2-9光子晶体光纤

2.9光子晶体光纤光子晶体(photoniccrystal)光子晶体自20世纪80年代提出来，相关理论和技术得到了迅速发展，其中光子晶体光纤在通讯、传感技术、光谱分析及医学上的应用都深具潜力。光子晶体是在光波长量级（微米、亚微米）上折射率呈现周期性变化的介质材料，它使某些频率范围内的光子态密度大大降低，甚至完全形成光子禁带。Largescalesynthesisofasiliconphotoniccrystalwithacomplete3Dphotonicbandgapnear1.5microns.光子禁带(PhotonicBandGap,PBG)由E.Yablonovitch和S.John于1987年各自提出。如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样，光子晶体的折射率的周期性变化也会引起一部分能量的光不能够传输过该结构，这些被禁止的频率区域称为光子禁带(PhotonicBandGap,PBG)。光子晶体的禁带的特性光子晶体中折射率的周期性变化产生了光带隙结构，由它控制着光在光子晶体中的运动。抑制自发辐射：将发光层置于光子晶体之中，若发光波长落于光子晶体的禁带之中，由于这些波长光是禁止的，因而可以抑制发光层的自发辐射。自发辐射单波长输出：通过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允许态，能输出对应的波长的光。人工光子晶体通过Maxwell方程的求解可以知，禁带的形成与两种材料的折射率差、填充比及排列方式有关，折射率差值越大，越有可能形成光子禁带。当两种材料的折射率差大于2的情况，可以形成完全禁带。人工光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如空气空穴)的材料。•当光子晶体的周期性遭到破坏时，PBG内会出现频率极窄的缺陷态，使得光子晶体能够控制光在其中的传播。一种2DPC—光子晶体光纤二维光子晶体制作比三维光子晶体要相对容易，在红外和光学波段可用刻蚀、机械钻孔、介质棒等方法制作。光子晶体光纤是一种得到广泛应用的2D光子晶体。光子晶体光纤光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF)由Russell等人于1992年提出。石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔,从光纤端面看,存在周期性的二维结构,如果其中1个孔遭到破坏和缺失,则会出现缺陷,光能够在缺陷内传播。PCF由周期性排列空气孔的单一石英材料构成,又称多孔光纤(holeyfiber)、微结构光纤(microstructuredfiber)。结构示意图Hollow-coreBandgapFibers空芯带隙光纤Solid-coreHoleyFibers实芯多孔光纤•折射率引导型PCF：将高折射率材料（石英）作为缺陷•光子带隙引导型PCF：将低折射率材料（空气）作为缺陷折射率引导型PCF导光机理导光机理与常规光纤类似，都是基于全内反射。纤芯材料石英，折射率n1；包层是空气、石英构成的二维光子晶体，等效折射率neff一般情况,满足全内反射的最基本条件由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射（TotalInternalReflection）。TIR-PCF不要求包层中的空气孔具有严格的周期性结构，因此实现起来相对比较容易。1effnn带隙型光子晶体光纤发展概况1998年Knight等人研制成功蜂窝状结构的PBG-PCF。1999年Cregan等制作了长15m，具有光子带隙效应的空芯光子晶体光纤，衰减1000dB/km。2002年7芯光纤在1500nm处的损耗降至13dB/km。2004年,通过增大占空比和工作波长，采用19芯光纤在1560～1575nm处,损耗降至117dB/km。目前BlazePhotonics公司制造的带隙型光子晶体光纤在1550nm处损耗接近1dB/km。PBG-PCF的导光原理采用PBG导光，是一种完全不同于全内反射的新的导光机制。纤芯处为大空气孔，形成缺陷，PBG-PCF利用缺陷态导光，光场的绝大部分能量集中在形成缺陷的纤芯大空气孔中。PBG-PCF独特的导光机制要求在设计、制造时空气孔的排列位置精确定位，这对制造工艺提出了较高的要求。光子晶体光纤的制作工艺将普通光纤的拉制过程加以改进提高，并更加严格的控制光纤拉丝塔内的温度和拉制速度。步骤如下：首先设计出光子晶体光纤的基本结构；然后将预先熔融制成的预制棒研磨、钻孔后在光纤塔内拉伸成微细管；将这些微细管按照预先设计形状（六角形，网状等）排列在一起，其中心或者替换成一根直径完全相同的实心微棒、或者抽掉中间的实心微棒、或者再将周围的一圈微细管也同时抽去；再经过一步或两步复拉伸形成最后所要的光子晶体光纤。采用堆叠--拉丝工艺PCF的损耗（1）PCF的损耗（2）折射率PCF的损耗与普通光纤类似，主要来源于吸收和散射，分为本征和非本征的，主要包括：瑞利散射损耗、材料的紫外吸收、红外吸收、OH-对光的吸收及结构不完善引起的散射损耗等。总损耗十分接近，本征损耗相当，瑞利散射和红外吸收损耗一样。PCF中杂质引起的损耗略高一些，由PCF的制备工艺决定。PCF的损耗（3）目前PBG-PCF的损耗明显高于TIR-PCF。TIR-PCF中，光在具有高折射率的纤芯传输，导光机制类似于普通光纤的全内反射，对包层周期性结构要求不十分严格，所以材料的本征损耗可以达到通信光纤的水平。PBG-PCF是利用光子带隙和缺陷态导光，光主要在空气芯中传输，在石英介质中传输较少，因此材料的本征损耗不是非常突出，但是光子带隙效应对包层结构的周期性要求非常严格，芯部内表面的粗糙度和结构的不完善将导致损耗加大，是总损耗大于TIR-PCF的主要原因。随着制备工艺的不断完善，PBG-PCF有希望达到理想的超低损耗。PCF的色散PCF具有可调节的奇异色散特性。材料色散由制备PCF的材料决定，一般是不变的；而波导色散随PCF结构的不同而变化，所以总色散值可以改变零色散位移至短波长波段可实现孤子传输和超短脉冲压缩近零超平坦色散近零超平坦色散PCF是WDM系统理想的光传输介质高负色散在色散补偿方面有巨大潜力随着PCF研究的深入和制备工艺的完善，将会逐步由实验研究走向实用化。突出优点光子晶体光纤和普通单模光纤相比有3个突出的优点：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；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；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1μｍ以下。光子晶体光纤（PCF）产品商业化丹麦CrystalFiberA/S（）是一家光子晶体光纤（PCF）产品商业化的公司。它的产品有：“非线性光子晶体光纤”NonlinearPhonoticCrystalFiber“大模场区域光子晶体光纤”(LargeModeAreaPhonoticCrystalFiber)“多模光子晶体光纤”(MultimodePhotonicCrystalFiber)“空气波导光子能带隙晶体光纤”（AirguidingPhotonicBandgapFiber）“双包层高数值孔径掺镱晶体光纤”（DoubleCladHighNAYbFiber)生产和研究PCF的公司丹麦BlazePhotonics公司OmniGuide通讯公司丹麦Lyngby公司光纤巨人康宁和三菱光缆也开始加入该行列