光子晶体光纤发展概况

第1页共9页光子晶体光纤发展概况自从第三次工业革命以来，电子信息技术的极速发展给我们的世界带来了前所未有的巨大变革。所有这一切都建立在人类对电子在半导体等材料中运动规律的不断深入的认识的基础之上。然而，随着科技的发展，以半导体器件为基础的系统越来越表现出它的局限性，人们期望更高的运算速度，更大的存储空间，更高的传输效率。于是，相当一部分科技人员把目光投向了光子。人类迫切需要一种“光波的半导体”。在此背景下，光子晶体应运而生。1987年，美国贝尔实验室的EliYablonovitch首先提出了光子晶体的概念【1】。所谓光子晶体，就是指具有光子带隙结构的一类周期性电介质结构。光子晶体的理论来源是光子及电子运动方程的可类比性，类似于电子能带的布里渊区，对于存在光子能隙的介质来说不是所有频率的光都能在其中传播，相应于光子能隙区域的那些频率的光将不能通过介质而是被全部反射出去【2】。这是一种类似于光波形式的滤波器的特性，这给予了人们一种驾驭光子的全新手段。这是一件具有里程碑意义的发现。尽管光子晶体是一种周期性的人工微结构，但在自然界中也存在一些天然的光子晶体结构，比如蛋白石的表面，帝王蝴蝶的翅膀上存在一种晶胞为四面体的光子晶体结构，澳洲海鼠的毛上也很存在光子晶体结构【25】。自从EliYablonovitch提出光子晶体的概念之后，人们开始致力于制备出这种奇妙的晶体。由于受制于机械加工的精度，上世纪80年代末到90年代初，人们一直无法制造出真正意义上的光子晶体。不过，美国的Yablonovitch首先加工出了微波波段的光子晶体，并且验证了他提出的光子晶体的理论,1991年，Yablonovitch等人首先制造出了具有完全能隙的三维结构的晶体【4】。在1992年的时候，Yablonovitch与省理工学院林肯实验室的ElliotBrown及ChrisParker合作，用光子晶体反射微波天线的信号。以前，天线是做在半导体基片上，大部分微波进入到了基片中而不是进入空气，例如，装在半绝缘的砷化稼上面的单偶极天线只能将2%的功率反射到空气中；但是，Yablonovitch等人环氧树脂基材料制造了一种光子晶体，内腔的间隔为7~8毫米，这样就造成了13~16GHz的频率带隙，然后在晶体表面上安了一个头角形式的展开天线,将13.2GHz的微波信号输入天线上，他们从各个角度测量了从天线上辐射的信号发现儿乎所有的信号都传送到了空气中【3】。第一次对光子晶体进行了应用。由于光子晶体的独特性第2页共9页质，其有着广泛的应用前景：如上述利用光子晶体具有光子禁带这一基本性质，可以将其用作光子晶体全反射镜和损耗极低的三维光子晶体天线；此外，利用光子禁带对原子自发辐射的抑制作用，可以大大降低因自发跃迁而导致复合的几率，设计制作出无阈值激光器和光子晶体激光二极管；通过在光子晶体中引入缺陷，使得光子禁带中产生频率极窄的缺陷态，可以制造高性能的光子晶体光过滤器、单频率光全反射镜和光子晶体光波导；如果引入的是点缺陷，则可以制作成高品质因子的光子晶体谐振腔；而二维光子晶体对入射电场方向不同的TE，TM偏振模式的光具有不同的带隙结构，又可以据此设计二维光子晶体偏振片，只要这两种偏振模式的禁带完全错开就可以获得单一模式的出射光，这种偏振光具有很高的偏振度和透射率；还有其他更广泛的应用，如：光开关、光放大器、光聚焦器等等【19】。上世纪90年代初期，我国相关领域的人员开始关注光子晶体【3】【5】【2】【6】，1994至1995年，张道中对光子晶体进行了比较系统的介绍，并对光子晶体可能的准备方法、应用前景就行了初步分析【2】【7】。上世纪90年代中后期，对光子晶体的研究逐渐成为热点。我国有不少人投入到对光子晶体相关理论的计算及制备，应用的研究中去【7】【8】【9】【10】。1997年，梅东滨等人通过胶体生长制造出来三维二氧化硅胶体光子晶体，并对其能隙等物理性质进行了测试【9】。