光子晶体光纤的简介及其应用

【摘　要】光子晶体光纤(PCF)具有很多在传统光纤中无法实现的特性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，并在近年内取得了重大的进展。本文阐述了PCF的导光原理、分类及其在光纤通信中的应用。

【关键词】光子晶体;光子晶体光纤；光纤通信

0.引言

自P.S.J.Russell等于1991年首次提出光子晶体光纤概念后，引起了各国研究机构的浓厚兴趣，揭开了光纤发展的崭新的一页。光子晶体光纤（photonic crystal fiber,PCF）是基于光子晶体技术发展起来的新一代传输光纤。它是在普通石英光纤中沿轴向方向周期性排列空气孔，端面呈二维周期性的光子晶体结构，由于光子晶体具有光子带隙频带，如果在光子晶体中引入缺陷，则在禁带中引入缺陷模式，使光能够在缺陷内传播。因此，与普通单模光纤不同，PCF又称为多孔光纤(holey fiber,HF)或微结构光纤(microstructure fiber,MSF)。1996年，P.S.J.Russell和J.C.Knight等首次在实验室成功制备了第一根光子晶体光纤。

1.光子晶体光纤的导光原理

相对传统光纤而言，光子晶体光纤具有完全不同的光波传播原理。它利用光子晶体所具有的光子频率禁带特性，将特定频率的光波强烈地束缚在纤芯内进行传导，光纤弯曲或折叠状态对光波的影响非常小，几乎在所有的传播波长处都能够保持单模运转，且其零色散波长从传统光纤的红外波段移到了可见光波段[1],可将光通信波段从1.3~1.6um扩展到整个可见光波段，这对光纤通信领域而言无疑是一种莫大幸事。另外，光子晶体光纤具有极强的非线性效应，在低于传统光纤三个量级的脉冲峰值功率下就可产生光谱覆盖紫外到红外的超连续光，这在光频率测量、极短脉冲的产生、抽运探测光谱学等领域的研究中有着极其重要的作用。此外，可制备光子晶体光纤激光器、干涉仪、带通滤波器等新型器件。还可通过向微结构空芯光纤中填充介质，实现可变的光谱衰减器、光开关和高精度传感器等，极大地扩展了光通信波段，进行快速的波长变换和光放大，从而解决光通信和光网络问题等。

2.光子晶体光纤分类

光子晶体光纤具有周期性的排列结构，它同传统的光纤在传输机理上有很大的不同，根据PCF的导光原理，光子晶体光纤可分为两种，一种是全内反射光子晶体光纤（TIR-PCF），另一种是光子带隙光子晶体光纤（PBGF）。

2.1全内反射型TIR-PCF

全内反射光子晶体光纤是依赖全内反射效应导光，纤芯折射率比包层的有效折射率高，光束在纤芯中按照改进的全内反射原理进行传输，它对包层的空气孔排列的周期性要求不是十分严格。全内反射型PCF中心有纤芯，外面空气孔呈周期性紧密排列。空气包层的有效折射率由空气和石英的比率决定，因此，可以制成不同折射率剖面的光纤。由于包层有效折射率低于纤芯折射率，光以全内反射方式在PCF中传输。由于纤芯、包层间的有效折射率差是波长的函数，归一化的传输频率可以在很宽的范围内保持不变，从而保证宽带范围内的单模传输和不同的色散特性[2]。

2.2光子带隙型光纤（PBG-PCF）

光子带隙光子晶体光纤是按照光子带隙效应(PBG)导光，即光纤包层结构由周期性排列的空气孔产生光子带隙，对频率在带隙内的光子存在带隙效应，使光只能在纤芯中传导而不能在包层中传播，它对包层中空气孔排列的周期性要求比较严格。光子带隙型光纤是由中心空气导孔和包层空气孔排列形成的周期性晶格光纤[3]。结构上与TIR-PCF恰好相反，空气孔构成的纤芯折射率小于包层折射率，导光特性也有明显差别，PBF-PCF利用包层微结构产生的光子带隙特性实现导光。

3.光子晶体光纤在光纤通信中的应用

3.1色散补偿光纤

普通色散补偿光纤的纤芯和包层之间的折射率差较小，所以其色散补偿能力差，而PCF的纤芯和包层之间的折射率差较大，所以具有很强的色散补偿能力。由于PCF的优良的色散补偿性能，使其有望代替普通的色散补偿光纤成为新一呆色散补偿光纤。

3.2作为光信号传输媒介

目前PCF已进入实验室的光纤通信系统传输试验阶段，K.Tajima等人于2003年通过改进PCF的制作工艺，制成了在1550nm波长处衰减为0.3dB/Km长度超过10Km的超低衰减的PCF，并利用他们所设计出的超低衰减的PCF成功的进行了8 10Gbit/s的波分复用传输试验，证明了PCF在实际的通信系统中使用的可行性。2004年，K.Nakajima等人利用他们所研制的A=5.6um,d/A=0.5的零色散波长在850-1550nm的超低衰减的60孔PCF进行了19*10Gbit/s的波分复用传输实验，证实了这种PCF可以在850nm波段实现单模传输，并且没有明显的模式延迟。

3.3光纤激光器和光纤放大器

通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为1～1000um的PCF，使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G.652光纤具有更大的优势。2000年，英国Bath大学的Wadsworth和Knight等第一个试验报道了连续的掺镱光子晶体光纤激光器，实验中泵浦功率为300mw，耦合效率为40%时，最大实现了18mw的激光输出，激光阈值小宇10mw[4]。

除此之外，已经取得研究进展的光子晶体光纤与光纤通信的相关应用还有连续谱发生器、拉曼放大器、光纤光栅等。在光纤通信领域中，光子晶体光纤具有传统光纤无法比拟的优越性，尤其是在长途通信系统中。

4.结束语

光子晶体光纤的发展时间尽管比较短，但是它的全新结构、奇异的导光机制、优越的导模特性以及优异的设计自由度给光纤通信及相关的技术领域提供了一个非常广阔的发展平台,围绕着光子晶体光纤的制作技术和光子晶体光纤器件的发展，将给光子学与光子技术带来深刻的变化。光子晶体光纤具有普通光纤不具有的优势，它的出现打破了传统光学的束缚，成为多个领域中研究的重点课题，从光子晶体光纤目前具有的特性及应用范围来看，它必将给光通信技术注入新的活力。光子晶体光纤代表了成熟的光纤技术的飞跃性的突破，这种新型的光纤和由此衍生的光器件以及其精巧的微结构和独特的性能将在光通信领域带来心的技术革命，并随着更深入的研究，将更广泛地影响着光电子时代。

【参考文献】

［１］Mogilevtsev D,Birks T A,Russell P S J.Group-velocity dispersion in photonic crystal fiberers.Optics Letters,1998,23(21):1662-1664.

［２］马锡英.光子晶体原理及应用.北京:科学出版社,2010.

［３］K.Tajima,et al.Ultralow loss and long length photonic crystal fiber[J].Lightwave Tech,2004,22(1):7-10.

［４］关铁梁.光子晶体光纤[J].激光与光电子学进展,2002,39(10):36-39.

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