全内反射光子晶体光纤

TIR-PCF与常规光纤较为相似。尤其是当包层空气比例很大时,其模型可看成是纤芯直接置于空气环境中, 这与无包层的原始光纤非常类似。但是,TIR-PCF具有常规光纤所不能比拟的特性。

TIR-PCF的制造材料是SiO2 ,无需掺杂。因为其不是通过掺杂量来调节包层和芯层的相对折射率,而是借助改变包层空气比例使其有效折射率发生相应改变。TIR-PCF包层结构根据SiO2棒的堆放方式不同可以是三角形或蜂窝形,但制做工艺类似。

以三角形结构为例, T IR-PCF的制做过程一般可分为3步: 1) 在SiO2棒上钻一定半径的通孔,然后在棒的外表打磨出规则的六边形从而构成六边形基本单元(预制棒) ; 也有不打磨六边而直接用来拉制的。2) 预掉棒在光纤拉制塔中在大约2 000℃条件下拉成细棒;然后按长度切成段,堆积成需要的晶体结构; 接着细棒堆再放入塔中拉制,此过程中细棒堆熔合在一起,同时棒间距不断减小。3) 熔合后的棒堆被拉制得到最终的光纤。

1996年英国的J. C. Knight 等人[ 1]报道了具有很宽单模波长范围(至少458~ 4 550 nm)的T IRPCF,随后又提出了"无穷单模光子晶体光纤"的概念,并通过有效折射率和有效归一化频率的概念对宽范围单模特性作出了解释。

与普通保偏光纤相似,通过改变包层的结构参数可以制做具有高双折射效应的PCF。最近理论上设计的一种PCF双折射度可达10- 3。它仍然采用高折射率无孔纤芯,包层周期性多孔的结构,但为了引入双折射,增大了中心附近的2个孔径,并同时减小这2个孔的距离(从Λ1变为Λ2 )。考虑到包层结构参数的随机性,光纤中不但有主动引入的双折射,而且还有非主动引入的双折射,后者将影响整个光纤的双折射性能。结果发现, 1) 当结构尺寸Λ1 比真空中波长λ的2倍小时,主动引入的双折射可达10以上; 2) 虽然主动引入的双折射很大,但是包层参数的随机性引入的双折射也不小。实际所得到的双折射PCF表现出很强的双折射,基于偏振模差拍的频谱测量所得到的拍长在1 540 nm处约为4 mm,即3. 85× 10- 3。

SiO2 材料的非线性效应很低,非线性光纤器件的典型长度在1 km的量级,这不适于实际应用。考虑到SiO2 材料和空气的折射率差很大,如果增大包层孔径或减小孔间距,就可以得到大的数值孔径和相应的紧密束缚的模场。这样可以利用PCF光纤技术来减小模场面积,即增大光纤的非线性,从而使PCF同时具备强非线性和快速响应的特性。常规光纤有效截面积在50~ 100μm2 量级,而PCF可做到1μm2 量级, 所以各种典型非线性光纤器件如克尔光闸, 非线性环形镜( NO LM)等就可以做成比普通光纤的短100倍。同时PCF的色散特性使得短波非线性过程可以在低色散条件下进行,从而实而能实现短波孤子传输、白光超连续谱等非线性应用。

光纤的自相位调制( SPM)会产生新的频谱分量,而频移量与入射光的峰值功率成正比,所以频移量反映了入射光的强度。当经SPM作用后的光脉冲信号通过与入射信号光中心频率有一定频移(与信号脉冲的非线性频移相应)的带通滤波器时,则只有峰值功率足够大的脉冲所产生的SPM频移分量才会落在滤波器频带范围内,否则无法通过。PCF的高非线性系数使得单位功率的SPM频移量增加,据此可用来制做2-R再生的光开关。

