光子晶体及光子晶体光纤的研究现状与发展趋势

高雪松
北京理工大学信息科学技术学院  北京  100081

摘  要：光子晶体光纤（PCF）由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，在短短的十年内PCF 的研究取得了很大的进展。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法， 介绍了PCF的发展以及最新成果。
关键词：光子晶体 光子晶体光纤 光子晶体光纤激光器

Status and Development of Research of photonic crystal fiber and photonic crystal fiber
Gao Xuesong, Gao Chunqing, Hu Shuling, Li Jiaze, Wei Guanghui
School of information science & technology, Beijing Institute of technology 100081

Abstract: Due to their fantastic properties, photonic crystal fibers（PCF）have recently attracted great interests from science and industry circles. For conventional single mode fibers, these properties are unapproachable and incogitable. The study on PCF has got rapid progress in recent ten years. Some unique optical properties, fabrication techniques and the theoretical research methods of PCF are presented in this paper.
Key words: photonic crystal, photonic crystal fiber, photonic crystal fiber laser

1、前  言
光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得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]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。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，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF的发展以及最新成果。

 2、光子晶体光纤的导光原理
按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。

2.1折射率导光机理
周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，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PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。

2.2光子能隙导光机理
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，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空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。最近有研究表明，这种PCF可传输99 %以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/ 2～1/ 4[4]。

空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。

  当光束从介质1进入介质2时，光纤中光束传输常数β保持不变，如图3（a）所示；如果β≤n1k0，其中k0为真空波矢量。而β>n2k0，则光束只能在介质1中传输，而不能传输到介质2中，这就是全反射情况，如图3（b）所示[5]。

3、光子晶体光纤的参数特性
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空气孔围成的空心中传输。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。据预测，空心光子晶体光纤最有可能成为下一代超低损耗传输光纤，在不久的将来，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。目前，已开发出多种商用空心光子带隙光纤，波长覆盖440nm~2000nm。

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外波长范围（670nm~880nm），使得这些光纤特别适合于采用掺钛蓝宝石激光或Nb3+泵浦激光光源的超连续光发生器[6]。Blaze photonics的光子晶体光纤非线性效应可达245W-1km-1，可用于频率度量学、光谱学或光学相干摄影学中超连续光发生器。

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义上的单模光纤。这种特性是由于其包层由周期性排列的多孔结构构成。Blaze photonics的宽带单模光子晶体光纤的损耗低于0.8dB/km，主要用于空间单模场宽带辐射传输，短波长光传输，传感器和干涉仪。 

3.4保偏光子晶体光纤
传统保偏光纤双折射现象由纤芯附近差异热扩张的合成材料形成，当光纤在拉制降温过程中差异热扩张产生压力。相反保偏光子晶体光纤是由非周期结构纤芯中空气和玻璃的大折射率差而形成双折射现象，从而得到更小的拍长，减小偏振态和保偏消光比之间的耦合曲率[7]。例如Blaze photonics的保偏光子晶体光纤还有比传统保偏光纤低得多的温度敏感性，其拍长可小于4mm（1550nm波长），损耗小于1.5dB/km。主要用于光传感器、光纤陀螺和干涉仪。

3.5超连续光谱发生器的光子晶体光纤
超连续光子晶体光纤是特别设计用来把一种新的Q变换Nb3+微芯片激光器变成一种结构紧密，低成本，谱宽覆盖550nm~1600nm范围，平坦度好于5dB的超亮光超连续光源。由于有较好的色散系数，20m长的这种光纤就可以实现与脉冲为1ns，重复率为6k，与1064nm平均功率为几十毫瓦激光器具有几乎相同的变换效率。超连续光源主要应用于光子学设备的测试、低相干白光干涉计、光相干摄像和光谱学中[8]。

