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1、光子晶体光纤的特性与研究现状 第24卷��第9期2008年5月 甘肃科技 Vol.24��No.9May.��2008 光子晶体光纤的特性与研究现状 杜��勇 1,2 * ,马中华,陈朝阳,林月美,郑佳春 1111 (1.集美大学信息工程学院,福建,厦门361021;2.厦门大学电子工程系,福建,厦门361005) 摘��要:光子晶体光纤(PCF)具有独特的光学特性和灵活的设计,在光通信等领域具有广阔的应用前景。文阐述了PCF的一些独特光学性质,总结了光子晶体光纤的研究成果。关键词:光子晶体;光子晶体光纤;光子晶体光纤激光器中图分类号:TN29 1��引言
2、 光子晶体光纤(PCF)的概念由J.Russell等人于1992年提出,其结构是由石英棒或石英毛细管排列拉制后在中心形成缺陷孔或实心。1996年Knight等人首次制造出了具有周期性结构包层的PCF,1998年Knight等人又研制出包层具有蜂窝型空气孔排列结构的光子带隙光纤。PCF有两种类型:一种是具有石英-空气基质包层的实芯石英光纤,它由纯石英纤芯和具有石英-空气基质的包层材料组成;另一种是具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤。PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性,有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性,有效地克服常规光
3、纤的设计缺陷,以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体,并把双包层概念引入到光子晶体光纤中,可以研制光子晶体光纤激光器。本文阐述了PCF的一些独特光学性质,总结了光子晶体光纤的研究成果。 2.2��光子带隙型PCF导光机理 理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件,即光子带隙导光理论。在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低,但仍能保证光不折射出去,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播,光被限制在中心空芯之内传输。这种PCF可传输99%以上
4、的光能,而空间光衰减极低,光纤衰减只有标准光纤的1/2~1/4。 3��光子晶体光纤的分类 3.1��空心光子晶体光纤 空心光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的硅材料围成的空心中传输。因为只有很少一部分光在硅材料中传输,所以相对于常规光纤来说,材料的非线性效应明显降低,损耗也大为减少。空心光子晶体光纤有可能成为下一代超低损耗传输光纤,空心光子晶体光纤将广泛应用于光传输,脉冲整形和压缩,传感光学和非线性光学中。3.2��高非线性光子晶体光纤 高非线性光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。通过选择相应的纤芯直径,零色散波长可以选定在可见光和近红
5、外波长范围(670nm~880nm),可用于频率度量学、光谱学或光学相干摄影学中产生超连续光。3.3��宽带单模光子晶体光纤 常规单模光纤实际上是波长比二次模截止波长小的多模光纤,而宽带单模光子晶体光纤是真正意 2��光子晶体光纤的导光原理 根据纤芯引入缺陷态的不同,PCF导光机理可以分为两类:全内反射型和光子带隙型。2.1��全内反射型PCF导光原理 周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)大于周期性包层折射率(空气),从而使光能够在纤芯中传播,这种结构的PCF导光机理依然是全内反射,但与常规G.652光纤有所不同,由于包层包含空气,所以这种机理称为改进的全内反射,这是因为空芯
6、PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。 ()) 80 ??????????��甘��肃��科��技???????????????��第24卷 4.2��不同的色度色散 真空中材料色散为零,空气中的材料色散也非常小,空气芯PCF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,还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态,如零色散波长可移到短波长,从而在1300nm实现光弧子传输。4.3��极好的非线性效应 G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。而在光子带隙导光PCF中,
7、可以通过增加PCF纤芯空气孔直径(即PCF的有效面积)来降低单位有效面积上的光强,从而达到大大减少非线性效应的目的[2],这个特性为制造大有效面积PCF奠定了技术基础。另外减小光纤模场面积,可增强非线性效应,从而使光子晶体光纤同时具有强非线性和快速响应特性。常规光纤有效截面积在50-100��m量级,而光子晶体光纤可以做到1��m量级,所以各种典型非线性光纤器件如科尔光闸、非线性环形镜等就可以做成比普通光纤短100倍。通过改变孔间距可以调节有效模场面积,调节范围在1�
