1 光子帶隙光子晶體光纖
光子帶隙光子晶體光纖,它對包層中空氣孔排列的周期性要求比較嚴格。這類光纖是由晶格常數為光波長量級的二維光子晶體構成的,即規則排列著空氣孔的矽光纖陣列構成光纖的包層,光纖的核心是由一個破壞了包層結構周期性的缺陷構成,缺陷一般是空氣孔,對於核心為空氣孔的情況,通過作為包層的二維光子晶體的布拉格衍射,一定波長的光被俘獲在作為核心的空氣孔中,對於這種結構的光子晶體光纖,導光機制不可能是全內反射,因為沒有任何一種固體材料的折射率低於空氣的折射率,它與傳統光纖中的全內反射傳導光的原理不同,是通過光子帶隙導光的。
PBG-PCF對包層中氣孔的排列及尺寸要求非常嚴格形成光子禁帶,它同樣具有普通光纖所不具備的一些優越特性,低損耗、低非線性、可控色散特性、可控折射率、低彎曲損耗等。
2 帶隙型光子晶體光纖的研究進展
帶隙型光子晶體光纖的概念最先是由英國Bath大學的Russen於1991年提出來的,他認為通過二維光子帶隙可將光禁閉在空氣中,從而可以實現光在空氣中傳播的光纖;1995年,BirkS從理論上證明了二維平面外傳播的光子帶隙是能夠存在於像玻璃和空氣這樣的低折射率差(1.45:1)的結構中;1998年,Knight等人首次研製成功蜂窩狀結構的帶隙型光子晶體光纖,但模擬顯示大部分場能存在於玻璃區域,非線性效應大,並未實現真正意義上的利用帶隙在空芯中導光的的想法;1999年,Cregan等人設計製作了第一根具有光子帶隙效應的空芯光子晶體光纖,不過光纖損耗特別大,到2005年,損耗已經降到了0.75dB。光子晶體光纖的研究內容非常豐富,主要包括如下幾個方面的研究:帶隙型光子晶體光纖原理的進一步研究和認識;帶隙型光子晶體光纖的色散,損耗,非線性等特性的研究,光子晶體光纖的拉制工藝和材料的研究;光子晶體光纖設計自由度大,工藝和材料的多樣化,光子晶體光纖可以由三角形晶格、正方形品格、六角形晶格、八邊形晶格、Kagome晶格、改進的蜂巢晶格等多種結構排列。光子晶體光纖的套用研究也相當廣泛,包括:在空芯光子晶體光纖中利用雷射束懸浮和操縱微粒;光子晶體光纖感測套用;光子晶體光纖在通信中的套用;光子晶體光纖在量子光學中的套用;光子晶體光纖在醫學中的套用。其中光子晶體光纖的感測技術是光子晶體光纖最重要的套用之一。光纖感測是以光波為載體,光纖為煤質,感失傳輸外界被測信號的新型感測技術。光纖感測技術因具有靈敏度高、體小質輕、外形改變靈活、抗電磁干擾、抗腐蝕性強等特點,自出現之日起就廣泛套用於社會的多個領域。近年來新帶隙型光子晶體光纖的出現在促進光通信技術發展的同時,其感測特性也顯現出很好的套用前景。對帶隙型光子晶體光纖感測特性的深入研究將會極大提升光纖感測技術並推動其套用進展。雖然光子晶體光纖設計自由度大、相對於傳統光纖具有很多獨特的優點,但離廣泛套用還有一定的距離,光子晶體光纖的全面實用於市場還有一段路要走。光子晶體光纖尤其是帶隙型光子晶體光纖還有許多問題處於探索性和實驗階段。光子晶體光纖的製備和檢測等方面都有待成熟和完善。
帶隙型光子晶體光纖的晶格常數為光波長量級,其包層由嚴格規則排列著的空氣孔的矽光纖,包層為二維光子晶體。光子帶隙光纖是利用光子帶隙效應來導光的,因此該種光纖與傳統光纖相比具有許多新奇的特性,諸如極低的非線性、低瑞利散射,寬廣的低損耗視窗、靈活的色散設計,光纖端面低菲涅耳反射,低彎曲損耗等等。故光子帶隙光纖出現就引起人們廣泛的興趣,正在被人們套用於眾多的領域。
光子帶隙光子晶體光纖(PBG-PCF)導光原理
帶隙型光子晶體光纖的晶格常數為光波長量級,其包層由嚴格規則排列著的空氣孔的矽光纖,包層為二維光子晶體。光纖中心引入缺陷態可以為空氣孔也可以為其它介質,使光子晶體的周期性結構被破壞,即在光子晶體的二維帶隙中產生一個缺陷態,作為傳光的通道。在空氣導光型PCF中,由於光子帶隙效應,光被嚴格限制在纖芯中傳播,從而實現了光在低折射率的空氣中傳播。
