光子晶体光纤的发展和应用

AppliedPhysics应用物理,2019,9(1),30-50PublishedOnlineJanuary2019inHans.://doi.org/10.12677/app.2019.91005文章引用:张炳涛,陈月娥,赵兹罡,王勇.光子晶体光纤的发展和应用[J].应用物理,2019,9(1):30-50.DOI:10.12677/app.2019.91005DevelopmentandApplicationsofPhotonicCrystalFibersBingtaoZhang,Yue’eChen,ZigangZhao,YongWang*LaserResearchInstitute,QiluUniversityofTechnology(ShandongAcademyofSciences),QingdaoShandongReceived:Jan.3rd,2019;accepted:Jan.16th,2019;published:Jan.23rd,2019AbstractPhotoniccrystalfibers(PCFs)haveattractedincreasingattentioninrecentyearsduetotheuniqueflexiblestructuresthatenableunprecedentedadvantagesandsuperiorperformancecomparedwithtraditionalopticalfibers.Inthispaper,theconcept,classificationandprincipleofPCFsareintroducedfirst.ThenthedevelopmentofPCFsinbothacademicandindustrialfieldsisreviewed,andthetheoreticalanalysismethod,preparationprocessandrelatedparametersandpropertiesofPCFsareillustrated.Next,thePCFsmadeofdifferentmaterialsanddiversestruc-turesarecharacterized.Furthermore,theapplicationsofPCFsinfiberlasers,fiber-opticsensingandcommunications,aswellasourworksinthefieldsarediscussed.Finally,comprehensivein-sightsintotheoverallsituation,challengesandprospectivesofPCFsareprovided.KeywordsPhotonicCrystalFiber,PhotonicCrystal,HoleyFiber,PhotonicBandgap,FiberLasers光子晶体光纤的发展和应用张炳涛，陈月娥，赵兹罡，王勇*齐鲁工业大学(山东省科学院)，激光研究所，山东青岛收稿日期：2019年1月3日；录用日期：2019年1月16日；发布日期：2019年1月23日摘要近年来，光子晶体光纤由于自身灵活多变的结构而具有很多传统光纤无法比拟的奇异特性，其在各领域*通讯作者。张炳涛等DOI:10.12677/app.2019.9100531应用物理的应用已经引起广泛关注。本文首先对光子晶体光纤的概念、分类和原理作了简要介绍，回顾了国内外光子晶体光纤的发展，介绍了光子晶体光纤的理论分析方法、制备工艺和相关参数及特性，讨论了几种不同材料及结构制成的光子晶体光纤的特点，对光子晶体光纤在激光、传感和通信等领域的应用以及我们的研发成果进行了介绍。最后，对光子晶体光纤进一步的发展和研究进行了展望。关键词光子晶体光纤，光子晶体，多孔光纤，光子带隙，光纤激光器Copyright©2019byauthor(s)andHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言光纤技术是二十世纪最主要的技术成果之一。上世纪60年代，高锟博士小组首先提出用石英来传输信号的建议，1970年康宁公司成功地研制出了传输损耗为20dB/km的石英光纤。之后光纤技术快速发展，在通信系统、传感器、光纤激光器、医疗设备和光学器件等诸多领域中都具有重要的应用。几十年来，光纤技术无论在哪个应用领域，从最开始的石英光纤到磷酸盐、硼酸盐、硫化物和氟化物乃至塑料等光纤的发展，光纤的原理和结构并没有改变——均是基于光内全反射理论和采用纤芯和包层的结构。随着科技的发展，对传统光纤的要求越来越高。例如，人们对互联网速度的要求越来越高。为了满足这一需求，光纤通信系统开始向更高传输速率、更远传输距离和更大容量的方向发展。因此，要求传统光纤中消除色散和降低损耗，但传统光纤受其结构、材料和制造工艺等因素的限制，性能的提升非常缓慢。另外，在高功率光纤激光器的发展中，单模输出功率的提高是其发展的关键。近年来随着包层抽运、光束整形和抽运耦合等技术的发展，输出功率迅速提高。2004年，Jeong等人采用掺镱双包层光纤首次实现了单根光纤千瓦量级的激光输出[1]。2010年，又实现了单根光纤10kW近衍射极限的激光输出[2]。尽管光纤激光器的输出功率提高得很快，但是由于受光纤的非线性效应、光损伤及热损伤等物理机制的限制，欲更大幅度地提高单个激光器的功率已经相当困难。因此，具有大模场的光纤是解决光纤激光器功率提升的一种有效途径[3]。由于光纤的非线性效应与光纤的模场面积成反比[4]，模场面积越大非线性效应越弱，非线性功率阈值越高。然而，如果要求高光束质量的激光输出，须使光纤单模运转。