光子晶体光纤的特性、应用和发展前景

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1992年，ST.J.Russell等人将光子晶体的概念引入到光纤中，提出了光子晶体光纤(简称PCF)的概念，1996年，J.C.Knight在OFC上报道了第一个PCF样品。PCF是由单一材料和周期性排列其中的沿轴向均匀的空气孔构成的新型光纤，其空气孔的直径为波长量级。按照导光机理可将PCF分为两类：光子带隙型(PBG)和全内反射(TIR)型PCF。
本文分析了PCF的一些重要特性和相关应用,探讨了目前存在的问题和PCF发展前景。
一、光子晶体光纤的特性及相关应用
光子晶体光纤的结构特点决定了它具有许多普通光纤不具备的的性质，如支持宽波长范围单模传输，模场面积、色散的极大可控性，易于实现双折射等等。这些特性预示着它将会有广阔的应用前景。
（一）全内反射型PCF的特性与应用
1、无休止单模传输特性。TIR型光子晶体光纤最引人注目的特点就是无休止单模特性，是指合理设计的PCF可以在近紫外到近红外波段内维持单模传输。美国贝尔实验室的研究结果表明[3]，光子晶体光纤可以在500nm～1600nm范围内保持单模传输，对光纤弯曲和扭转都不能激发高阶模，而且光纤对直径小于0.5cm的弯曲损耗都不敏感。这种单模工作波段的扩展为未来波分复用系统增加信道数提供了充足的资源。
2、模场有效面积可控特性。对于传统光纤，要实现较小或较大的有效模场面积，需要对光纤的折射率分布作非常复杂的设计，对工艺的要求较高。而PCF的有效面积极大地依赖于它的结构参数，在波长为1.55μm处面积可调范围在1～800μm2。而且PCF的制作方法可以使我们很容易地改变PCF的结构参量，从而根据需要实现极高或极低的模场有效面积。
增大PCF的空气填充比，减小芯径，可以降低PCF的有效模场面积，从而增大纤芯截面上单位面积的光功率密度，结合PCF独特的色散特性，可使光纤在传输时易于产生自相位调制、交叉相位调制、三阶谐波发生、四波混频、喇曼散射等非线性效应，利用PCF的高非线性效应，可制作符合DWDM全光通信网要求的全光开关、光波长转换器、全光2R再生器等多种器件，还可以为许多量子通信系统提供纠缠光子源。普通光纤器件实现同样的功能其光纤长度一般在百米量级，而利用强非线性PCF可以降低到米甚至厘米量级。
3、色散可控特性。PCF的色散特性强烈依赖于包层空气孔的尺寸、形状和排列，据此可方便地设计PCF的色散量。已报道的高负色散系数、宽波段补偿的PCF，在1550nm处其色度色散系数最高可达?2000ps/(km?nm)，为普通DCF的20倍，并且当这种PCF的色散系数为?680ps/(km?nm)时，可在波长为1500～1600nm范围内获得极为平坦的色散斜率补偿(100±0.2%)，几乎覆盖了整个C、L波段和部分S波段，在DWDM系统中有极大的应用价值。
利用光子晶体光纤包层的特殊结构，适当增大气孔直径可使零色散点向短波方向移动。已经有零色散点在700nm附近PCF的报道，由此，PCF就可以在低于1.3μm时得到反常色散，这是普通光纤不可能得到的。利用该特性可以实现可见光波段孤子的产生与维持。目前在PCF中已成功产生了850nm光孤子，这种光纤也为制做工作在可见光波段的光孤子光纤激光器提供了可能。另外，利用这个特性还可以在低于传统光纤三个量级的脉冲峰值功率下产生光谱覆盖紫外到红外的超连续光[4]，这在光频率测量、极短脉冲的产生等领域的研究中有着极其重要的作用。
