DOC光子晶體光纖的特性與研究現(xiàn)狀

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1、光子晶體光纖的特性與研究現(xiàn)狀??第24卷??第9期2008年5月??甘肅科技??Vol.24??No.9May.??2008??光子晶體光纖的特性與研究現(xiàn)狀??杜??勇??1,2??*??,馬中華,陳朝陽(yáng),林月美,鄭佳春??1111??(1.集美大學(xué)信息工程學(xué)院,福建,廈門(mén)361021;2.廈門(mén)大學(xué)電子工程系,福建,廈門(mén)361005)??摘??要:光子晶體光纖(PCF)具有獨(dú)特的光學(xué)特性和靈活的設(shè)計(jì),在光通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。文闡述了PCF的一些獨(dú)特光學(xué)性質(zhì),總結(jié)了光子晶體光纖的研究成果。關(guān)鍵詞:光子晶體;光子晶體光纖;光子晶體光纖激光器中圖分類(lèi)號(hào):TN29??1??引言?

2、?光子晶體光纖(PCF)的概念由J.Russell等人于1992年提出,其結(jié)構(gòu)是由石英棒或石英毛細(xì)管排列拉制后在中心形成缺陷孔或?qū)嵭摹?996年Knight等人首次制造出了具有周期性結(jié)構(gòu)包層的PCF,1998年Knight等人又研制出包層具有蜂窩型空氣孔排列結(jié)構(gòu)的光子帶隙光纖。PCF有兩種類(lèi)型:一種是具有石英-空氣基質(zhì)包層的實(shí)芯石英光纖,它由純石英纖芯和具有石英-空氣基質(zhì)的包層材料組成;另一種是具有石英-空氣光子晶體包層的空芯石英光纖。PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性,有效地?cái)U(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。PCF經(jīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)可具有大模面積且保持無(wú)限單模的特性,有效地克服常規(guī)光

3、纖的設(shè)計(jì)缺陷,以這種具有新穎波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和特性的光纖作為有源摻雜的載體,并把雙包層概念引入到光子晶體光纖中,可以研制光子晶體光纖激光器。本文闡述了PCF的一些獨(dú)特光學(xué)性質(zhì),總結(jié)了光子晶體光纖的研究成果。??2.2??光子帶隙型PCF導(dǎo)光機(jī)理??理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯PCF的傳導(dǎo)條件,即光子帶隙導(dǎo)光理論。在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣,空氣芯折射率比包層石英玻璃低,但仍能保證光不折射出去,這是因?yàn)榘鼘又械男】c(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時(shí),其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播,光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。這種PCF可傳輸99%以上

4、的光能,而空間光衰減極低,光纖衰減只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的1/2~1/4。??3??光子晶體光纖的分類(lèi)??3.1??空心光子晶體光纖??空心光子晶體光纖中的光是在由周期性排列的硅材料圍成的空心中傳輸。因?yàn)橹挥泻苌僖徊糠止庠诠璨牧现袀鬏?所以相對(duì)于常規(guī)光纖來(lái)說(shuō),材料的非線性效應(yīng)明顯降低,損耗也大為減少?？招墓庾泳w光纖有可能成為下一代超低損耗傳輸光纖,空心光子晶體光纖將廣泛應(yīng)用于光傳輸,脈沖整形和壓縮,傳感光學(xué)和非線性光學(xué)中。3.2??高非線性光子晶體光纖??高非線性光子晶體光纖中的光是在由周期性排列的硅材料空氣孔圍成的實(shí)心硅纖芯中傳輸。通過(guò)選擇相應(yīng)的纖芯直徑,零色散波長(zhǎng)可以選定在可見(jiàn)光和近紅

5、外波長(zhǎng)范圍(670nm~880nm),可用于頻率度量學(xué)、光譜學(xué)或光學(xué)相干攝影學(xué)中產(chǎn)生超連續(xù)光。3.3??寬帶單模光子晶體光纖??常規(guī)單模光纖實(shí)際上是波長(zhǎng)比二次模截止波長(zhǎng)小的多模光纖,而寬帶單模光子晶體光纖是真正意??2??光子晶體光纖的導(dǎo)光原理??根據(jù)纖芯引入缺陷態(tài)的不同,PCF導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩類(lèi):全內(nèi)反射型和光子帶隙型。2.1??全內(nèi)反射型PCF導(dǎo)光原理??周期性缺陷的纖芯折射率(石英玻璃)大于周期性包層折射率(空氣),從而使光能夠在纖芯中傳播,這種結(jié)構(gòu)的PCF導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射,但與常規(guī)G.652光纖有所不同,由于包層包含空氣,所以這種機(jī)理稱(chēng)為改進(jìn)的全內(nèi)反射,這是因?yàn)榭招?/p>

6、PCF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長(zhǎng)還小的緣故。??())??80??????????????甘??肅??科??技?????????????????第24卷??4.2??不同的色度色散??真空中材料色散為零,空氣中的材料色散也非常小,空氣芯PCF的色散非常特殊。由于光纖設(shè)計(jì)很靈活,只要改變孔徑與孔間距之比,即可達(dá)到很大的波導(dǎo)色散,還可使光纖總色度色散達(dá)到所希望的分布狀態(tài),如零色散波長(zhǎng)可移到短波長(zhǎng),從而在1300nm實(shí)現(xiàn)光弧子傳輸。4.3??極好的非線性效應(yīng)??G.652光纖中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)是由于光纖單位面積上傳輸?shù)墓鈴?qiáng)過(guò)大造成嚴(yán)重?fù)p傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個(gè)現(xiàn)象。而在光子帶隙導(dǎo)光PCF中,

7、可以通過(guò)增加PCF纖芯空氣孔直徑(即PCF的有效面積)來(lái)降低單位有效面積上的光強(qiáng),從而達(dá)到大大減少非線性效應(yīng)的目的[2],這個(gè)特性為制造大有效面積PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。另外減小光纖模場(chǎng)面積,可增強(qiáng)非線性效應(yīng),從而使光子晶體光纖同時(shí)具有強(qiáng)非線性和快速響應(yīng)特性。常規(guī)光纖有效截面積在50-100??m量級(jí),而光子晶體光纖可以做到1??m量級(jí),所以各種典型非線性光纖器件如科爾光閘、非線性環(huán)形鏡等就可以做成比普通光纖短100倍。通過(guò)改變孔間距可以調(diào)節(jié)有效模場(chǎng)面積,調(diào)節(jié)范圍在1?