光子晶体的概念一经提出，人们马上就联想到可以以其为基础制造光子晶体光纤。所谓光子晶体光纤就是在二维光子晶体材料中引入缺陷，从而将光限制在其光纤的纤芯中，从而实现光的传输。根据光子晶体光纤导光原理的不同，可以将其分为三类：全内反射光子晶体光纤（TIR-PCF)，光子禁带光子晶体光纤（PBG-PCF），以及耦合共振器光学波导(CROW)【14】。TIR-PCF在二维光子晶体光纤中引入SiO2棒做为缺陷破坏其周期结构，光纤纤芯和包层使用的是同一种材料,材料本身不存在折射率上的差异，其导光原理与传统光纤类似，作为包层的光子晶体由于在SiO2材料中引入了空气孔，其平均折射率低于纤芯，光在纤芯及包层界面处发生全反射，实现光的传导。PBG-PCF则完全不同于传统光纤，它对光的传导不再依赖全反射，它是在二维光子晶体材料中引入空气孔做为缺陷，纤芯折射率低于包层的有效折射率，处于包层的光子晶体能隙段的光无法在包层中传输，于是被限制在纤芯中，实现导光的目的，这是一种严格意义上的第3页共9页光子晶体光纤。但是，光子带隙效应对光纤微结构的均匀性和光纤参数有较高的要求，导光窗口极大地依赖于光纤的结构参数，因此PBG-PCF光纤的制备难度远远高于全内反射光子晶体光纤【16】。CROW由三维光子晶体中缺陷腔耦合实现，这些缺陷腔的共振频率是位于它周围的二维光子晶体结构的带隙之内，因而它允许高Q光学模，这种情况下的耦合是由于倏逝的布洛赫波,它是由二维光子晶体中相邻的点缺陷实现的【14】。无论是TIR-PCF还是PBG-PCF，相对于传统光纤都有其独特的优势。对于全内反射光子晶体光纤来说，它的单模频率范围很宽，为了保证单模传输,普通的阶跃式折射率光纤纤芯内传输模式的数量必须满足：405.22221nndVsd为纤芯直径，n1、n2为纤芯与包层的折射率λ为波长，而对于光子晶体光纤来说，22212nnVpΛ为包层晶体的孔间距离，可以看出其值是有限的，在短波极限情况下它的值不直接与λ和Λ相关而是依赖于气孔孔径的相对尺寸，只要孔径相对尺寸足够小就可以维持单模，长波情况下，随波长增大V值减小，短波方向存在V值的有限值极限，只要极限值小于2.405，理论上就有全波段范围的单模特性【11】；其次，其色散特性可调，传统阶跃光纤的色散零点是无法移到短波区的，而TIR-PCF的色散零点是可以移到短波区的，另外通过减小气孔的尺寸还可以降低全内反射光子晶体光纤的色散斜率，这就有可能设计出在800nm波长以外的平坦反常色散曲线从而使色散补偿变得更加简单【11】。光子禁带光子晶体光纤的许多特性更为优良，PBG-PCF可以实现无截止单模传输，其单模传输条件为：22212nnVpΛ为空气孔之间的距离，由于空气填充的基模折射率主要依赖于波长，当波长变小时，空气孔中的模场能量就会减少，从而减少纤芯和包层的折射率差，使得V几乎保持不变,接近一个常数，光子晶体光纤就可以实现无尽单模传输【12】，其色散特性同样可调，其具有大模场面积特性，有效模场面积大的接收的光功率密度第4页共9页就小,这样大模场面积光纤就可以避免非线性效应的影响，随着d（Λ为包层孔间距,d为空气孔直径）比值的增大,有效模场面积也会逐渐变大,这样就使得光纤的单模传输能在较宽的带宽中实现,从而输出较好质量的光束【13】，其具有非线性可控特性，与传统光纤相比,光子晶体光纤具有较高的非线性系数，当减小光纤的有效纤芯面积,可以提高光纤的非线性效应，我们也可以通过改变孔间距来获得有效模场面积比普通光纤小的光子晶体光纤【12】。此外，由于将光严格限制在纤芯，PBG-PCF完全消除了横向平面内的光损耗。而耦合共振器光学波导有可能做到无损耗弯曲，由对称性考虑，如果独立的共振器模具有n度的旋转对称性，则它就可以做到2nπ度弯曲，因为弯曲处的共振器对靠近它的两个近邻的共振器的耦合是一致的，它弯曲的透射系数可以达到100%，并且可用于非线性光学频率转换【14】。