随着光纤激光器的高功率化，在传输过程中光纤所遇到的非线性效应和材料损伤问题在一定程度上限制了大功率光纤激光器的发展。扩大光纤中的模场面积是一种能够有效避免这些问题的直接手段。对传统的光纤结构而言，要实现大模场，一定程度上需要获得更粗的纤芯直径。为了保证光束质量，输出光需要保持单模或近似单模特性。由光纤光学理论可知，单包层光纤的模式数量与归一化频率V 正相关，仅当V<2.405时，光纤才可实现单模输出，而V 正比于纤芯直径a 和纤芯包层相对折射率差(n2 core-nclad2)1/2，反比于导波波长λ，其中nclad为包层有效折射率，ncore为纤芯折射率。因此，增加芯径a会使归一化频率V 增大，这为单模特性的保持带来了困难。针对该问题主要有两种解决方案:一是将尺寸较大的多模光纤单模化，即通过各种高阶模抑制手段(如弯曲选模，光锥选模，增益控制，新型手型耦合光纤，模式转换等)来降低高阶模的影响;二是在保证光纤单模特性的同时，扩大其模场面积，即通过特殊设计光纤截面折射率分布来优化模场分布，基于该思路的代表性设计为光子晶体光纤(PCF)。PCF有较大的人工设计空间，通过控制其微结构参数即可对模场面积、色散特性、数值孔径、偏振特性等进行针对性优化。而且，PCF在几何上与普通光纤一样具有轴向平移不变性，可通过堆叠拉丝和钻孔法获得，其制造工艺在近些年来又有一些新的发展。此外，PCF的构造材料相对单一，最简单的空气孔PCF可仅由硅玻璃一种材料构成，其机械特性、热力学特性等更加良好，使其成为目前优化光纤模场分布研究方向的热点。

光子晶体在光纤领域的研究已多年,主要研究内容是具有高折射率的周期性微结构光纤,最典型的是在SiO2 材料环境中的周期性气孔结构,通常被称为光子晶体光纤( PCF)。 光子晶体光纤(PCF)又称为多孔光纤(Hole fiber),它由纯SiO2 和空气孔构成, 其横截面是沿轴向周期性均匀分布的圆空气孔, 在芯区位置周期性被破坏形成缺陷, 光就可以沿缺陷传播。PCF 可以分为两类:全内反射光子晶体光纤(TIR-PCF) 和光子带隙PCF 。通过对PCF 的结构进行设计可以获得许多独特的特性:无截止单模特性、模式双折射以及高非线性特性等。PCF 独特的色散特性可以应用于色散补偿、脉冲压缩、光孤子形成和受激拉曼散射增强等方面, 正成为研究热点。高双折射PCF 将应用于制作高性能的保偏光纤和光子器件的偏振保持等领域。

它可以分成2类: 第1种具有高折射率纤芯(如SiO2 ) ,二维光子晶体结构包层,一般与纤芯是同种材料,特性类似传统光纤,纤芯折射率比包层的有效折射率高, 导波方式与全反射( TIR)原理类似而并不依赖光子禁带效应( PBG) ,所以称为全内反射光子晶体光纤( TIR-PCF) ; 第2种的包层结构表现出PBG效应,从而把光束缚在纤芯区域,称为光子禁带光子晶体光纤( PBG-PCF)。真正的PBG-PCF直到最近才被实验证实,而TIR-PCF早已被制作出来并对其开展了广泛的研究。

自然界中也不乏存在很多光子晶体结构，比如 SiO2沉淀而成的蛋白石(opal)、蝴蝶翅膀和蠕虫的刚毛，蛋白石是由二氧化硅纳米球堆积而成，其结构存在周期性而具有光子带隙，由于带隙位置不同，不同频率的自然光被反射。蓝蝶翅膀上如彩虹般的蓝色光辉在半公里外就能看见，因为其角质层分立的层状结构形成了光子带隙，它斑斓的色彩是选择性反射日光的结果。蠕虫刚毛的横截面是一种六角光子晶体结构，整个长度可看成是一个伪光子晶体光纤。该结构具有高度的空间周期性，含有部分光子带隙，可横向观察到彩虹膜。

光子晶体根据周期结构的空间性划分，可以分成 1D 光子晶体、2D 光子晶体和3D 光子晶体三种类型， 在一维光子晶体中，某一方向的折射率呈周期分布，一定频率范围内的光在这一方向被严格禁止，而在折射率均匀分布的其它两个方向任意传输;在二维光子晶体中，频率范围内的光禁止在折射率呈周期分布的任意两个方向传播，而在另外一个方向上，其折射率均匀分布光可任意传输;三维光子晶体中，三个方向的折射率均呈现周期分布，一定频率范围内的光禁止传播。在传感和通信领域广泛应用的Bragg 光纤光栅就是一维光子晶体的典型例子。Thomas Krauss 在 1996 年拉制成功光学尺寸上第一个二维光子晶体光纤。1991 年首个人造三维光子晶体是由Yablonovitch 制作成功的，该光子晶体处于微波波段。

此后，众多的专家和学者开展了大量的实用技术研究，不断完善和提高理论分析与制造工艺，设计并制作出各种具有优良性能的新型光子晶体器件，如:高 Q 值1D 2D3D 微腔、通道复用/解复用器、线性波导、光开关、光放大器等，成为了近年来光学与光电子学研究的新热点。

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。