光子晶體光纖及其研究現(xiàn)狀

1、光子晶體光纖及其研究現(xiàn)狀龍梅劉子麗(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,四川成都610041)摘要光子晶體光纖(PCF)具有獨(dú)特的光學(xué)特性和靈活的設(shè)計,在光通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了PCF的概念、導(dǎo)光原理、分類以及數(shù)值計算方法,總結(jié)了光子晶體光纖的研究成果。關(guān)鍵詞光子晶體;光子晶體光纖;導(dǎo)光原理作者簡介:龍梅(1982),女,1引言1人于,其結(jié)構(gòu)是由石英棒或石英毛細(xì)管排列拉制后在中心形成缺Knight等人又研制出包層具有蜂窩型空氣孔排列結(jié)構(gòu)的光子帶隙光纖。PCF有兩種類型:一種是具有石英空氣基質(zhì)包層的實芯石英光纖,它由純石英纖芯和具有石英空氣基質(zhì)的包層材料組成;另一種是具有石英空氣光子

2、晶體包層的空芯石英光纖。PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性,有效1地擴(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。PCF經(jīng)專門設(shè)計可具有大模面積且保持無限單模的特性,有效地克服常規(guī)光纖的設(shè)計缺陷,以這種具有新穎波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和特性的光纖作為有源摻雜的載體,并把雙包層概念引入到光子晶體光纖中,可以研制光子晶體光纖激光器。本文介紹了PCF的數(shù)值計算方法,總結(jié)了光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀。2光子晶體光纖的導(dǎo)光原理根據(jù)纖芯引入缺陷態(tài)的不同,PCF導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩類:全內(nèi)反射型和光子帶隙型。2.1全內(nèi)反射型PCF導(dǎo)光原理周期性缺陷的纖芯折射率(石英玻璃)大于周期性包層折射率(空氣),從而使光能夠在纖芯中傳播,這種結(jié)構(gòu)的PCF

3、導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射,但與常規(guī)G.652光纖有所不同,由于包層包含空氣,所以這種機(jī)理稱為改進(jìn)的全內(nèi)反射,如圖1所示。這是因為空芯PCF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長還小的緣故。(a)一種改進(jìn)的全內(nèi)反射PCF(b)導(dǎo)光圖圖1一種改進(jìn)的全內(nèi)反射PCF及其導(dǎo)光圖基金項目:西南民族大學(xué)校級項目(項目編號:26703501)9第27卷攀枝花學(xué)院學(xué)報第3期2.2光子帶隙型PCF導(dǎo)光機(jī)理理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實芯和空芯PCF的傳導(dǎo)條件,即光子帶隙導(dǎo)光理論。在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣,空氣芯折射率比包層石英玻璃低,但仍能保證光不折射出去,這是因為包層中的小孔點(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小

4、孔間距和小孔直徑滿足一定條件時,其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播,光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。如圖2所示,這種PCF可傳輸99%以上的光能,而空間光衰減極低,光纖衰減只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的1/21/4。(a)一種PBG光纖截面圖()圖2一種P3光子晶體光纖的分類3.1。因為只有很少一部分光,材料的非線性效應(yīng)明顯降低,損耗也大為減少?？招墓庾泳w光纖有可能成為下一代超低損耗傳輸光纖,空心光子晶體光纖將廣泛應(yīng)用于光傳輸,脈沖整形和壓縮,傳感光學(xué)和非線性光學(xué)中。3.2高非線性光子晶體光纖高非線性光子晶體光纖中的光是在由周期性排列的硅材料空氣孔圍成的實心硅纖芯中傳輸。通過選擇相應(yīng)的纖芯直徑,零色散波長可以選