3.6大数值孔径多模光子晶体光纤
大数值孔径多模光子晶体光纤中的光是在由同心环的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。由于实心纤芯和包层的大折射率差，使得该光纤数值孔径比全硅多模光纤大得多。大数值孔径增加了从白炽灯或弧光灯热光源和从低亮度半导体激光器获取光的能力。这种光纤在633nm处数值孔径可达0.6，主要应用于白炽灯或弧光灯光的传输、低亮度泵浦激光的传输以及光传感器中[9]。

  4、PCF的特性
PCF 有如下特点：结构设计灵活，具有各种各样的小孔结构；纤芯和包层折射率差可以很大；纤芯可以制成多种样式；包层折射率是波长函数，包层性能反映在波长尺度上。因此PCF有许多特性。

4.1无截止单模
普通单模光纤随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可在从蓝光到2μm 的光波下单模传输，不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1550nm可达1～800μm2，已制成了680 μm2的大模场PCF，大约为常规光纤的10倍[10]。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。这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器（利用高非线性光纤），低非线性通信用光纤，高光功率传输等。

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；具有优良性质的色散平坦光纤（数百nm带宽范围接近零色散）；各种非线性器件以及色散补偿光纤（可达2000ps/nm·km）应运而生[11]。

4.3极好的非线性效应双折射效应
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。而在光子能隙导光PCF中，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[12]。光子能隙导光的这个特性为制造大有效面积PCF奠定了技术基础。

4.4优良的双折射效应
保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。在PCF中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制成比常用熊猫保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤[13]。

4.5较高的入射功率
光子晶体光纤的全波长单模特性与光纤绝对尺寸无关，放大或缩小光纤照样可以保持单模传输，这表明可以根据需要来设计纤芯面积。英国Bath大学研究人员已经制作了工作在458nm，纤芯直径是23μｍ的单模光子晶体光纤。其纤芯面积大约是传统光纤纤芯面积10倍左右，用于高功率传输时，不会出现非线性效应。

4.6光子晶体光纤的非线性现象
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50－100μｍ量级，而光子晶体光纤可以做到1μｍ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[14]。通过改变孔间距可以调节有效模场面积，调节范围在1.5μｍ波长处约为1－800μｍ。在孔中可以装载气体，也可以装载低折射率液体，从而使光子晶体光纤具有可控制的非线性。

4.7易于实现多芯传输
多芯传输有以下两个优点：一是提高了信道通信的容量，二是解决了单芯难以胜任的复杂通信网络、矢量弯曲传感、光纤耦合等问题。光子晶体光纤使得多芯的结构能被精确定位且具有良好的轴向均匀性，无须附加其他工艺。

5、光子晶体光纤的发展
1996 年，英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先报道了成功制备出PCF。莫斯科大学A. M. Zheltikov 等人也进行了包层具有周期分布空气导孔的多孔光纤的研制。研究发现，改变多孔光纤包层的几何结构，可有效地增强光纤中非线性效应[15]。这种方法可应用于脉冲压缩、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强。

2001年，英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。双包层光子晶体光纤掺杂离子为Yb3+离子，纤芯直径15.2μm，数值孔径0.11，内包层直径150μm，数值孔径0.8，利用20W光纤耦合二极管阵列泵浦该光纤，光纤长度为17m ，获得了3.9W功率输出，斜效率21%[16]。实验中发现，双包层光子晶体光纤存在随机散射中心，说明纤芯中存在着缺陷，有待进一步完善光子晶体光纤的结构。

2002年，日本Norihiko等人以锁模掺Er3+光纤激光器为泵浦源，结合周期极化LiNbO3，泵浦长60cm的高非线性PCF，得到波长调谐范围为0. 78- 0.90μm的孤子脉冲，脉宽为55fs，所用PCF芯径为1.7μm，零色散波长大约在0.69μm处[17]。

2003年1月，Wadsworth等人报导了利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCF 激光器，其结构为双程后向线性腔结构，最大输出功率3.9W，斜率效率30% ，实现单横模运转[18]。所采用的PCF纤芯直径为15μm ，内包层数值孔径大于0.8。为了使包层中的泵浦光最大限度的耦合到纤芯中，提高纤芯对泵浦光的吸收，PCF的掺杂纤芯采用了偏芯设计。