而传统的单模光纤由于难以制作较小的数值孔径或者为达到较强的束光能力，纤芯的直径一般较小，大模场的单模光纤较难实现。基于以上原因，人们在不断地探索新型光纤，期盼着能克服传统光纤的不足。在这种情况下，光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF)作为一种特殊的新型光纤应运而生[5]。光子晶体光纤是近几十年来光纤传感、光纤通信及光纤激光器等领域的重大发明之一，并快速地应用到多个领域。相对于传统光纤，PCF具有许多奇异的特性，如无截止波长的单模传输特性[5][6][7][8][9]，色散可调特性[10]，高双折射特性[11][12]，有效模面积可控特性[4][13]，光子禁带效应[14]等。这些新奇的特性，为光学与光电子器件的设计提供了新的机会，并展示了许多新的功能。例如，利用PCF可制作全光开关[15]、光波长转换器[16]、色散补偿器及全光2R再生器[17]等多种器件，并被期望广泛用于通信、生物、空间成像、医药、环境、军事、印刷、制造业等科技领域。目前，国外研究PCF比较著名的机构有英国的Bath大学、南安普顿大学和BlazePhotonics公司、丹麦的NKT公司和日本的NTT实验室等。国内的燕山大学、天津理工大学、北京交通大学、上海光机所、OpenAccess张炳涛等DOI:10.12677/app.2019.9100532应用物理清华大学、南开大学等也较早地展开了对PCF的研究工作。随着PCF理论研究的深入和制作工艺的完善，PCF的应用领域得到了不断的拓展，并推动了PCF的实用化进程。现在，PCF的制作技术已经得到很大的提高，人们已经能拉制出各种复杂结构的PCF，并且一些不同用途的PCF产品已经被推出。虽然这些PCF产品的价格较贵，还无法普遍应用，但随着科学技术的不断发展和研究的逐渐深入，低成本且具有优良性能的PCF必定会被广泛应用。2.光子晶体光纤简介20世纪80年代末出现了一种新型的光波导材料——光子晶体，他是一种由人工制成的电介质结构，使具有不同折射率的介质周期性排列，形成了光子晶体(PhotonicCrystal,PC)。类似于半导体和绝缘体中存在的电子禁带，在某些材料中也可以制成在一定范围内特定方向上或全部方向上禁止光传播的材料。由于其具有光子带隙(PhotonicBandGap,PBG)特性，我们也称之为光子带隙材料，或称光子晶体PBG材料。PC最初被Yablonovitch[18]和John[19]于1987年分别单独提出。PC是根据传统晶体类比而来的，但与传统晶体比，在周期性尺寸、性质和制备方法等方面又有区别。PC按折射率周期性变化的空间维度可分为一维、二维和三维PC，如图1所示，分别对应了1-D，2-D和3-D的PC结构。1992年，英国Bath大学的Russell第一次提出光子晶体光纤(PCF)的概念[20]。在PCF的中心处引入缺陷，如在包层中添加按周期排列的空气孔，改变PCF的周期结构，则有缺陷的地方便成了PCF的纤芯，光在其中传播而不能进入PC包层，这就是PCF。Figure1.Structuresofthreekindsofphotoniccrystals图1.三种光子晶体结构PCF也被称为微结构光纤或多孔光纤，是一种具有特殊结构的光纤。其纤芯周围周期性排布着波长量级的气孔，入射光被限制在纤芯中并沿着纤芯传播。PCF可按不同的特点和传光机理分类。例如，按形状可分为三角形、六边形、八边形、正方形和混合型等；按照材料可分为石英玻璃PCF，到后来的碲酸盐玻璃、硫化物玻璃、肖特玻璃和塑料光纤等；按照光纤的特性可分为大模场面积光子晶体光纤、高非线性PCF、高双折射PCF、色散补偿PCF和超低损耗PCF等；按照模式数量可分为单模PCF和多模PCF。而以上的分类都只是按照PCF的某一个显著特点来分类的，不足以解释PCF到底是什么。所以，还是从最根本的传光机理来分类是最科学的：带隙型光子晶体光纤(PhotonicBandgapPCF,PBG-PCF)和折射率引导型光子晶体光纤(TotalInternalReflectionPCF,TIR-PCF)，如图2所示。PBG-PCF的原理为光子禁带，由于该种光纤的纤芯一般采用空气孔，纤芯的折射率ncore低于包层的折射率ncladding，所以不像传统光纤一样满足全反射机理，而其包层具有周期排列的空气孔结构，并且该结构要求空气孔的半径长度、空气孔的间距和空气孔的排列十分严格，这种特殊的排列方式形成布拉格衍射效应，致使频率位于带隙内的光被限制在纤芯中传播，无法在包层中传播而泄露出去，达到导光的目的。第二种TIR-PCF的导光原理与传统光纤一样，利用内全反射原理传光，但区别在于PCF的包层材张炳涛等DOI:10.12677/app.2019.9100533应用物理料与纤芯材料一般相同，纤芯为实心，而包层上有规则或随机排列的空气孔，使包层的有效折射率ncladding低于纤芯的折射率ncore。Figure2.TwotypesofPCF(photoniccrystalfiber)图2.两种类型PCF3.国内外光子晶体光纤的发展简介第一根光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF)于1996年诞生[5]，由英国南安普顿大学的Knight和Birks等人制作出来。1997年，Birks等人发现这根光纤具有无截止单模传输特性[6]。1998年，第一根带隙型PCF问世，端面如图3(a)所示，Knight等对其进行了分析，发现入射光由于光子带隙效应被限制在较低折射率的纤芯里进行传播[21]。1999年，Cregan等拉制出了第一根在空气中传光的带隙型光纤，如图3(b)所示，其包层气孔呈现出密集而有序的周期性，具有能够实现光子带隙效应的结构，处于频率缺陷态的光子被束缚在中心大气孔也就是缺陷态处进行传播[22]。此后，随着光子