光子晶體光纖的原理、結構、製作及潛在應用

2021-01-15 光行天下

摘要: 傳統光纖中的光能損耗和色散是阻礙其進一步向大容量和遠距離通信方向發展的主要原因，因此製造具有低色散和低損耗的光子晶體光纖成為光纖技術努力的方向。在介紹光子晶體光纖的製作、導光原理和特點的基礎上，研究了普通光纖不具備，而光子晶體光纖所具有的無休止的單模特性、奇異的色散特性、可控的非線性和易於實現的多芯傳輸等特點。研究結果表明，光子晶體光纖在光纖傳感器、光子晶體天線、超寬色散補償、光學集成電路等多方面具有廣泛的應用前景。


關鍵詞：光子晶體光纖；光纖；色散；非線性效應


引言 

傳統的光纖是根據全內反射機制傳導光。因此它要求光纖的纖芯必須具有高於包層的折射率。這種光纖已經在光通信中起到了重要作用。但很難向大容量和遠距離通信的方向發展。其主要原因是光纖中的光能損耗和色散。因此。消除色散和降低損耗成為光纖技術努力的方向。色散可以分為模式色散-材料色散和波導色散。其中。模式色散可以通過單模光纖來克服；材料色散是由所用介質材料引起的；單模光纖的波導色散取決于波導的結構。如光纖剖面的折射率分布-纖芯直徑等。在光纖長距離傳輸光信息的過程中。要求損耗儘可能少。光纖中光能損耗主要來源於吸收損耗和散射損耗。其中。吸收損耗包括本徵吸收和雜質（如氫氧根離子）引起的選擇吸收；散射損耗包括瑞利散射。光纖結構不完善和材料中缺陷引起的散射。從矽玻璃光纖的光學損耗和波長關係得到了在；1.3μm和；1.55μm處分別有損耗極小值。目前已經作為通信的兩個窗口。因此。研製能夠克服傳統光纖弱點的新一代光纖成為目前光電子器件發展的主要方向之一。


圖1.傳統光波導


經過數十年的研究和探索。光子禁帶的概念終於在1987年被提出。光子禁帶是直接類比電子禁帶的結果，它是指通過人工設計作出類比於電子禁帶結構的材料來阻止光子的傳播。這種類比電子禁帶結構的人工合成材料在某一能量範圍內光子不能通過光子禁帶晶體（簡稱光子晶體），或者說在光子晶體內部產生的光不能傳播。換句話說，光子晶體就是通過人工製造方法，使其晶體材料具有類似於半導體矽和其他半導體中相鄰原子所具備的周期性結構，只不過光子晶體的周期性結構的尺度遠遠大於電子禁帶晶體，其大小為波長數量級。如果破壞光子晶體的周期性結構，便使光子晶體成為不完全的光子晶體。光子晶體光纖就是應用這種不完全二維光子晶體延展為不完全三維光子晶體而成的。光子晶體具有光子帶隙和相應於帶隙區域的那些頻率的光波不能在這種晶體中傳播，而被全部反射出去，這是因為折射率的周期性變化起到了多維衍射光柵的作用。由於布拉格衍射偏轉了光波的傳播方向，在二維光子晶體光纖中引入一個「缺陷」作為光纖的核心，其目的是無光能損耗地將光陷獲在光纖核心中。


1 光子晶體光纖的導光原理


目前已經報導的光子晶體光纖是由晶格常數為波長數量級的二維光子晶體構成的，即規則排列的空氣孔的矽光纖陣列構成光纖的包層。光纖的核心由一個破壞了包層結構周期性的缺陷構成。這個缺陷可以是固體矽，也可以是空氣孔。對於核心為空氣孔的情況，通過作為包層的二維光子晶體的布拉格衍射，一定波長的光被陷獲在作為核心的空氣孔中。這種光子晶體光纖的導光機制是布拉格衍射，如圖2和圖3所示。光子帶隙導光使光纖設計更靈活。由於光子帶隙條件只依賴於包層的性質，纖芯折射率可以自由選擇，有能力將光波限制在空纖芯中。對於核心為固體矽的情況，包層不存在光子帶隙，它的有效折射率是矽和空氣的體平均，它小於核心矽的折射率，所以這種光纖的導光機制一定是全內反射。只要滿足全反射的條件，光完全可以局限在「纖芯」範圍內傳播。


與全內反射光纖相比，光子帶隙導向給予了額外的自由度。這種帶隙出現的條件有兩個：一是空氣孔的孔徑與孔間距的比值不小於0.4；二是精確控制氣孔的排列。因此，製作這種光子晶體在工藝上有較大難度。目前所報導的傳統的、低耗的光子晶體光纖都以全內反射作為導光機制。


圖2.隧道被破壞的光子帶隙波導


圖3.布拉格光子晶體波導


2 光子晶體光纖的製作 


根據目前的報導，光子晶體的製作都要經過拉伸、堆積和熔合等過程，如Knight  JC等的製作方法： 


（1）取一根直徑為30mm的石英棒，沿其軸線方向上鑽一條直徑為16mm的孔，隨後將石英 棒研磨成一個正六稜柱；


（2）把該石英棒放在2000℃的光纖拉絲塔中，將它拉成直徑為0.8mm的細長正六稜柱絲；


（3）把正六稜柱絲切成適當長度的若干段，然 後堆積成需要的晶體結構，再把它們放到拉絲塔中熔合、拉伸，使內部空氣孔的間距減小到50μm左右，形成更細的石英絲；

（4）在以上工作的基礎上，把上述石英絲高溫拉伸，形成最後的光子晶體光纖，如圖4和圖5所示。


......


4 結束語 

光子晶體光纖的潛在應用包括超寬色散補償、短波長光孤子傳輸/發生、光纖傳感、極短拍長的偏振保持光纖、光子晶體天線、光學集成電路、超短脈衝雷射器/放大器和光開關；當摻進非線性介質時，還可望用於光開關、光限幅、光雙穩和光倍頻等等。通過設計更加複雜的結構和使用不同的材料，還會發現更多的用途。


光子晶體光纖的出現，使光電子技術進入了一個新的發展階段。可以預言，光子晶體光纖是有巨大潛力的產業。


鑑於篇幅，本文僅為節選（應用光學），閱讀原文可下載全文PDF文檔。



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