光子晶體光纖導(dǎo)光原理及在光纖通信的應(yīng)用

光子晶體光纖（PhotonicCrystalFiber，PCF），也稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)光纖（MicrostructureOpTIcalFiber，MOF），它具備許多獨(dú)特而新穎的物理特性，如：可控的非線性、無(wú)盡單模特性、可調(diào)節(jié)的奇異色散、低彎曲損耗、大模場(chǎng)等特性，這些特性是常規(guī)石英單模光纖所很難或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
因此，微結(jié)構(gòu)光纖引起了國(guó)外科學(xué)界的廣大關(guān)注，隨著微結(jié)構(gòu)光纖制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，微結(jié)構(gòu)光纖的各種指標(biāo)已取得了突破性進(jìn)展，各種微結(jié)構(gòu)光纖新產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。它不僅應(yīng)用到常規(guī)光通信技術(shù)領(lǐng)域，而且廣泛地應(yīng)用到光器件領(lǐng)域，如：高功率光纖激光器、光纖放大器、超連續(xù)光譜、色散補(bǔ)償、光開(kāi)關(guān)、光倍頻、濾波器、波長(zhǎng)變換器、孤子發(fā)生器、模式轉(zhuǎn)換器、光纖偏振器、醫(yī)療、生物傳感等領(lǐng)域。
光子晶體光纖又被稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)光纖，近年來(lái)引起廣泛關(guān)注，它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長(zhǎng)大致在同一量級(jí)且貫穿器件的整個(gè)長(zhǎng)度，光波可以被限制在光纖芯區(qū)傳播。光子晶體光纖有很多奇特的性質(zhì)。
例如，可以在很寬的帶寬范圍內(nèi)只支持一個(gè)模式傳輸；包層區(qū)氣孔的排列方式能夠極大地影響模式性質(zhì)；排列不對(duì)稱(chēng)的氣孔也可以產(chǎn)生很大的雙折射效應(yīng)，這為我們?cè)O(shè)計(jì)高性能的偏振器件提供了可能。
光子晶體的概念最早出現(xiàn)在1987年，當(dāng)時(shí)有人提出，半導(dǎo)體的電子帶隙有著與光學(xué)類(lèi)似的周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中最有發(fā)展前途的領(lǐng)域是光子晶體在光纖技術(shù)中的應(yīng)用。它涉及的主要議題是高折射率光纖的周期性微結(jié)構(gòu)（它們通常由以二氧化硅為背景材料的空氣孔組成）。
這種被談?wù)撝墓饫w通常稱(chēng)之為光子晶體光纖（PCFs），這種新型光波導(dǎo)可方便地分為兩個(gè)截然不同的群體。第一種光纖具有高折射率芯層（一般是固體硅），并被二維光子晶體包層所包圍的結(jié)構(gòu)。這些光纖有類(lèi)似于常規(guī)光纖的性質(zhì)，其工作原理是由內(nèi)部全反射（TIR）形成波導(dǎo)；相比于傳統(tǒng)的折射率傳導(dǎo)，光子晶體包層的有效折射率允許芯層有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，這些我們所謂的內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIR－PCFs），實(shí)際上完全不依賴(lài)于光子帶隙（PBG）效應(yīng)。
與TIR－PCFs截然不同的另一種光纖，其光子晶體包層顯示的是光子帶隙效應(yīng)，它利用這種效應(yīng)把光束控制在芯層內(nèi)。這些光纖（PBG－PCFs）表現(xiàn)出可觀的性能，其中最重要的是能力控制和引導(dǎo)光束在具有比包層折射率低的芯層內(nèi)傳播。相比而言，內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIR－PCFs）首先是被制造出來(lái)的，而真正的光子帶隙傳導(dǎo)光纖（PBG－PCFs）只是在近期才得到實(shí)驗(yàn)證明。
1991年，Russell等人根據(jù)光子晶體傳光原理首次提出了光子晶體光纖（PCF）的概念。
1996年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的J．C．Knight等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纖通信和光學(xué)研究領(lǐng)域中，PCF引起了全世界的普遍興趣。
光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)光原理
就結(jié)構(gòu)而言，PCF可以分為實(shí)心光纖和空心光纖。實(shí)心光纖是將石英玻璃毛細(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導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩類(lèi)：折射率導(dǎo)光機(jī)理和光子能隙導(dǎo)光機(jī)理。
