光子晶體光纖(PCF)是近年�(lái)出現(xiàn)的一種新型光�,這種光纖通常由單一介質(zhì)�(gòu)成并由在二維方向上緊密排列而在軸向保持�(jié)�(gòu)不變的波�(zhǎng)量級(jí)的空氣孔�(gòu)成微�(jié)�(gòu)包層�光子晶體光纖呈現(xiàn)出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實(shí)�(xiàn)的特性,因而受到了廣泛�(guān)注并成為近年�(lái)光學(xué)與光電子�(xué)研究的一�(gè)熱點(diǎn)�
光子晶體光纖的概念最早在 1992 年由 St.J.Russell 等人提出,其初衷是要在光纖中� 入光子帶隙效�(yīng)�(shí)�(xiàn)�(duì)光的�(dǎo)�。受到制備工藝的限制,直� 1996 年首根光子晶體光纖才 成功�(wèn)世,光纖橫截面如� 1-1(a)所�。該光纖具有�(dú)特的�(wú)盡單模傳輸特�,在�(xué)�(shù)界和 �(chǎn)�(yè)界引起極大的轟動(dòng)。然而研究發(fā)�(xiàn),該光纖雖然具有周期性的包層�(jié)�(gòu),但遵循的是� �(tǒng)光纖的全反射型導(dǎo)光機(jī)�(Total Internal Reflection,TIR),并未利用光子帶隙效�(yīng)。�(jìn)一 步分析表明,這一�(lèi)光纖的傳輸特性并不依�(lài)于包層氣孔的周期排布。在特定條件�,無(wú)� 排布的氣孔結(jié)�(gòu)也可以實(shí)�(xiàn)�(wú)盡單模傳�� 人們將這一�(lèi)光纖�(chēng)為全�(nèi)反射型光子晶體光� (TIR-PCF)或折射率�(dǎo)引型光子晶體光纖。TIR-PCF 的成功研制為光子晶體光纖的定義增� 了新�(nèi)�,并�(kāi)啟了光子晶體光纖技�(shù)研究的序��
1998 �� J.C.Knight 等人研制出依靠光子帶隙效�(yīng)�(dǎo)光的首根真正意義上的 “光子晶體� 光纖� 如圖 1-1(b)所�� 區(qū)別于 TIR-PCF� 人們將這一�(lèi)光纖�(chēng)為光子帶隙型光纖(PBG-PCF)� 1999 �,R.F.Cregan 等人成功研制出大空氣芯導(dǎo)光的 PBG-PCF。以空氣作為傳光介質(zhì)意味 著超低的傳輸損耗、超低非線性以及超低色散傳�,這在傳統(tǒng)光纖中是難以�(shí)�(xiàn)�� PBG-PCF 的問(wèn)世宣告光子晶體光纖全面登上歷史舞�(tái)。自�,光子晶體光纖�(jìn)入高速發(fā)� 階段,并迅速占�(lǐng)眾多科技�(lǐng)域的研究最前沿� 目前,光子晶體光纖的�(yīng)用研究己�(jīng)逐漸覆蓋到通信、傳感、非線性光�(xué)、光譜學(xué),乃 至生物醫(yī)�(xué)等眾多科技�(lǐng)。隨著研究的�(jìn)一步深入,各種新型光子晶體光纖仍在不斷涌現(xiàn)� 基于光子晶體光纖的新�(yīng)用同樣日漸豐富�
就結(jié)�(gòu)而言,PCF可以分為�(shí)心光纖和空心光纖。實(shí)心光纖是將石英玻璃毛�(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃棒周?chē)墓饫w??招墓饫w是將石英玻璃毛細(xì)管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃管周?chē)墓饫w�
PCF�(dǎo)光機(jī)理可以分為兩�(lèi):折射率�(dǎo)光機(jī)理和光子能隙�(dǎo)光機(jī)��
折射率導(dǎo)光機(jī)理:周期性缺陷的纖心折射率(石英玻璃)和周期性包層折射率(空氣)之間有一定的差別,從而使光能夠在纖芯中傳�,這種�(jié)�(gòu)的PCF�(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射,但與常�(guī)G.652光纖有所不同,由于包層包含空�,所以這種�(jī)理稱(chēng)為改�(jìn)的全�(nèi)反射,這是�?yàn)榭招綪CF中的小孔尺寸比傳�(dǎo)光的波長(zhǎng)還小的緣��
光子能隙�(dǎo)光機(jī)理:在理論上,求解電磁�(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�(dǎo)條件,其結(jié)果就是光子能隙導(dǎo)光理�。如�1 所�,中心為空�,雖然空芯的折射率比包層石英玻璃低,但仍能保證光不折射出�,這是�?yàn)榘鼘又械男】c(diǎn)陣構(gòu)成光子晶�。當(dāng)小孔間的距離和小孔直徑滿(mǎn)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�,光被限制在中心空芯之�(nèi)傳輸。最近有研究表明,這種HF 中可傳輸99 %以上的光�,而空間光衰減極低,因此光纖衰減可能只有�(biāo)�(zhǔn)光纖�1/ 2�1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙�(dǎo)光�
