光子晶體及光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀

光子晶體光纖（PCF）由于具有傳統(tǒng)光纖無法比擬的奇異特性，吸引了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注，在短短的十年內(nèi)PCF 的研究取得了很大的進展。本文闡述了PCF的一些獨特光學性質(zhì)、制作技術(shù)及其理論研究方法，介紹了PCF的發(fā)展以及最新成果。
　　Status and Development of Research of photonic crystal fiber and photonic crystal fiberGao Xuesong, Gao Chunqing, Hu Shuling, Li Jiaze, Wei Guanghui School of information science & technology, Beijing Institute of technology 100081
　　Abstract: Due to their fantastic properties, photonic crystal fibers（PCF）have recently attracted great interests from science and industry circles. For conventional single mode fibers, these properties are unapproachable and incogitable. The study on PCF has got rapid progress in recent ten years. Some unique optical properties, fabrication techniques and the theoretical research methods of PCF are presented in this paper.

Key words: photonic crystal, photonic crystal fiber, photonic crystal fiber laser

　　1、前言

　　光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF），又稱多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖，以其獨特的光學特性和靈活的設計成為近年來的熱門研究課題。這類光纖是由在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成，通過這些微小空氣孔對光的約束，實現(xiàn)光的傳導。獨特的波導結(jié)構(gòu)，靈活的制作方法，使得PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性，有效地擴展和增加了光纖的應用領域[1]。在光纖激光器這一領域內(nèi)，PCF經(jīng)專門設計可具有大模面積且保持無限單模的特性，有效地克服了常規(guī)光纖的設計缺陷。以這種具有新穎波導結(jié)構(gòu)和特性的光纖作為有源摻雜的載體，并把雙包層概念引入到光子晶體光纖中，將使光纖激光器的某些性能有顯著改善。近年來，國內(nèi)外的很多大學和科研單位都在積極開展光子晶體光纖激光器的研究工作[2]。目前，國外輸出功率達到幾百瓦的光子晶體光纖激光器已有報道。本文闡述了PCF的一些獨特光學性質(zhì)、制作技術(shù)及其理論研究方法，介紹了PCF的發(fā)展以及最新成果。

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　　2、光子晶體光纖的導光原理

　　按導光機理來說，PCF可以分為兩類：折射率導光機理和光子能隙導光機理。

　　2.1折射率導光機理

　　周期性缺陷的纖芯折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定差別，從而使光能夠在纖芯中傳播，這種結(jié)構(gòu)的PCF導光機理依然是全內(nèi)反射，但與常規(guī)G.652光纖有所不同，由于包層包含空氣，所以這種機理稱為改進的全內(nèi)反射，這是因為空芯PCF中的小孔尺寸比傳導光的波長還小的緣故[3]。

　　2.2光子能隙導光機理

　　理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導出實芯和空芯PCF的傳導條件，即光子能隙導光理論。如圖2所示，光纖中心為空芯，雖然空芯折射率比包層石英玻璃低，但仍能保證光不折射出去，這是因為包層中的小孔點陣構(gòu)成光子晶體。當小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時，其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應光傳播，光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。最近有研究表明，這種PCF可傳輸99 %以上的光能，而空間光衰減極低，光纖衰減只有標準光纖的1/ 2～1/ 4[4]。
　　空芯PCF光子能隙傳光機理具體解釋為：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳光機理是利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空芯PCF中不能發(fā)生全內(nèi)反射，包層中的小孔點陣結(jié)構(gòu)起到反射鏡的作用，使光在許多小孔的空氣和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。

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　　當光束從介質(zhì)1進入介質(zhì)2時，光纖中光束傳輸常數(shù)β保持不變，如圖3（a）所示；如果β≤n1k0，其中k0為真空波矢量。而β>n2k0，則光束只能在介質(zhì)1中傳輸，而不能傳輸?shù)浇橘|(zhì)2中，這就是全反射情況，如圖3（b）所示[5]。

　　3、光子晶體光纖的參數(shù)特性

　　3.1空心光子晶體光纖

　　空心光子晶體光纖中的光是在由周期性排列的硅材料空氣孔圍成的空心中傳輸。因為只有很少一部分光在硅材料中傳輸，所以相對于常規(guī)光纖來說，材料的非線性效應明顯降低，損耗也大為減少。據(jù)預測，空心光子晶體光纖最有可能成為下一代超低損耗傳輸光纖，在不久的將來，空心光子晶體光纖將廣泛應用于光傳輸，脈沖整形和壓縮，傳感光學和非線性光學中。目前，已開發(fā)出多種商用空心光子帶隙光纖，波長覆蓋440nm~2000nm。