光子晶体光纤

光子晶体光纤（PCF） 光子晶体光纤（PCF） .光纤的种类：光纤按光在物质中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤 多模光纤传输的距离比较近，光纤一般只有几公里。单模光纤只能传一种模式的光，其模间色散很小，适用于远程通讯。 　 多孔光纤是一种全新的工艺技术。自从1996年第一根多孔光纤诞生以来，就受到了广泛关注，并于近几年取得了许多极有价值的成果。多孔光纤包括两种材料:一种材料为透明的固体——通常为玻璃，另一种材料为空气——沿着光纤长度的方向填充在孔中。多孔光纤的制作方法是:将玻璃管紧密捆扎成一束进行拉丝制成光纤，具有截面成蜂窝状，在石英玻璃中有许多空孔呈周期性存在的结构。 　 多孔光纤分为两类:光子晶体光纤和光子带隙光纤。 光子晶体（photonic crystal）的概念于1987年提出，1991年制造出世界上第一根光子晶体光纤。光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称为微结构光纤（micro-structured fiber）或中空光纤光子晶体（photonic crystal）是由一种单一介质构成，并由波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，它受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。90年代后光子晶体光纤(PCF)被日益关注，它的分类，独特的性能，制备方法和潜在的应用先后被提出。 光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。光子晶体光纤的横截面由非常微小的孔阵列组成，类似于晶体中的晶格，实际上这些小孔是一些直径为光波长量级的毛细管，平行延伸在光纤中。 光子晶体光纤(PCF)的纤芯是固体芯，芯外为包层，包层内含有一定数量的沿光纤长度方向延伸的空孔(见图1)。包层为光子带隙材料，它的平均折射率低于纤芯。多孔包层的有效折射率随波长而发生变化，且与孔的尺寸和间隔有关。 光子晶体光纤和普通单模光纤相比有3个突出的优点：第一，光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；第二，光子晶体光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；第三，光子晶体光纤可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到1 μｍ以下 光子晶体光纤的特性： 1：PCF具有非线性特性，在光通信领域将会有广泛的应用。 　　在光子晶体光纤中，如果包层中空孔的占有率高，便可在很小(小至1μm2)的有效模面积内限制光，使得每一单元长度的光纤具有非常高的非线性。这种光纤的功率密度和非线性效应都比标准的阶跃折射率单模光纤高出几十倍。 高非线性多孔光纤还可很好地控制波导色散。由于空气孔给予光子晶体光纤一个大的群速波导色散，使它们比传统光纤更有可能补偿较短波长的材料色散。利用该优势制作出的光纤的零色散区域可短至550 nm波长。这种光纤在可见光波长可产生孤子、或在传输超短脉冲时产生宽带连续光谱。 2：PCF引人注目的一个特点是，结构合理，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，即所谓的“无休止单模”特性（endlessly single-mode）。 具有这个特性需要满足空气孔足够小的条件，空气孔径与孔间距之比必须不大于0.2。空气孔较大的PCF将会与普通光纤一样，在短波长区会出现多模现象。光子晶体光纤可以用比传统光纤大得多的芯径和波长来传输单模光，因此能大大降低功率密度和非线性效应。一种可能性是开发光纤激光器和放大器，它们能经受更高的功率级，但同时又不会达到使器件最终失效的功率密度。 3：PCF的另一个特点是它具有奇异的色散特性。 现在人们已经在PCF中成功产生了850nm光孤子，预计将来波长还可以降低。光纤色散包括材料色散和波导结构色散两部分，材料色散取决于制造光纤的二氧化硅母料和掺杂剂的分散性，而波导结构色散通常是一种模式的有效折射率随波长而改变的倾向。 4：在光子晶体纤维(PCFs)中具有不同的:损耗机理。 当这些纤维彼此结合或在半径范围内弯曲都会发生损耗。结合损耗通过有角偏差的横波获得，弯曲损耗可通过不同的光子晶体纤维设计来获取。研究表明，损耗的类型是由光子纤维的覆盖层参数决定的。 5：光子晶体光纤可以具有零损耗的潜力，因为光是沿着光纤里的空隙传播的，而不是传统的玻璃。能带隙光子晶体光纤采用的结构是：在直径数μm的中空中心轴（芯线）外围，包裹着数百根仍旧是中空且直径1μm左右的微细管。这种管起着在芯线中传导的光线“绝缘体”的作用。其优点在于能够将传输损耗和光线散射控制得非常低。因为与普通光纤不同，其芯线是中空的。尤其是散射，即便是过去在光通信中无法使用的蓝色和紫外线激光波长，也能控制得非常低。 6：利用光子晶体光纤的大芯径还可调整波导色散，使单模截止移到更短的波长，并扩大传输光谱的范围。丹麦科技大学制作了一种光子晶体光纤，其芯径为15μm，在1550 nm波长时色散为27 ps/km-nm，其截止波长＜635 nm。他们还制作了用于Nd:YAG激光器的零色散位移光纤，把零色散区域移到了1064 nm波长。在2003年3月的OFC会议上，Both和Blaze光子公司报道了制作的100m长的光纤，波长在1.42-1.62μm之间时色散平坦度为0.5±0.07 ps/km-nm。 最新发展成果：世界领先的PCF产品商业化的公司——丹麦Crystal Fiber A/S最近推出了新的光子晶体光纤产品系列。一种是中空的“空气波导光子能带隙晶体光纤”（air-guiding Photonic Bandgap Fiber），此晶体光纤的纤芯是中空的，利用空气作为波导，使光可以在特殊的能带隙中传输。另外一种是“双包层高数值孔径掺镱晶体光纤”（Double Clad High NA Yb Fiber），该光纤可以用在光纤激光器或光纤放大器中，另外由于该光纤具有光敏性，还可以在它上面刻写光纤光栅。 目前面临的最大课：因为传输损耗越小，传输距离就越长，所以如何降低传输损耗是目前面临的最大课题 小结： 光子晶体纤维(PCF)的光学性能是由空洞的尺寸，分布，几何形状决定，这些空洞贯穿于整个纤维长度。光子晶体纤维的零色散波长区域为1550nm，它的二次光折射与空洞的大小和空间分布有关，具有偏振保持特性。 光子晶体纤维(PCF)是由一堆密排的硅管和硅棒组成，它所包含的空洞结构减少了纤维覆盖层的长度。同传统的纤维相比，光子晶体纤维由于含有中空的显微结构而具有新的光学性能。这些性能包括：异常的导向结构方式（Novel guiding mechanism），新的群体速度散射性能(New group velocity dispersion)，新的非线形可能性(New non---linear possibilities)。