光子晶体光纤

第四章光子晶体光纤4.1光子晶体光纤发展沿革4.2光子晶体光纤的传输特性4.3光子晶体光纤光栅4.4光子晶体光纤在能量传输中的应用目录4.1光子晶体光纤发展沿革光子晶体(PhotonicCrystals,PCs)是在1987年由普林斯顿大学的S.John和美国贝尔通讯研究中心的E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。一维二维三维光子晶体的分类光子在光子晶体①中的运动规律类似于电子在固体晶格中的运动规律，当光子在光子晶体中传播时，空间周期性排列的不同介电常数材料对光子形成布拉格散射，出现能带结构，并导致在带与带之间出现类似于半导体禁带的光子带隙的出现。背景1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。即：在石英光纤中沿轴向周期排列着波长量级的空气孔。1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight等人研制出世界上第一根全内反射型PCF，1998年Knight等又率先拉制出光子带隙型PCF。光子晶体光纤的分类PCF导光机制分为两种，一种是全内反射光子晶体光纤（TIR-PCF）也称折射率引导光子晶体光纤，另外一种光子带隙光纤（FBG-PCF）TIR-PCF如图所示为最早的全内反射型PCF，该光纤包层由周期性的空气孔排列形成，芯子位置缺少一个空气孔，由石英玻璃材料填充形成，因此芯区的折射率大于包层的有效折射率。此时导模机制类似于传统阶跃光纤的全内反射机理。PCF的特性与其结构紧密相关，只要改变空气孔在包层中的分布规律和大小就可以设计出不同特性的PCF。FBG-PCF最早的光子带隙型光子晶体光纤，光纤包层由空气孔按类似于蜂窝的结构周期性排列形成，在芯子位置在一个蜂窝单元中心处增加一个空气孔，从而引入缺陷，形成芯区。两种光纤的导模原理上图所示的简单结构，芯区为低折射率区，被高折射率包围，此时芯子中的任意角度的入射光在n1和n2交界面处都发生反射和透射，芯子中的光会随着传播距离的增大迅速衰减，无法被束缚而形成导模。下图所示为全发射型光子晶体光纤结构，包层中存在周期性排列的低折射率n2单元，使得光波所看到的平均折射率将低于n1，由于芯子的折射率较高（n1），在满足一定入射角的条件下，芯子中的光会在n1和n2交界面处都发生全反射（与传统光纤类似），此时模式场将会因全反射在光纤芯子中传播。中图所示为光子带隙型光子晶体光纤结构，要想使光波在折射率为n2的介质中传播，其传播常数β应小于材料的折射率乘以真空中波数n2k0，此时光波能在所有介质中传播，而当包层中各介质层满足布拉格条件时，会产生严重的散射和干涉效应，在多重散射和干涉叠加的影响下，光波的大部分能量可以被束缚在中心的低折射率区中形成导模传输。某些结构的全内反射型光子晶体光纤，其包层也可以提供光子带隙效应，从而使得全反射导模和光子带隙共存，其包层也可以提供光子带隙效应，从而使得全反射导模和光子带隙导模共存。光子晶体光纤与传统越阶式光纤区别不大懂其他类型光子晶体光纤全固光子晶体光纤布拉格光纤布拉格光纤光子晶体光纤的数值分析法等效折射率模型平面波方法基于本地正交函数法多极方法时域有限差分法有限元法不详细介绍光子晶体光纤的制作1.完成预制棒的设计和制作，预制棒里包含了设计结构2.将预制棒放在光纤拉丝塔中，利用普通光纤的拉丝方法在更精确的温度和速度中控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶体光纤3.在拉丝过程中，通过调整预制棒内部惰性气体的压强和拉丝的速度来保持光纤中空气孔的大小比例，从而获得一系列的不同结构的光子晶体光纤a.毛细管堆积方法制作预制棒b.石墨炉，温度1800-2000℃c.拉制成光子晶体光纤预制棒的制作•化学腐蚀法•毛细管组合法•溶胶-凝胶法1.设计并制作出光子晶体光纤的截面结构2.形成光子晶体结构3.复制堆积拉丝过程1.将溶胶浇注成设计成的结构使其凝胶2.空气孔结构可由适当的圆棒插入，待凝胶后移除即可形成1.在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料2.将它们按设计要求排列好并融化成型3.