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播，這種結(jié)構(gòu)的PCF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(chēng)為改進(jìn)的全內(nèi)反射，這是因?yàn)榭招綪CF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長(zhǎng)還小的緣故。
光子能隙導(dǎo)光機(jī)理：在理論上，求解電磁波（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的傳導(dǎo)條件，其結(jié)果就是光子能隙導(dǎo)光理論。
中心為空芯，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去，這是因?yàn)榘鼘又械男】c(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。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)光傳播，光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。
最近有研究表明，這種HF中可傳輸99％以上的光能，而空間光衰減極低，因此光纖衰減可能只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的1／2～1／4。但并不是所有PCF都是光子能隙導(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氣，傳光機(jī)理是利用包層對(duì)一定波長(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)生全內(nèi)反射，但包層中的小孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)就像一面鏡子，這樣光就在許許多多的小孔的空氣和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。
PCF的特性
PCF有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很靈活，具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu)；芯和包層的折射率差可以很大；芯可以制成各種各樣；“包層折射率”是強(qiáng)烈依波長(zhǎng)而變的函數(shù)，包層性能可以反映在波長(zhǎng)尺度上。正因?yàn)橛幸陨咸攸c(diǎn)，PCF有著以下許多奇異特性：
（1）無(wú)截止單模（EndlesslySingleMode）
傳輸普通單模光纖隨著纖芯尺寸的增加會(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于0．2，無(wú)論什么波長(zhǎng)都能單模傳輸，似乎不存在截止波長(zhǎng)。這就是無(wú)截止單模傳輸特性。這種光纖可在從藍(lán)光到2＆mu；m的光波下單模傳輸。
更為奇特的是這種特性與光纖的絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)，因此通過(guò)改變空氣孔間距可調(diào)節(jié)模場(chǎng)面積。在1550nm可達(dá)1～800＆mu；m2，實(shí)際上已制成了680＆mu；m2的大模場(chǎng)PCF，大約是常規(guī)光纖的10倍。小模場(chǎng)有利于非線性產(chǎn)生，大模場(chǎng)可防止發(fā)生非線性。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應(yīng)用，如激光器和放大器（利用高非線性光纖），低非線性通信用光纖，高光功率傳輸。
（2）不同尋常的色度色散
真空中材料色散為零，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)計(jì)很靈活，只要改變孔徑與孔間距之比，即可達(dá)到很大的波導(dǎo)色散，還可使光纖總色度色散達(dá)到所希望的分布狀態(tài)。如零色散波長(zhǎng)可移到短波長(zhǎng)，從而導(dǎo)致在1300nm實(shí)現(xiàn)光弧子傳輸；具有優(yōu)良性質(zhì)的色散平坦光纖（數(shù)百nm帶寬范圍接近零色散）；各種非線性器件以及色散補(bǔ)償光纖（可達(dá)2000ps／nm·km）都應(yīng)運(yùn)而生。
（3）極好的非線性效應(yīng)雙折射效應(yīng)
G．652光纖中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)是由于光纖的單位面積上傳輸?shù)墓鈴?qiáng)過(guò)大造成嚴(yán)重?fù)p傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個(gè)現(xiàn)象。然而，在光子能隙導(dǎo)光PCF中，我們可以通過(guò)增加PCF纖芯空氣孔直徑（即PCF的有效面積）來(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應(yīng)的目的。光子能隙導(dǎo)光的這個(gè)特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
（4）優(yōu)良的雙折射效應(yīng)