5、定在可見光和近紅外波長范圍(670nm880nm),可用于頻率度量學(xué)、光譜學(xué)或光學(xué)相干攝影學(xué)中產(chǎn)生超連續(xù)光。3.3寬帶單模光子晶體光纖常規(guī)單模光纖實際上是波長比二次模截止波長小的多模光纖,而寬帶單模光子晶體光纖是真正意義上的單模光纖,這種特性是由于其包層由周期性排列的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成,主要用于短波長光傳輸,傳感器和干涉儀。3.4保偏光子晶體光纖傳統(tǒng)保偏光纖雙折射現(xiàn)象由纖芯附近合成材料熱擴(kuò)張差異差形成。保偏光子晶體光纖是由非周期結(jié)構(gòu)纖芯中空氣和玻璃的大折射率差而形成雙折射現(xiàn)象,從而得到更小的拍長,減小偏振態(tài)和保偏消光比之間的耦合曲率,主要用于光傳感器、光纖陀螺和干涉儀。3.5超連續(xù)光譜發(fā)生器的光子晶

6、體光纖超連續(xù)光子晶體光纖是特別設(shè)計用來把一種新的Q變換Nb微芯片激光器變成一種結(jié)構(gòu)緊密,低成本,譜寬覆蓋550nm1600nm范圍,平坦度好于5dB的超亮光超連續(xù)光源。由于有較好的色散系數(shù),20m長的這種光纖就可以實現(xiàn)與脈寬為1ns,重復(fù)率為6k,平均功率為幾十毫瓦的脈沖激光器具有幾乎3+相同的變換效率。超連續(xù)光源主要應(yīng)用于光子學(xué)設(shè)備的測試、低相干白光干涉計、光相干攝像和光譜學(xué)中。3.6大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖中的光是在由同心環(huán)的硅材料空氣孔圍成的實心硅纖芯中傳輸。由于實心纖芯和包層的大折射率差,使得該光纖數(shù)值孔徑比全硅多模光纖大得多。大數(shù)值孔徑增加了從白熾燈或弧光

7、燈熱光源和從低亮度半導(dǎo)體激光器獲取光的能力。這種光纖在633nm處數(shù)值孔徑可達(dá)0.6,10第27卷龍梅劉子麗:光子晶體光纖及其研究現(xiàn)狀第3期主要應(yīng)用于白熾燈或弧光燈光的傳輸、低亮度泵浦激光的傳輸以及光傳感器中。4PCF的數(shù)值計算方法4.1平面波展開法(PlaneWaveExpansionMethod,PWE)平面波法2是光子晶體理論中物理概念最清晰的一種方法,可以用于處理一維、二維、三維復(fù)雜的周期性結(jié)構(gòu)問題。它可以計算光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)包括光子帶隙的位置和寬度等。該方法是從Maxwell方程得到電磁場的全矢量方程后,將模場分解為平面波分量的疊加,同時將折射率展開為傅立葉級數(shù),然后再將以上分解代

8、回電磁場的全矢量方程求解。但是平面波法的計算精度較低,且因為分解后產(chǎn)生了很多項而使效率較低。4.2等效折射率方法(EffectivendexMethod,EIM)有效折射率法3是一種解析方法,它是將光子晶體光纖等效為一階躍型折射率光纖進(jìn)行模擬研究。征方程時帶來較大的誤差,。光子晶體光纖的模式特征主要由其基模決定,效折射率的矢量特征方程,最后求得光子晶體光纖的波導(dǎo)色散和總色散。,還可以滿足較高的精度要求,但它在分析光波模式4.3(FiniteDifferenceTimeDomainMethodFDTD)時域有限差分法4是YeeKS在1966年提出的求解電磁場問題的一種數(shù)值方法。它直接將隨時間變化

