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1、第17卷增刊2006年6月光電孑·激光JournalofOptoelectronics·Laser光子晶體光纖的特性和最新技術(shù)進(jìn)展夏春生(浙江富春江通信集團(tuán))摘要：闡述了光子晶體和光子晶體光纖的定義、原理和特性，重點(diǎn)分析了光子晶體光纖獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和最新的技術(shù)進(jìn)展，并預(yù)測(cè)r光子晶體光纖的廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：光子晶體；光子晶體光纖；光能帶結(jié)構(gòu)；能隙；單模PCF；高非線性PCF；中空PCFAbstract：Thispaperhasreferredtothedefinition，functionandchar
2、acteristicsofphotoniecrystalandPCF，uniquemeritsandlatesttechnologyadvancementsofPCFhavebeenalsoreviewed，ItpredicatesthatPCFshallbewidelyappliedtodiverseareasandhasapromisingfuture．Keywords：photoniccrystals；photoniccrystalfiber；photonicbandstructure；energ
3、ygap；singlemodePCF；highnon—linearPCF；hollowPCF1引言科學(xué)家指出，光子即將替換電子，成為21世紀(jì)高科技發(fā)展的基石。未來(lái)的光纖網(wǎng)絡(luò)，光線傳導(dǎo)不見(jiàn)得再經(jīng)過(guò)光纖，而可能是一連串的反射光線的鏡子一光子晶體光纖(PCF)，據(jù)稱它可傳輸?shù)墓庾恿窟_(dá)到當(dāng)前使用光纖的1，000倍。2光子晶體和光子晶體光纖的特性2．1光子晶體的概念和原理早在半個(gè)世紀(jì)前，物理學(xué)家就已經(jīng)知道，晶體(如半導(dǎo)體)中的電子由于受到晶格的周期性位勢(shì)散射，部份波段會(huì)因破壞性干涉而形成能隙，導(dǎo)致電子的色散關(guān)系呈
4、帶狀分布，此即電子能帶結(jié)構(gòu)。然而直到1987年。E．Yablonovitch及S．John才不約而同地指出，類(lèi)似的現(xiàn)象也存在于光子系統(tǒng)中：在介電系數(shù)呈周期性排列的三維介電材料中．電磁波經(jīng)介電函數(shù)散射后，某些波段的電磁波會(huì)因破壞性干涉而呈指數(shù)衰減．無(wú)法在系統(tǒng)傳遞，相當(dāng)于在頻譜上形成能隙，于是色散關(guān)系也具有帶狀結(jié)構(gòu)，具有光子能帶結(jié)構(gòu)的介電物質(zhì)，就稱為光能隙系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱PBG系統(tǒng))，或光子晶體。光子晶體的簡(jiǎn)單原理乃是利用布拉格散射，在折射率周期性變化的介電材料上產(chǎn)生類(lèi)似于電子能帶的光子能帶結(jié)構(gòu)，使得人們得以去操
5、控光子。再者，利用目前現(xiàn)有的納米技術(shù)，在元件縮小化上已有大幅的進(jìn)展。其中，在光子晶體上加上缺陷讓人們有了控制光的能力，也開(kāi)展了光子晶體全新的領(lǐng)域。與半導(dǎo)體的情況相似，光子系統(tǒng)的雜質(zhì)態(tài)也多半落在能隙，(如圖1．1和1．2所示)。能隙給了人類(lèi)局限電磁波的能力，而雜質(zhì)態(tài)的出現(xiàn)則為操縱光波提供了可能，這在光子晶體光纖上極具應(yīng)用價(jià)值(見(jiàn)圖1．3)。O圖1．1具有點(diǎn)狀缺陷的光子晶體frecluency圖1．2出現(xiàn)在能隙中的缺陷態(tài)增刊夏春生：光子晶體光纖的特性和最新技術(shù)進(jìn)展圖1．3光子晶體中的線狀缺陷可以作為波導(dǎo)2．
6、2光子晶體光纖的概念和原理光子晶體吸引人的特性之一，是它提供了人們按自己的需求，以人工方式設(shè)計(jì)、定制光學(xué)系統(tǒng)的可能性，而光子晶體光纖(PCF)正是基于光子晶體技術(shù)發(fā)展起來(lái)的下一代傳輸光纖。光子晶體光纖在外觀上和傳統(tǒng)的普通單模光纖非常相似，但微觀上光子晶體光纖的橫截面完全不同。光子晶體光纖的橫截面由非常微小的孔陣列組成，類(lèi)似于晶體中的晶格，這也是光子晶體名稱的由來(lái)。實(shí)際上這些小孔是一些直徑為光波長(zhǎng)量級(jí)的毛細(xì)管，平行延伸在光纖中。(參照?qǐng)D2．1)圖2．1PCF毛細(xì)管結(jié)構(gòu)光子晶體光纖是由Russell等人于1
7、992年提出的。在傳統(tǒng)的光纖中，光在中心的氧化硅核傳播。通常，為了提高其折射系數(shù)采取摻雜(見(jiàn)圖2．2)的辦法以增加傳輸效率，但不同的摻雜物只能對(duì)一種頻率的光有效。Russell等人用二維光子晶體成功研制成新型光纖：由幾百個(gè)傳統(tǒng)的氧化硅棒和氧化硅毛細(xì)管依次綁在一起組成六角陣列，然后在2000度下燒結(jié)而形成。直徑約40微米、蜂窩結(jié)構(gòu)的亞微米空氣孔就形成了。為了導(dǎo)光，在光纖中人為引入額外空氣孔，這種額外的空氣孔就是導(dǎo)光通道。與傳統(tǒng)的光纖完全不同，在這里傳播光是在空氣孔中而非在氧化硅中，可導(dǎo)波的范圍很大。圖2．
8、2PCF光棒結(jié)構(gòu)·239·對(duì)石英光纖來(lái)說(shuō)，PCF的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在其中間沿軸向均勻排列空氣孔，這樣從光纖端面看，就存在一個(gè)二維周期性的結(jié)構(gòu)，如果其中一個(gè)孔遭到破壞和缺失，則會(huì)出現(xiàn)缺陷，利用這個(gè)缺陷，光就能夠在其中傳播。PCF與普通單模光纖不同，由于它是由周期性排列空氣孔的單一石英材料構(gòu)成，所以有中空光纖(holeyfiber)或微結(jié)構(gòu)光纖(micro—structuredfiber)之稱。2．3光子晶體光纖的特點(diǎn)光子晶體光纖特殊的結(jié)構(gòu)決定了它有