2004年初，Blaze曾发布了一款新型PCF，该光纤是针对Nd3+微芯片激光器特别优化设计的，可产生超连续光谱，这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出，光谱亮度超过太阳10000倍。Blaze表示利用微芯片激光器和PCF可获得高性能光源，将会取代Lamp和超高亮度LED等传统的宽带光源。

2004年，清华大学研究人员理论上计算了PCF的色散值，所选择PCF结构参数为：空气孔间距为0.8μm，空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。计算得到在1.55μm PCF的色散值可以达到-2050ps/（km.nm），可以补偿120倍长度的G.652光纤（17ps/（km.nm）），可以补偿240倍长度的G.655光纤（8.2ps/（km.nm）），从而大大缩短了色散补偿光纤的长度[19]。PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。

2005年，英国Bath大学A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱， 日本电报电话公司T.Yamamoto等人用波长1562nm、脉宽2.2ps、重复频率40GHz的光脉冲注入到200m长的色散平坦保偏PCF中，在1550nm区域产生了超过40nm的均匀超连续谱，而美国Rochester大学Z. M. Zhu等人利用丹麦Crystal Fiber A公司低双折射、高非线性PCF获得600～1000nm的超连续谱[20]。

参考文献
[1] Kawanishi S , Yamamoto T , Kubota T et al . IEICE Trans.Electron. , 2004 , E87 - C(3) :336
[2] Kerbage C , Eggleton B J . Opt . Fiber Technol . , 2004 , 10(2) :133
[3] Konorov S O , Sidorov - biryukov D A , Bugar I et al . Appl.Phys. B , 2004 , 78 (5) :547
[4] Wadsworth WJ , Joly N , Knight J C et al . Opt . Express ,2004 , 12 (2) :299
[5] Husakou A V , Herrmann J . Appl. Phys. B , 2003 , 77 (2 ,3) :227
[6] Nishizawa N , Ito Y, Goto T. Jpn. J . Appl. Phys. , 2003 ,42 (2A) : 449
[7] Druon F , Sanner N , Lucas - Leclin G et al . Appl. Opt . ,2003 , 42 (33) :6768
[9] Ouzounov D G, Ahmad F R , Müller D et al . Science , 2003 ,301 (5640) :1702
[10] Hu M L , Wang C Y, Chai L et al . Opt . Express , 2004 ,12(9) :1932
[11] Efimov A , Taylor A J , Omenetto F G et al . Opt . Express ,2003 , 11 (20) :2567
[12]闫培光等. 纳秒激光通过光子晶体光纤的光谱特性，光子学报,2003 ,32(7) :896.
[13]阮双琛,杨冰,朱春艳13. 4 W光子晶体光纤激光器的研究，光子学报,2004 ,33 (1) :89
[14]Nilsson. J et al . Continuous - wave pumped holey fiber Raman laser.Conference on Optical Fiber Communication〔M〕. Technical Digest Se2ries ,2002 ,315 - 317.
[15]Wadsworth WJ , et al . Yb3 + doped photonic crystal fibre laser.Electron Lett.,2000 ,36 (17) :1452 - 1454.
[16]Knight ,J . C. et al .Large mode area photonic crystal fibre. ElectronLett . ,1998 , 34 (13) :1347 - 1348.
[17]W. J . Wadsworth et al . Large mode area photonic crystal fibre laser. Conference on Lasers and Electro - Optics ,2001 ,319.
[18]Furusawa K,et al . Modelocked laser based on ytterbium doped holeyfibre. Electrronics Letters ,2001 ,37(9) :560 - 561.
[19]W. J . Wadsworth ,et al. High power air-clad photonic crystal fibre laser. Optics Express, 2003, 11(1):48-53.
[20]Limpert J ,et al . High - power air - clad large - mode - area photoniccrystal fiber laser. Optics Express ,2003 ,11(7) :818 - 823.