9、的Maxwell方程組轉(zhuǎn)化為有限差分方程,得到場分量的有限差分式。通過研究Yee氏空間網(wǎng)格及電磁場的初值和邊界條件,可以直接得到方程的數(shù)值解。此方法易于編程實現(xiàn),但數(shù)值計算量大。它可用來研究光子晶體光纖中的各種問題,包括色散,模式和非線性等。4.4有限元法(FiniteElementMethod,FEM)對于包層空氣孔分布不規(guī)則的非均勻光子晶體光纖,可以用有限元法進(jìn)行計算。有限元法5是20世紀(jì)50年代中期至60年代末出現(xiàn)的一種現(xiàn)代計算方法。目前隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,出現(xiàn)了很多大型的專業(yè)有限元分析軟件。有限元法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和電磁學(xué)等許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。4.5超原胞方

10、法(SupercellLatticeMethod,SLM)6超原胞方法又稱正交函數(shù)展開法,由Monro等人提出,將PCF的橫向介電常數(shù)表示為兩種周期性結(jié)構(gòu)疊加,這兩種周期性結(jié)構(gòu)分別用余弦(或正弦)函數(shù)展開。同時考慮到光子晶體中的光場模式是一種局域態(tài),將光場用局域性很強(qiáng)的Hermite一Gaussian函數(shù)展開。利用正交函數(shù)的性質(zhì),將全矢量波動方程轉(zhuǎn)化成矩陣本征值方程,從而求得模場分布、偏振特性、色散特性等。對模場求解既可以用矢量法,也可以用標(biāo)量法,使用標(biāo)量法時,要求PCF的d/A足夠小才能精確求解,效率高,過程簡單。除了上述方法以外,還有多重散射方法(Multiple一scatteringth

11、eory,MST)、光束傳播法(Beampropa27gationMethod,BPM)等等。5光子晶體光纖的研究成果2001年,英國Bath大學(xué)Wadsworth等人實現(xiàn)了雙包層光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。雙包層光子晶體光纖摻3+m,數(shù)值孔徑0.11,內(nèi)包層直徑150m,數(shù)值孔徑0.8,利用20W光纖雜離子為Yb離子,纖芯直徑15.211第27卷攀枝花學(xué)院學(xué)報第3期耦合二極管陣列泵浦該光纖,光纖長度為17m,獲得了3.9W功率輸出,斜效率21%。實驗中發(fā)現(xiàn),雙包層光子晶體光纖存在隨機(jī)散射中心,說明纖芯中存在著缺陷,有待進(jìn)一步完善光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)。3+2002年,日本Norihiko等人以鎖模摻Er光

12、纖激光器為泵浦源,結(jié)合周期極LiNbO3,泵浦長60cm的m的孤子脈沖,脈寬為55fs,所用PCF芯徑為1.7m,高非線性PCF,得到波長調(diào)諧范圍為0.78-0.90m處。零色散波長大約在0.692003年1月,Wadsworth等人報導(dǎo)了利用大模面積空氣包層PCF研制的高功率PCF激光器,為雙程后向線性腔結(jié)構(gòu),最大輸出功率3.9W,斜率效率30%,實現(xiàn)單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。所采用的PCF纖芯直徑為m,內(nèi)包層數(shù)值孔徑大于0.8。為了使包層中的泵浦光最大限度的耦合到纖芯中,提高纖芯對泵浦光15的吸收,PCF的摻雜纖芯采用了偏芯設(shè)計。3+2004年,Blaze曾發(fā)布了一款新型PCF,該光纖是針對Nd3微芯片

13、激光器特別優(yōu)化設(shè)計的,可產(chǎn)生超連續(xù)光譜,這種光譜可在單模光纖中產(chǎn)生一個寬帶輸出,光譜亮度超過太陽10000倍laze表示利用微芯片激光器和PCF可獲得高性能光源,將會取代超高亮度LED,員理論上計算了PCF的色散值,所選擇PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)為:0距之比是0.835。研究結(jié)果表明:PCF、WDM系統(tǒng)中具有極大的應(yīng)用價值。2005年,英國Bath大學(xué)A.B的泵浦脈沖在PCF中產(chǎn)生了超連續(xù)譜,日本電報電話公司T.、脈寬2.2ps、重復(fù)頻率40GHz的光脈沖注入到200m區(qū)域產(chǎn)生了超過40nm的均勻超連續(xù)譜,而美國Ro2chester大學(xué)Z.8M.ZhuFiberA公司低雙折射、高非線性PCF獲得6001