由光波導原理,我們知道光波的波矢量縱向分量氣,也就是傳播常數刀是決定該光波導能否在某種材料中傳輸的關鍵,只有當刀小於材料的折射率乘以正空中的波數時,光波刁`能在該材料中傳輸,否則是消逝的。
3 光子帶隙光子晶體光纖典型結構
1)蜂窩狀光子帶隙型光纖
在光子晶體光纖的發展中,真正利用光子帶隙效應實現光導入是在1998年由Knight等人完成的,他們研製的蜂窩狀光子帶隙光纖,蜂窩狀的包層結構較三角形結構容易在較小的孔中形成帶隙。數值模擬顯示,大部分場能存在於二氧化矽區域中,這就導致非線性效應相當大。與全反射型PCF相比,在空氣孔中有相對較大的能量傳輸,其色散特性也不盡相同。這種光纖相當大一部分場能存在於空氣孔中,可用在感測方面,也可以通過摻雜形成低折射率芯,從而改變傳輸視窗和色散特性,可實現可見光處的單模光纖、零色散波長。這一點對於傳統光纖來說是很難實現的。
2)空芯光子帶隙光纖
對於空氣孔按三角形排列的光子晶體光纖,如果氣孔尺寸足夠大的話,在折射率低於包層有效折射率的纖芯獲得PBG是有可能的。1999年空芯光子帶隙光纖被拉製成功,空芯光子帶隙光纖由三角形排列的空氣孔組成,是將中心抽掉7根或19根毛細管空氣孔形成大的空氣芯缺陷,落入帶隙內的光在纖芯空氣孔中傳輸,因此稱其為空氣導光型或空芯光子帶隙光纖,它能將模場能量的90%以上局限在空氣區域中,這種光纖的損耗和非線性效應將非常小。但是事實上由於包層的有限層出現泄漏損耗以及製造工藝的不完善,光纖的芯模和包層模間存在強烈的禍合,從而大大增加了光纖的損耗,到目前為止所報導的最低損耗是0.75dB/km。這種結構決定了光波更容易注入光纖,而且導入光與纖芯材料的相互作用受到抑制,與傳統光纖相比,傳遞功率有大幅度提高且無色散效應,這對於光纖通信系統中保證信號強度以及保真度是非常重要的。但傳輸視窗窄,也可實現單模傳輸但並不像折射率型光纖一樣容易實現。用該種光纖可做高能傳輸,粒子輸運和感測元件,高靈敏度氣體感測,高色散特性可用來在光通信中做可調器件。
3)高折射率棒光子帶隙光纖
從2002年開始,一種新型的PBG光纖開始受到高度關注。這是一種較新型的光纖,包層結構類似於折射率型光纖,不同的是原來空氣孔的位置現在被高折射率材料所替代,例如某種液體或者聚合體。在中心的二氧化矽缺陷形成一低折射率芯,通過光子禁帶效應捕獲導模,將光波限制在其中。這種光纖的特性受高折射率填充材料的影響很大,對於溫度、外加電場等參數化非常敏感。近來的研究顯示,帶隙導光機制可以在折射率差僅為0.02的材料中實現,因此可通過二氧化矽中摻鍺來製造的實體二氧化矽帶隙光纖。因此在製作實心矽PBG-PCF時不用在材料中引入空氣孔。
4)布拉格光子帶隙光纖
除了基於二維光子晶體包層結構的PBG光纖之外,有一種結構完全不同的PBG光纖,稱布拉格光纖。也是一種利用包層光子禁帶效應導光的光纖,不同的是其包層為徑向折射率高低周期性分布的介電結構,相當於一維光子晶體。通過數層折射率不同的同心圓形介質的多層反射,光被限制在中心的空氣孔中。Bragg光纖於1978年首次提出為了得到這種理想的限制效果,包層相鄰兩層介質必須有很大的折射率差,這給製作工藝帶來了困難,因為所需材料必須是折射率不同而熔點和流動性相同,符合這種要求的材料很少。2002年製造,這種光纖為多模運轉,包層材料的吸收損耗大,雖然通過擴大中心孔的區域一可以大大降低損耗值,這將導致出現多模運轉,光纖的色散係數非常大,這一特點有利於進行色散補償。
4 光子帶隙光子晶體光纖的工藝製作
英國Bath大學的5T.J.Russen等人制出了第一根光子晶體光纖,當時由於製造工藝粗糙,光在該光纖中的損耗很大,後來人們採用多種方法去製取光子晶體光纖,PBG-PCF的製造需要多個工藝步驟,一般採用傳統的堆積法.
