光子晶體光纖及其應用

2021-01-15 光行天下

摘要：光子晶體作為一種新興的材料，將會對整個光子學和光子產業領域產生深遠的影響，而其最重要的應用之一——光子晶體光纖已經在很多科研技術領域得到了應用。文章綜述了光子晶體光纖的研究進展，給出其分類，並重點介紹了光子晶體光纖在超短脈衝、光頻測量、光纖通信等科研領域的重要應用以及未來的發展前景。


關鍵詞：光子晶體光纖；飛秒雷射；超邊疆光譜


引言

自1987年S.John和E.Yablonovitch等人提出光子晶體（photonic crystal）的概念以來，有關這個領域的研究得到了越來越多的關注。正如同半導體材料在晶格結點周期性的出現離子分布一樣，光子晶體是指在光波尺度下人為地在高折射率材料（比如sio2）的某些位置上製造周期性分布的低折射率材料（比如空氣孔）而形成的晶體，通過人為控制高低折射率材料的不同結構分布可以產生不同的類似於半導體禁帶光子頻率禁帶（photonic band gap，PBC）寬度，從而對入射光波進行選擇性傳輸。


光子晶體光纖（photonic crystalfiber，PCF）是基於光子晶體技術發展起來的新一代傳輸光纖。由於光子晶體光纖結構的可控性可以滿足人們對於不同信號傳輸特性的PCF的需要，因此引起了很多相關科研領域的極大興趣。光子晶體光纖的概念最早是由Russell St J p等人於1992年提出的。作為創始人，他們當初是在如何通過光纖將光子晶體技術與光子能帶技術聯繫起來的奇思妙想中引發研究興趣的，「那簡直是一種令人無法想像的困難，幾乎沒有人認為這是可能的，因為你要在微米的尺度上營造出多孔結構，但是，最終我們取得了成功」，1996年Russell St J p和他的組員Knight J C等人首次在實驗室成功製作出光子晶體光纖，隨後各種不同結構的光子晶體光纖相繼產生。


相對於傳統光纖而言，光子晶體光纖開創了完全不同的光波傳播原理，並且其性能也有很大的不同。它利用光子晶體所具有的光子頻率禁帶特性將特定頻率的光波強烈地束縛在纖芯內進行傳導，光纖彎曲或摺疊狀態對傳輸光波的影響非常小，並且在幾乎所有的傳播波長處都能夠保持單模運轉，且其零色散波長從傳統光纖的紅外波段移到了可見光波段，這對於光纖通信領域而言無疑是一種莫大的福音。另一方面，利用光子晶體光纖的非線性效應在低於傳統光纖三個量級的脈衝峰值功率下就可以產生光譜覆蓋紫外到紅外的超連續光，這在光頻率測量、極短脈衝的產生、抽運探測光譜學等領域的研究中有著極其重要的作用。


2.光子晶體光纖

2.1光子晶體光纖的工作原理及製作工藝


我們知道，傳統的光纖是以高折射率材料作為纖芯，以低折射率材料作為包層，利用高低折射率介質間形成的全反射原理而將光局限在高折射率介質中進行傳播，因此光的能量傳遞、色散效應、可彎曲程度等都會因為光源的色散品質而受到限制。


光子晶體光纖屬於帶有線缺陷的二維光子晶體，它與傳統光纖有著完全不同的結構與傳輸機理。光子晶體光纖一般是以SiO2空氣孔呈周期性排列的光子晶體作為光纖包層，人為引入打破周期排列的缺陷（SiO2或空氣空）作為纖芯，這樣，光波從纖芯耦合進光纖，由於包層光子頻率禁帶的存在，落入其中的光波頻率被完全反射回來，只能在纖芯附近傳播，從而沒有額外的能量損失。圖1給出了傳統光纖與光子晶體光纖的結構示意對比圖。圖2為兩種不同導向機制結構的光子晶體光纖，具體的導光原理可參閱文獻。

圖1.傳統光纖與光子晶體光纖的結構對比（a）傳統光纖；（b）光子晶體光纖

圖2.兩種不同導向機制結構的光子晶體光纖（a）受損隧道PBC效應導向型光子晶體光纖；（b）布拉格PBC效應導向型光子晶體光纖


由於目前二維光子晶體的製作已經相當成熟，因此光子晶體光纖的製作工藝也並不困難。一般是按照預先設計的結構參數，在一定尺寸的石英套管內排入毛細管（空心石英柱）作為包層，中心用實心的SiO2棒或者抽去幾根毛細管作為纖芯製成預製棒，然後用製作普通光纖的拉絲機在2000℃左右的溫度下拉絲成型。對不同結構參數的光子晶體光纖應設定不同溫度，以保證結構形狀不變形。



2.2光子晶體光纖的性能

光子晶體光纖的結構決定了其與傳統光纖有著不同的性能。首先，光子頻率禁帶的傳輸機理使得光纖的傳輸損耗大大降低。貝爾實驗室的研究人員已經證實，光子晶體光纖的彎曲對損耗的影響極小，即使在彎曲直徑為0.5cm的狀態下對短於1600nm的波長損耗也完全可以忽略。其次，光子晶體光纖的截止波長很短，可在300-1600nm的波長範圍內維持單模運轉，而傳統單模光纖的截止波長都在1000nm以上，並且帶寬很窄。這樣，對於採用波分復用技術的光纖通信系統而言，光子晶體光纖替代普通單模光纖必將成為未來發展的趨勢。


圖3.不同芯徑尺寸的光子晶體光纖對應不同零色散波長


圖4.光子晶體光纖輸出光孤子示意圖


圖5.光子晶體光纖產生的超連續光譜


......

4.結語

光子晶體的誕生，預言了光子時代的到來，已經引起了學術界的廣泛重視。光子晶體光纖作為光子晶體最重要的應用，其擁有的傳統光纖所不具備的特性更預示了它廣泛的應用前景。作為新興的技術，PCF正處於迅速發展之中，許多設想要成為現實還需要克服很大的困難，但是我們相信，在不遠的將來，光子晶體光纖對於科學技術乃至整個社會生活的進步都將做出有意義的貢獻。


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