平坦的零色度色散也是光通信中令人关注的问题之一，对PCF适当调整空气孔的尺寸及纤芯的大小，可使波导色散处于反常色散区，与材料的正常色散相互补偿，制作波长从400～1600nm任何位置色散系数均为零的PCF，从而有可能将目前的光纤通信波段从1.3μm～1.6μm推至更短波长范围。
4、双折射可控特性。打破纤芯的对称结构，PCF可以产生较大的双折射。图3是日本NTT和三菱公司开发的产品[5]，d与d2的比值决定了双折射的大小。随着d/d2的减小双折射增加，使得两个垂直偏振模有较大的折射率差。NTT公司取d/d2=0.4，双折射B=1.4·10-3，比熊猫型保偏光纤的双折射高一个数量级。
与传统熊猫型或蝶结型等保偏光纤相比，高双折射光子晶体保偏光纤有很多优点：制作工艺简单；设计自由度大；可实现高双折射(传统保偏光纤双折射的典型值为5·10-4，光子晶体光纤的双折射一般可做到1·10-3，拍长可达到100mm，比前者提高一个数量级)；对温度变化不敏感。这些优势有望使高双折射PCF成为现有保偏光纤的更新换代产品。
（二）光子带隙型PCF的特性与应用。光子带隙效应传导的PCF，由于它的芯可以是空的，因此理论上它将具有非常小的损耗，而且光在空气芯中传播可以大大减小光纤的非线性，从而大大提高拉曼散射、布里渊散射等非线性效应的激发阈值。空芯PCF的这些特性使它在能量传输及需要低非线性应用方面具有很大的潜力。
由于带隙光子晶体光纤的光能量只能被局域在缺陷中传播，因此这种光纤允许出现大于直角的光路弯曲，甚至可以在弯曲曲率半径小于波长的条件下传输，因而可以在光系统中极大地降低弯曲损耗，提高弯曲状态下的传光效率。
打破纤芯的对称结构，带隙光子晶体光纤也可以产生非常高的双折射效应，可以制成高保偏光纤。把空芯换成石英材料而在它的包层中填充高折射率的对温度敏感的液体，通过改变温度可以调谐光纤的禁带宽度以及光纤的色散等，可以制作可调谐光纤器件。
二、目前存在的问题和PCF发展前景
光子晶体光纤全新的结构和导光机制，优越的导模特性、优异的设计自由度给光纤通信及相关领域提供了一个广阔的发展平台，光子晶体光纤技术必将为光子技术带来深刻的变化。然而光子晶体光纤的研究才刚刚起步，许多方面还不成熟，有许多问题尚待解决。
首先，目前PCF的损耗还比较高，虽然在理论上PCF的损耗值可以降到低于普通单模光纤的水平，即在1550nm处低于0.2dB/km，但目前PCF的损耗水平被限制在了ldB/km左右或更高的水平上。因此光子晶体光纤在实际用于长距离光纤通信之前还有许多工艺上的问题必须解决。
其次，由于PCF一些比较奇异的参数，使得它的耦合的方法与传统的光纤有着极大的不同，并且PCF的尾端需要进行密封，否则由于毛细管效应，光纤会吸人液体或者气体。因此，在PCF大规模使用之前，需要解决PCF器件和普通单模光纤耦合的问题。
最后，进一步发展描述PCF的理论模型以精确预测PCF的特性，对于PCF技术的发展具有重要意义。
总之，光子晶体光纤拥有传统光纤所不具备的特性预示了它具有广泛的应用前景，作为新兴的技术，PCF正处于迅速发展之中。
参考文献：
[1]RankaJ.K.Opticalpropertiesofhigh-deltamicrostructureopticalfibers[J].Opt.Lett,2000,25；
[2]WadsworthWJ,Ortigosa-B;anchA,KnightJCetal..Supercontinuumgenerationinphotoniccrystalfibersandopticalfibertapers:Anovellightsource.J.Opt.Soc.Am.(B),2002,19(19)；
[3]关铁梁.光子晶体光纤[J].激光与光电子学进展，2002,39(10)；