利用酸腐蚀掉不需要的部分形成的空气孔4.2.1损耗特性4.2.2色散特性4.2.3双折射4.2.4非线性4.2.5无截止波长单模传输4.2光子晶体光纤的传输特性散射损耗•最初全反射型光子晶体光纤的损耗约为几百dB/km•2004年Tajima等报道了在1550nm处损耗为0.37dB/km光子晶体光纤•2005年，NTT公司的Zhou等报到了在1550处损耗为0.28dB/km、1380nm处损耗为1.38dB/km光子晶体光纤，该光纤对OH-根吸收峰位置的损耗做到了很好的抑制•2007年ECOC会议上NTT公司报道了光子晶体光纤的损耗已经较低到了0.18dB/km，（这个损耗已经小于普通商用单模光纤的损耗，与目前最好的纯石英芯光纤的损耗水品0.148dB/km接近）对于空芯光子带隙光纤，由于其对包层空气结构的周期性要求要高很多，而且存在表面膜③等因素的负面影响，就目前的水平而言，其传输损耗较全内反射型要大一些，2005年，Bath大学的Roberts等报道了空芯光子带隙的损耗达到了1.2dB/km，如图光子晶体光纤的损耗主要分为三类：（1）散射损耗（2）吸收损耗（3）限制损耗（光子晶体光纤特有，由于光子晶体光纤包层空气孔的有限性引起的）光子晶体光纤的谱损耗：瑞利散射④损耗缺陷损耗紫外吸收损耗红外吸收损耗杂志吸收损耗与光纤结构有关的限制损耗降低光子晶体光纤的损耗措施：色散特性0,knnmeC真空中的光速波长光纤中模式传播常数自由空间波矢量材料折射率对波长的依赖关系0kmnmwDDDmwDDD光子晶体光纤中的石英玻璃和空气具有较大的折射率差，光线中的空气孔的大小和排列方式可以灵活设计，所以，光子晶体光纤可以灵活地设计散射特性，如图：了解双折射光子晶体光纤的出现为保偏光纤的研制提供了一条新思路，由于光子晶体光纤横截面上折射率分布的对称性直接由空气孔的大小和分布决定，因此通过适当的调整空气孔的大小和排布可以达到破坏折射率对称性的目的，从而人为的引入双折射。由于光子晶体光纤通常是由单一的纯石英玻璃材料形成，所以在温度稳定性和抗核辐射方面都较传统的保偏光纤有很大的改善。另外，光子晶体光纤还具有无截止单模、大有效面积和色散可控等优良性质，与高双折射特性相结合，可以制作出特殊性能的保偏光纤。了解4.3光子晶体光纤光栅由于光子晶体光纤特有的空气孔结构，可以在其内填充聚合物、液晶等物质，利用控制温度、电场等外界条件的方法，谐振填充物质的折射率，从而达到对光子晶体光纤光栅的谐振波长和谐振强度进行调谐的目的2000年，Eggleton及Westrook制备出聚合物-石英混合波导光子晶体光栅，是在周期为550nm的光子晶体光纤光栅包层空气孔注入丙烯酸聚合物并通过紫外光照射加速聚合物凝固。该聚合物-石英混合波导光子晶体光纤光栅在25-120摄氏度的温度区间，谐振波长漂移量⑥超过100nm，为普通光纤布拉格光栅的10倍以上。光子晶体光栅的应用实例2003年英国Bath大学研究人员报道了一种利用高双折射光子晶体光纤制作的Rocking滤波器，具有良好的性能（如图）4.4光子晶体光纤在能量传输中的应用2004年，Shephard等首次报道了1064nm的Nd：YAG激光在空心带隙光纤中的高功率传输。激光脉冲能量为0.37mJ、脉冲宽度65ns、复速率15kHz。实验中使用7芯光子带隙光纤，光纤芯子直径约为8.2um，光子晶体包层包含7层高占空比空气孔，光纤长度为1m。2005年，Shephard等使用2m19芯光子带隙光纤实现了脉冲宽度65ns、脉冲能量为0.533mJ（对应峰值能量14kW）、重复速率15kHz的高能激光传输。对比7芯光子带隙光纤，由于其模式场更接近高斯线性，耦合效率提高80%1064nm2008年，Amezcua-Correa等报道通过减小紧邻光纤芯子处的石英玻璃薄层的厚度（为此前报道的一半），消除了7芯光子带隙光纤的表面模，其宽带为1450nm-1750nm，最低损耗为15dB/km，在300nm宽带内损耗低于50dB/km。此外光纤在1490-1690nm的200nm谱宽范围内色散斜率为0.3ps/（nm2*km）这对高功率脉冲的孤子压缩有重要意义。最近，Ishaaya等通过将Ti：Sapphire激光、1kHz重复频率、中心波长810nm脉冲能量1mJ的40fs脉冲（线偏振输入高斯脉冲）高效耦合到光子带隙光纤（耦合效率为98%），获得了超过1014W/cm2的峰值功率密度。一些例图只供欣赏