早在1992年，Russell等人提出了光子晶体光纤的可能性,他们认为，如果把二维空间的折射率周期性变化引入到光纤横截面中并沿着光纤的轴向作一维无限延伸，这种二维光子晶体结构将有可能把光局限在光纤中央结构缺陷中，而使光子仅仅在光纤轴向具有自由度，从而可以使光沿着光纤轴向传播【16】。1995年，Birks等人利用平面外光子带隙进行导光从理论上证明了光子晶体光纤的可行性【15】。1996年，Knight与Russell等人成功制造出了全内反射光子晶体光纤，并成功验证了其只支持单模的特殊性能【17】，1997年，英国已经将全内反射光子晶体光纤投入实用【41】。直到1998年，真正意义上的光子晶体光纤—光子禁带光子晶体光纤才由Russell等人拉制成功【18】。随着制造工艺的不断进步，人们不断制造出各种功能的光子晶体光纤，并且将多种技术与光子晶体光纤结合起来，其用前景非常广泛，成为这些年来研究的热点。我国的科研人员一直在关注光子晶体光纤的发展【20】，进入21世纪后，一大批关于光子晶体光纤的研究成果得以发表，对光子晶体光纤从理论上【21】【22】、制造上及应用上【14】【23】【24】进行了系统的介绍、研究。而后，我国科技人员对光子晶体光纤的研究与应用极速增快，对其理论、应用的研究不断深入，对光子晶体光纤的研究很快就成为一个热点。光子晶体光纤传感器是光子晶体光纤研究的一个重要方面，光子晶体光纤传感器通常分为光强调制型传感器、偏振调制型传感器、波长调制型传感器、相位第5页共9页调制型传感器四类。光纤传感器重量轻、体积小、性质稳定、抗干扰能力强等优点，一直备受关注，但由于其存在交叉敏感、耦合损耗大、保偏性差等问题，使其应用受到限制，光子晶体光纤的出现为这些问题的解决提供了新的思路，使光纤传感器的应用范围进一步扩展。以光子晶体光纤光栅传感器为例，自从1999年Eggleton等人通过载氢同位素处理增加光纤的光敏特性，利用紫外曝光法在掺锗PCF的芯层成功写入了布拉格光栅和长周期光栅以来【26】，光子晶体光纤光栅传感器发展迅速。2000年的时候，Blanchard等人利用光子晶体光纤光栅中单波长的干涉技术，完成了对大桥的形变进行了测量【28】。2003年，Groothoff等利用双光子吸收法制成光子晶体光纤光栅，该光纤光栅具有良好的高温稳定性，实验证明，其在500℃高温下的透射谱与常温下的透射谱几乎一样【27】。2004年，Lim等人利用机械压力诱导法在PCF上制作出可调节的长周期光纤光栅。同年，Lim等人又利用两个相同的3dB长周期光纤光栅作为耦合器制作了PCFMach-Zehnder干涉仪【26】。2006年,Dobb等报道了一种长周期光子晶体光纤光栅，其温度灵敏度小于6pm/℃，较好地解决了交叉敏感问题【27】。2010年，Liu等人利用飞秒红外激光在大模场PCF的包层中钻孔来制备长周期光栅，其制备的长周期光栅长度约为4mm，周期为420μm，透射谱的谐振波长为1559nm【26】。国内机构对光子晶体光纤光栅进行了大量的研究工作【29】~【40】。2004年，Zhi等人通过对PCF长周期光纤光栅模拟分析表明，其谐振波长对光栅周期呈非单调性变化，并且对于某一特定的光栅周期，可能存在多个谐振波长【26】。2005年，Fu等人利用紫外飞秒激光器在纯硅PCF上写入了布拉格光栅【26】。2005年至2006年，南开大学现代光学研究所在柚子型PCF上成功写入了FBG，此类光栅适合应用到多参量传感领域，并且将此类光栅应用于光纤激光器，利用偏振烧孔效应可以实现多波长激光输出【29】。2009年，彭晖等人提出一种基于光子晶体光纤双折射的微弱压力光栅传感系统其灵敏度为0.75/MPa【30】。2010年，ShujingLiu等人用飞秒红外激光在大模场PCFs包层中钻孔制备LPG，长度约为4mm，周期为420μm，LPG透射谱的谐振波长为1559nm，其谐振峰的的强度随着钻孔的数目的增加而增大【33】。2012年，景磊提出一种基于双波长掺铒光纤激光器模式竞争的有源