14、000nm的超連續(xù)譜。92006年,A.Argyros等人拉制出了聚合物材料的空氣傳導(dǎo)光子帶隙光纖。10同年,該大學(xué)的M.vanEijkelenborg等人又用聚合物材料拉制出了矩形纖芯的光子晶體光纖。由于不同于傳統(tǒng)石英材料光子晶體光纖堆拉法的拉制工藝,這些由聚合物材料拉制出的光纖具有更大的靈活性。2007年,張明明、馬秀榮等人設(shè)計了一種高雙折射光子晶體光纖11,即增大兩個與纖芯相鄰的空氣孔直徑,使光纖只具有二重對稱性,呈現(xiàn)出較高的雙折射.通過壓縮X軸方向孔間距,進(jìn)一步增大雙折射度。采用全矢量有限單元法,研究了該光子晶體光纖基模對應(yīng)的相雙折射和群雙折射,給出了該高雙折光纖結(jié)構(gòu)的相雙折射在155

15、0nm處可以達(dá)到5.010,在更長的波長處,這一值會更高。122008年,黃艷月針對THz頻域?qū)υO(shè)計層狀一維光子晶體光纖材料的原則,在高折射率材料中選取As2Se3(n=2.8)、GeS(n=2.5),低折射材料選取Teflon(n=1.31)和TPX(n=1.63)和PES(n=1.55).采用傳輸矩陣法結(jié)合MATLAB編程分析六種材料匹配組合時光在其中傳輸?shù)膸督Y(jié)構(gòu),最終在0.1-1Thz波段設(shè)計出高折射率層材料取折射率為2.8的As2Se3;低折射率層取折射率為1.31的Telfon,為最佳層狀一維光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。15孔的塌陷控制倏逝場。P.Falk等研究了在TPCF中超連續(xù)譜的產(chǎn)生,

16、指出了錐體結(jié)構(gòu)參數(shù)和泵浦功率16對超連續(xù)譜的影響。-3參考文獻(xiàn)J.Opt.Lett.,1996,21(19):1547-154912第27卷龍梅劉子麗:光子晶體光纖及其研究現(xiàn)狀第3期5Y.Li,C.wang,M.Hu,Afullyvectorialeffectiveindexmethodforphotoniccrystalfibers:pplicationtodispersioncalcula2tion,Opt.Comm,2004,238:29-33.6王長青,祝西里,等1電磁場計算中的時域有限差分法M.北京大學(xué)出版社,1994:14-17.8Z.Wang,G.Ren,S.Lou,Anovel

17、supercelloverlappingmethodfordifferentphotoniccrystalfibersJ.IEEEJ.ofLight2waveTechnology,22(3):903-916.9ArgyrosA,vanEijkelenborgMA,LargeMCJ,etal.Hollow-coremicrostructuredpolymeropticalfiberJ.OpticsLetters,2006,31:172-17410vanEijkelenborgM,IssaN,HiscocksM,etal.Rectangular-coremforintercon2nectappli

18、cationsJ.ElectronicsLetters,2006,42:201-20213張明明,馬修榮,等1,2008,37(6):1136-112914黃艷月1THzJ.贛南師范學(xué)院學(xué)報,2008,(3):61-6515R.etal.,FullvetorbeampropagationmethodmodelingofdualcorephotoniccrystalfibercouplersJ.PrIE,61822K1-8.16LimpertHigh-powerair-cladlarge-moge-areaphotoniccrystalfiberlaserJ.OpticsExpress.2003,11(7):818-823.PhotoniccrystalfiberandresearchLongmeiLiuZi-liAbstract:Photoniccrystalfiber(PCF)hasauniqueopticalpropertiesa