1)以直徑為5~的石英棒和石英管為原料,在石英管的外表打磨出規則的六邊形從而構成六邊形基本單元(預製棒),也有不打磨六邊而直接用來拉制的,在2000℃左右的光纖拉絲塔內拉伸成lrnrn微細棒或管;
2)然後按長度切成段,堆積成需要的晶體結構,中心抽掉若干根微細管形成PBG-PCF纖芯,再集束成預製棒;
3)接著細棒堆再放入塔中拉制,此過程中細棒堆熔合在一起,形成最終所需的
這樣製得的光纖包層具有嚴格精確周期性排列氣孔的介電結構,沿著光纖的截面方向上存在著光子帶隙。實際上,在拉制過程中,通過加熱升溫使玻璃軟化,拉制光纖,而同時保持毛細管的結構和相對位置不變化比較困難。特別是當拉制薄壁毛細管堆積的預製棒,拉制大空氣填充率的PCF時,這種結構不一致的現象更容易發生。為了保持較好的光纖結構,可以在拉制過程中採取一些改進措施,如在預製棒上端加上一個氮氣流,在其下端使用抽空機對其抽氣,以使預製棒內氣壓保持恆定並且與外界大氣壓接近。其次,在預製棒製造過程中,要保持環境高度的清潔,雜質既影響PBG-PCF的傳輸特性也會降低其抗拉強度,而且空氣包層PCF的抗拉強度僅僅為實心石英光纖抗拉強度的一半。而對於光子帶隙型光子晶體光纖,其結構的周期性要求更為嚴格, 所以採用普通的堆積法勢必會有很大的困難。目前,光子晶體光纖的製作方法仍處於研究和不斷改進之中。由此,相應而產生了多種新穎的製備方法,如酸腐蝕法以及擠壓法等。對於各種PCF的製備方法,它們都有自己的優點、不足以及適用的範圍,這為各種規格的PCF的製備帶來了很大的方便。
由於工藝複雜,光子晶體光纖的價格也非常昂貴。市面上的光子晶體光纖大部分生產于丹麥,銷售價格在每米幾百到幾千美元不等。國外很多大學和科研單位,如英國的南安普頓大學的光電研究中心等均已成功研製出了光子晶體光纖。 國內光子晶體光纖的生產水平也得到了很大的發展。北京交通大學、燕山大學等大學積極開展了光子晶體光纖的研製工作,並己成功研製出了各種不同用途的光子晶體光纖。我們課題組正準備與國內公司合作拉制空芯光子帶隙光纖。
光子帶隙光子晶體光纖的重要特性
單材料,高耦合效率
與普通光纖不同,光子晶體光纖可以由單一材料製成,纖芯和包層的折射率差不會由於材料的不相容性而受到限制。PBG-PCF可由同一種材料製成,所以它的溫度和光學特性的穩定性好,也便於與傳統光纖禍合。在PBG-PCF中,光能量主要集中在空芯中傳輸,空芯中相位為常數,具有類高斯型的強度線形。由於外界和纖芯折射率差非常小,所以光被藕合進入空芯波導光纖中時幾乎沒有菲涅耳反射,因此PBG-PCF可以用來製作高效率的光藕合器件。
5 在光通信中的套用