空芯PCF的光子能隙傳光機(jī)理的具體解釋是:在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空�,傳光機(jī)理是利用包層�(duì)一定波�(zhǎng)的光形成光子能隙,光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空芯PCF中不能發(fā)生全�(nèi)反射,但包層中的小孔�(diǎn)陣結(jié)�(gòu)就像一面鏡�,這樣光就在許許多多的小孔的空氣和石英玻璃界面多次�(fā)生反射�
?。ㄒ唬┕庾泳w波導(dǎo)具有�(yōu)良的彎曲效應(yīng)�
?。ǘ┠芰總鬏敾緹o(wú)損失,也不會(huì)出現(xiàn)延遲等影響數(shù)�(jù)傳輸率的�(xiàn)��
?。ㄈ┕庾泳w制成的光纖具有極寬的傳輸頻帶,可全波段傳��
PCF 有著以下許多奇異特�:
(1)�(wú)截止單模( Endlessly Single Mode)
傳輸普通單模光纖隨著纖芯尺寸的增加�(huì)變成多模光纖。而對(duì)于PCF ,只要其空氣孔徑與孔間距之比小�0. 2 ,�(wú)論什么波�(zhǎng)都能單模傳輸,似乎不存在截止波�(zhǎng)。這就是無(wú)截止單模傳輸特�。這種光纖可在從藍(lán)光到2μm 的光波下單模傳輸。更為奇特的是這種特性與光纖的尺寸無(wú)�(guān),因此通過(guò)改變空氣孔間距可�(diào)節(jié)模場(chǎng)面積。在1 550 nm可達(dá)1�800 μm2 ,�(shí)際上已制成了680 μm2 的大模場(chǎng)PCF ,大約是常�(guī)光纖�10 倍。小模場(chǎng)有利于非線性產(chǎn)�,大模�(chǎng)可防止發(fā)生非線�。這對(duì)于提高或降低光學(xué)非線性有極重要的意義。這種光纖具有很多潛在�(yīng)�,如激光器和放大器(利用高非線性光�) ,低非線性通信用光�,高光功率傳輸�
(2)不同尋常的色度色�
真空中材料色散為�,空氣中的材料色散也非常小。這使得空氣芯PCF 的色散非常特殊。由于光纖設(shè)�(jì)很靈�,只要改變孔徑與孔間距之比,即可�(dá)到很大的波導(dǎo)色散,還可使光纖總色度色散�(dá)到所希望的分布狀�(tài)。如零色散波�(zhǎng)可移到短波長(zhǎng),從而導(dǎo)致在1 300 nm �(shí)�(xiàn)光弧子傳�;具有�(yōu)良性質(zhì)的色散平坦光�(�(shù)百nm 帶寬范圍接近零色�) ;各種非線性器件以及色散補(bǔ)償光�(可達(dá)2 000 ps/ nm·km) 都應(yīng)�(yùn)而生�
(3)極好的非線性效�(yīng)雙折射效�(yīng)
G.652光纖中出�(xiàn)的非線性效�(yīng)是由于光纖的單位面積上傳�?shù)墓鈴?qiáng)�(guò)大造成�(yán)�?fù)p傷系�(tǒng)傳輸�(zhì)量的一�(gè)�(xiàn)�。然而,在光子能隙導(dǎo)光PCF�,我們可以通過(guò)增加PCF纖芯空氣孔直徑(即PCF的有效面積)�(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�(yīng)的目�。光子能隙導(dǎo)光的這�(gè)特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技�(shù)基礎(chǔ)�
(4)�(yōu)良的雙折射效�(yīng)
�(duì)于保偏光纖而言,雙折射效應(yīng)越強(qiáng),波�(zhǎng)越短,所保持的傳輸光偏振�(tài)越好。在PCF�,只需要破壞PCF剖面圓對(duì)�(chēng)�,使其構(gòu)成二維結(jié)�(gòu)就可以形成很�(qiáng)的雙折射。通過(guò)減少空氣孔數(shù)目或者改變空氣孔直徑的方�,可以制造出比常用的熊貓牌保偏光纖高幾�(gè)�(shù)量級(jí)的高雙折射率PCF保偏光纖�
光子晶體光纖的制備方法一般為堆積�。它將普通光纖的拉制�(guò)程加以改�(jìn)提高,并更加�(yán)格的控制光纖拉絲塔內(nèi)的溫度和拉制速度。步驟如下:首先�(shè)�(jì)出光子晶體光纖的基本�(jié)�(gòu);然后將�(yù)先熔融制成的�(yù)制棒研磨、鉆孔后在光纖塔�(nèi)拉伸成微�(xì)�;將這些微細(xì)管按照預(yù)先設(shè)�(jì)形狀(六角形,網(wǎng)狀等等)排列在一起,其中心或者替換成一根直徑完全相同的�(shí)心微�、或者抽掉中間的�(shí)心微棒、或者再將周?chē)囊蝗ξ⒓?xì)管也同時(shí)抽去;再�(jīng)�(guò)一步或兩步�(fù)拉伸形成所要的光子晶體光纖。在幾步逐漸拉細(xì)的過(guò)程中,材料晶胞的縮減因子可超�(guò)104�
�(yīng)用領(lǐng)�:
高功率低損耗近紅外激光傳�
脈沖整形,脈沖壓�
非線性光�(xué)
光纖傳感�(lǐng)�
新應(yīng)用:
(1) 超連續(xù)�(chǎn)�
(2) 脈沖壓縮
(3) 可調(diào)諧光纖耦合�
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