特殊用途光子晶体光纤设计与研究

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1、特殊用途光子晶体光纤设计与研究1、项目研究意义：E.Yablonowitch和S.John于1987年开创性地提出光子晶体（PhotonicCrystal）这一新概念和新材料，光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，将不同的介质材料在一维、二维和三维空间形成具有光波长量级的周期性折射率调制，通过少量的无序结构可实现光子定域。由于提出的概念太抽象，人们无法预料其应用前景，因此当时并没有得到太多的关注，直到九十年代有人想通过光子晶体使LED的自发辐射进入单一电磁模式、在三维光子晶

2、体腔内实现无自发辐射时，才激发起对光子晶体研究的浓厚兴趣。在介电常数以光波长周期变化的微结构材料中，光子的运动规律类似于晶体中电子的运动，因此有人将光子晶体称为“光的半导体”。通过晶体中特殊的缺陷结构控制光子运动，进而控制光子与物质的相互作用，实现如高效率光子晶体激光器、大角度无损耗弯曲波导、无延迟数据传输线等功能性器件，为光电集成、光子集成和光通讯系统提供关键性基础材料，至此全世界范围内对光子晶体的研究热潮全面展开。可以预见，光子晶体将在光通信、光信息储存和光电子学等信息科学方面引发革命性变革，将在2

3、1世纪信息领域扮演极为重要的角色。据此，1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。光子晶体光纤（PhotonicCrystalFibers,PCFs）是一种二维光子晶体，由许多平行的空气小孔在背景材料（如二氧化硅）中围绕位于中心位置的缺陷所形成的一种导光介质。英国Bath大学Russel教授所领导的研究小组于1995年首次成功制造出光子晶体结构的光纤，并于1999年首次进行了中空光导演示。由于其优良的特性和诱人的应用前景，之后迅速得到各国科学家及

4、企业界的热切关注和积极参与。目前，在光通信领域作为信息传输的PCFs已经进入到实验室的传输试验研究阶段。按照PCFs的导光机理可将其分为全内反射型（Totalinter-reflection,TIR）和带隙型(Bandgap)两种，在TIR类PCFs中，光纤端面上多个空气孔在石英背景中均布排列，形成折射率较低的光纤包层，而中心位置的缺陷是实心的石英，构成折射率较高的光纤纤芯。此类PCFs的导光机制与普通光纤相一致，是利用纤芯和包层的折射率差将电磁场束缚在光纤中心轴线上。与全内反射型PCFs相反，带隙型P

5、CFs的中心由空气孔缺陷构成，阻隔能带的谱间隙使部分频带的光能够被传导，此类光纤非常适合制作光通信领域的滤波型器件，而光场被束缚和传导在空腔中，无色散、无损耗、无非线性效应的特点使带隙型PCFs在大功率传导方面也倍具优势。在制作的工艺要求方面，带隙型PCFs要求包层中空气孔精确按照某种规律排列，否则特性将严重受到影响，相对而言，TIR型PCFs对空气孔的排列精度要求不十分高，因此该类光纤的研究和制作更为广泛些。与普通光纤相比，光子晶体光纤具有如下特点：(1)无休止单模(EndlesslySingleMo

6、de)特性。普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤，而对于PCFs，只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，无论什么波长都能单模传输，在这种光纤中从蓝光到2μm的波长范围内均可实现单模传输，并且这种特性与光纤的绝对尺寸无关，因此可以通过改变空气孔及间距来调节模场面积。设计结果表明，在1550nm模场面积可达1~800μm2，而目前已制成了680μm2的大模场PCFs，大约是常规光纤模场面积的10倍。小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。模场面积的灵

7、活可控特性使此类光纤具有很多潜在应用。(2)不同寻常的色度色散特性。真空中材料色散为零，空气中的材料色散也非常小，这使得空气芯型PCFs的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活，只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散，并能够使光纤总色度色散达到我们所希望的分布状态，如零色散波长可移到短波长，从而导致在1300nm实现光孤子传输；零色散平坦型光纤(数百nm带宽范围接近零色散)；色散补偿光纤(可达2000ps/nm·km)等。(3)极好的非线性特性。在光子能隙导光PCF中，可以通过增加PCF纤芯空气孔直

8、径（即PCF的有效面积）来降低光强密度，从而达到大大减少非线性效应的目的。反之，光桥网格状设计也可使模场面积非常微小，大大提高了非线性效应。(4)优良的双折射效应。对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态就越好。对PCFs而言，只要在剖面的二维结构上将空气孔排布成不对称图案就可形成很强的双折射，制造出比常用的保偏光纤高1~2个数量级的强双折射保偏光纤。(5)可通过单一材料（如石英）实现上述各类特性。只需通过控制空气孔