現代光通信正向著超遠距離、超大容量的方向發展,空芯光子晶體光纖用作通信光纖極低的損耗保證了信號的長距離傳輸;高的損傷闡值和極低的非線性效應保證了高功率能量的傳輸和信號的保真度,也可能在未來的量子通信中用來傳送孤子壓縮態;全波段的單模工作為WDM系統提供了充足的信道資源;零色散波長的可控性質避免了信號的相互串擾,可在短波長處獲得大的正常色散和長波長處獲得大的反常色散,這可用於光通信中的色散補償和脈衝壓縮。另外,由於其價格目前還比較昂貴,損耗也比單模光纖大,要在近期利用空芯光子帶隙光纖代替常規單模光纖進行長距離傳輸是不可能的。但利用它做成有源器件,在光通信中,特別是波分復用(wDM)系統和全光纖系統中使用是很有前途的,比如光纖雷射器等。利用帶隙型光子晶體光纖製作通信中的光器件可顯著擴大通信容量和降低通信系統的成本。
(1)色散補償
光子晶體光纖由於其包層的獨特結構使得芯層和包層的折射率差增大,從而波導色散對光纖色散的貢獻變大,結果光子晶體光纖在可見光波段具有零色散點甚至能夠出現負色散。在純石英及傳統單模光纖中產生正常色散的波長上,在光子晶體光纖中都可以實現反常色散,基於此可以實現孤立子傳播、進行色散補償和超短脈壓縮等。Birks等人經過計算得出在通信波段一2000ps/km/nm的色散是可能實現的,據此能夠得出這種光纖可以補償其長度幾十倍的標準光纖的色散,這遠遠超過了傳統色散補償光纖的色散補償能力。光子晶體光纖的另一個突出特性就是零色散點可調,只需簡單改變光子晶體光纖的微結構尺寸,就可以在幾百納米的範圍內取得零色散。Knightlz41等研究了多孔光纖的反常色散特性,其結果顯示適當設計多孔光纖的參數就可以實現在從500nm到1300lun很寬的波長範圍內控制零色散點。PBG-PCF的色散特性依賴於包層空氣孔的尺寸、形狀和排列,因此可以根據需要通過改變包層的結構來獲得所需要的色散。可在短波長處獲得大的正常色散和長波長處獲得大的反常色散,這可用於色散補償和脈衝壓縮。
(2)孤子壓縮
光孤子是光纖中一種穩定的傳輸模式,克服了色散的制約,當光強度足夠大時會使光脈衝變窄脈衝寬度不到一個ps,有可能極大的提高了信號傳輸容量和傳輸距離。和光通信中利用光孤子壓縮態可以減少噪聲,提高信噪比,實現超大容量和超長距離傳輸。
(3)飛秒光纖雷射器
光纖雷射器中反常色散和非線性相互作用對雷射脈衝的形狀起著關鍵的作用。空芯光子帶隙光纖在帶隙的長波長處表現出反常色散的特性,同時非線性非常小接近於空氣的非線性,比傳統的單模光纖低1000倍,因此它滿足飛秒光纖雷射器自相似演化的首要條件。康奈爾大學套用物理系L如H等人['5]報導了利用空芯光子帶隙光纖的反常色散特性研製的飛秒光纖雷射器,通過調整濾波片,可以獲得自啟動鎖模,採用這種裝置能產生160fs,InJ能量的穩定、高質量脈衝。自相似脈衝在該種雷射器中的成功演化暗示了飛秒光纖雷射器中的脈衝能有可能在將來超越固態雷射器。
(4)光耦合器件
能量傳輸方面的套用對於空芯光子晶體光纖,光能量主要在空芯中傳播,當光被禍合進入空芯波導光纖中時沒有菲涅耳反射(因為外界和纖芯材料一樣均是空氣),這種光纖可以作為高效率光禍合器件,使光通信中的連線器更新換代。
