为1.11 1 WKm,而高非线性光子晶体光纤由于光被周期性的空气微孔阵列严格地限制在纤芯中,其非线性系数是普通石英单模光纤的几十至几百倍,甚至高达245WKm。因此,在PCF中用脉冲泵浦峰值功率低于次千瓦量级(比常规非线性光纤所需的注入脉冲激光功率低1~2个数量级)的激光脉冲,可以产生较大的非线性频率变换和双倍程的超连续光谱。另外, PCF 的色散特性具有较大的设计灵活性,适当调整光纤的结构参数可以获得较平坦的色散特性。同时由于包层与纤芯较大的折射率差，使得波导色散增加，零色散波长可以移至短波长波段。具有高非线性系数和可控的色散特性的高非线性光子晶体光纤的已被广泛应用于光通信、全光再生、光相干层析及光频率测量等领域。

国际上对高非线性光子晶体光纤的研究主要包括:理论模型及光学传输特性的研究;制备工艺及其与传统光纤熔接技术的研究;以及基于高非线性光子晶体光纤的各种有源、无源器件的研究等。下面分别介绍高非线性光子晶体光纤在这些方面的一些最新研究进展。

从1998 年起，开始有大量关于光子晶体光纤理论分析的文章发表，其中包括著名的《Science》，《Nature》等期刊，而美国光学学会更是在2001年12月在Optics Express 上以专刊的形式发表了一期关于光子晶体光纤的论文。这标志着光子晶体光纤成为世界的前沿热点研究之一。

最早出现的分析光子晶体光纤的理论模型是等效折射率模型(Effective Index Model)，随后平面波法(Plane Wave Method)也被发展用于光子晶体光纤的计算。接着出现了基于双正交基的全矢量模型，光束传播方法(Beam Propagation Method)，正交函数方法，多极方法(Multiple Method )，傅立叶展开方法(Fourier Decomposition Algorithm)，多重互易边界元方法(Multiple Reciprocity Boundary Element Method)，以及一些电磁场计算的常用方法如:有限元法(Finite Element Method)，有限差分法(FDTD)等等。

在分析光子晶体光纤的传输特性时，如果光子晶体光纤中的空气孔较小或不考虑模式的偏振特性时，可以采用标量法或半矢量法。而要准确分析关于光子晶体光纤传输特性如:色散特性、偏振特性(双折射)、高阶模等，就必须考虑波动方程中的矢量项，采用全矢量法。

等效折射率模型中采用了元胞近似，并且忽略了电磁场的矢量特性，是一种标量的分析方法，在某些情况下得到的结论准确度不高。平面波方法是分析光子晶体能带结构的标准方法，也可以将其应用于分析光子晶体光纤，缺点是计算量较大。多极方法得到的计算精度很高，但目前还只能处理空气孔为圆形的情况。此外有限元法及时域有限差分法等电磁场常用的计算方法精度很高，但是计算时所需的内存量很大。国际上对光子晶体光纤的理论研究主要包括:新模型、算法的提出和发展;对光子晶体光纤的光学传输特性分析;设计新型光子晶体光纤结构以满足特殊的光学特性等。

国际上有许多研究组在对光子晶体光纤的制备工艺进行研究，但还没有关于光子晶体光纤制备关键工艺的报道。光子晶体光纤的制备一直是该领域的一个难点。一般最为常用的方法是管棒堆积多次拉丝工艺，将石英管和芯棒按照预期设计的周期性结构堆积并熔合成形，然后经过多次拉丝制备光子晶体光纤，工艺过程具体参数需要根据光子晶体光纤设计来确定。

光子晶体光纤制备工艺的一个关键问题是如何降低损耗。近几年快速发展的光子晶体光纤制备工艺已经使得制备低损耗，复杂结构的光子晶体光纤成为可能。光子晶体光纤目前已基本商用化，但是制备光子晶体光纤的关键技术只被国际上少数几家研究单位所掌握，如丹麦的Crystal Fiber，英国的Bath大学，日本的NTT实验室等。因此商用化的光子晶体光纤的价格非常昂贵，一般每米的价格从几十美元到几千美元不等。而国内的多家研究单位在光子晶体光纤制备工艺方面还没有取得突破性进展。长飞光纤光缆有限自2002年开始进行该特种光纤制备工艺的初步探索，目前在光子晶体光纤制备工艺方面已取得突破性进展，掌握了光子晶体光纤制备的关键技术。 高非线性光子晶体光纤技术不能获得广泛应用的另一个关键因素是光纤的熔接技术不成熟。光子晶体光纤非线性光学系数越大,有效模场面积(或芯径) 就越小，与传统单光纤的耦合、熔接就越困难。光子晶体光纤的熔接损耗与光纤的模场失配有关，熔接过程中空气孔中会有水气等的凝结污染，会影响到接头的损耗和寿命。如何方便有效地进行光纤熔接是目前急待解决的关键问题。

当强激光脉冲与非线性介质发生作用时,各种不同频率相互作用就产生了新频率的激光,这种相互作用越强,产生的频谱展宽越宽,从而生成一定波长范围的宽带光谱,即超连续光谱。超连续光谱的宽度由非线性介质的色散和输入激光脉冲的强度决定,为了产生较宽的超连续光谱,通常将非线性光纤的零色散波长设计在注入脉冲波长附近。超连续光谱在光通信、超短脉冲压缩、激光光谱学、传感技术等方面有着极大的应用潜力。

高非线性光子晶体光纤由于具有特殊的色散和非线性特性,比一般光纤更容易产生超连续谱。通过光纤的色散特性进行特殊设计可以获得参数优化的超连续光谱。利用高非线性PCF 制备的单个宽带光源可以为密集波分复用(DWDM) 提供1000个信道的光信号。PCF产生的超连续谱也为超高分辨率的光学相干层析技术提供了理想光源。在频率计量学中,利用飞秒脉冲序列与PCF 作用产生的超连续谱已被用来制作"光频率梳"。此外，HNL-PCF可控的色散特性使得这种光纤在超快光学领域也有很大的应用价值,包括超短脉冲的受控传输、频率转换、脉冲宽度压缩等。

光子晶体光纤按照其导光机理可以分为两大类:折射率导光型(IG-PCF)和带隙引导型(PCF)。带隙型光子晶体光纤能够约束光在低折射率的纤芯传播。第一根光子晶体光纤诞生于1996年，其为一个固体核心被正六边形阵列的圆柱孔环绕。这种光纤很快被证明是基于内部全反射的折射率引导传光。真正的带隙引导光子晶体光纤诞生于1998年。带隙型光子晶体光纤中，导光中心的折射率低于覆层折射率。空心光子晶体光纤(Hollow-core PCF,HC-PCF)是一种常见的带隙型光子晶体光纤。光子晶体光纤主要通过堆叠的方式拉制而成，有些情况下会使用硬模(die)来辅助制造

折射率引导型光子晶体光纤具有无截止单模特性 、大模场尺寸 /小模场尺寸和 色散可调特性(调节d,Λ等，无须掺杂)等特性。被广泛应用于色散控制 (色散平坦，零色散位移可以到800nm)，非线性光学 (高非线性，超连续谱产生)，多芯光纤 ，有源光纤器件(双包层PCF有效束缚泵浦光)和光纤传感等领域。

空隙带隙型光子晶体光纤具有易耦合，无菲涅尔反射，低弯曲损耗、低非线性和特殊波导色散等特点被广泛应用于高功率导光，光纤传感和气体光纤等方面。光子晶体光纤的发展为光纤传感开拓了广阔的空间，尤其是在生物传感和气体传感方面为光纤传感技术带来新的发展。