對(duì)于保偏光纖而言，雙折射效應(yīng)越強(qiáng)，波長(zhǎng)越短，所保持的傳輸光偏振態(tài)越好。在PCF中，只需要破壞PCF剖面圓對(duì)稱(chēng)性，使其構(gòu)成二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強(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式，可以制造出比常用的熊貓牌保偏光纖高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的高雙折射率PCF保偏光纖。
光子晶體光纖在光纖通信的應(yīng)用
PCF在光纖通信系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：傳輸光纖和光器件。PCF作為傳輸光纖的研究要點(diǎn)是改進(jìn)制造工藝、降低光纖損耗。PCF作為光器件的研究要點(diǎn)是通過(guò)調(diào)整PCF的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)PCF器件所需要的性能。
眾所周知，作為光信號(hào)傳輸介質(zhì)，無(wú)論是G．652光纖還是PCF都應(yīng)該滿(mǎn)足低損耗、小色散和低非線性效應(yīng)。與G.652損耗機(jī)理相同，PCF損耗主要來(lái)源于吸收和散射。此外，由于PCF結(jié)構(gòu)的特殊性，也自然帶來(lái)了一些特殊的損耗來(lái)源，如模式泄漏損耗和結(jié)構(gòu)缺陷損耗。表1給出了PCF的損耗來(lái)源。
人們采取了一系列措施來(lái)降低PCF的損耗，主要有（1）提高芯／包層材料的純度；（2）采用減少污染包層材料管的工藝；（3）通過(guò)合理設(shè)計(jì)空氣填充比／空氣孔數(shù)量來(lái)降低泄漏模式。
PCF具有的低損耗、小色散、低非線性效應(yīng)特性，使得其在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用是非常有前途的，尤其對(duì)于長(zhǎng)途通信系統(tǒng)。隨著PCF設(shè)計(jì)方法和制造工藝的不斷改進(jìn)，PCF性能正日趨完善。特別是K．Tajima等人通過(guò)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如空氣孔直徑d和空氣孔間距r，以及d／r比值，大道理既減少PCF的衰減，又改善PCF的色散和色散效率的目的?，F(xiàn)在，PCF已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)研究階段。
2003年初的世界光纖通信會(huì)議（OFC）上，日本電報(bào)電話(huà)公司（NTT）接入網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的K．Tajima等人報(bào)道了他們研制出的衰減為0.37dB／km的超低衰減、長(zhǎng)長(zhǎng)度的PCF。PCF具有完全的單模特性，可用工作波長(zhǎng)范圍為0.458—1.7＆mu；m。
C.Peucheret等人的研究小組利用5.6km的PCF線路進(jìn)行工作波長(zhǎng)為1550nm的40Gbit／s的傳輸實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用的PCF的有效面積是72平方＆mu；m、衰減為1.7dB／km、色散系數(shù)為32ps／（km.nm）。實(shí)驗(yàn)表明，PCF作為光信號(hào)傳輸介質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)的性能沒(méi)有劣化，與G.652光纖相比，PCF最大優(yōu)勢(shì)是在保證很小的偏振模色散系數(shù)的前提下，色散系數(shù)、有效面積和非線性系數(shù)可以靈活設(shè)計(jì)。
如上所述，PCF本身就是一種良好的色散補(bǔ)償光纖。通過(guò)靈活設(shè)計(jì)PCF的3個(gè)特征結(jié)構(gòu)參數(shù)：纖芯直徑、包層空氣孔直徑和包層空氣孔間距，我們就可以獲得很大的正色散，或者很大的負(fù)色散，或極寬波段的平坦色散PCF。特別是PCF的靈活色散、色散效率補(bǔ)償帶寬管理能量比G.652光纖大幾倍，故PCF具有優(yōu)良的色散補(bǔ)償性能，有希望代替普通的色散補(bǔ)償光纖，成為新一代色散補(bǔ)償光纖。
由于普通色散補(bǔ)償光纖的芯／包層折射率差?。?.45／1.3），所以其色散補(bǔ)償能力差。而PCF的芯／包層差大（1.45／1），因此PCF具有很強(qiáng)的色散補(bǔ)償能力。清華大學(xué)的研究人員從理論上計(jì)算了PCF的色散值，在計(jì)算中所選擇的PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)是：空氣孔間距為0.8＆mu；m，空氣孔直徑與空氣孔間距之比是0.835。
計(jì)算得到，在1.55＆mu；mPCF的色散值可以達(dá)到－2050ps／（km.nm），可以補(bǔ)償120倍長(zhǎng)度的G.652光纖（17ps／（km.nm）），可以補(bǔ)償240倍長(zhǎng)度的G.655光纖（8．2ps／（km.nm）），從而大大縮短了色散補(bǔ)償光纖的長(zhǎng)度。因此，PCF的色散補(bǔ)償作用在高速率、大容量、遠(yuǎn)距離的WDM系統(tǒng)中將會(huì)具有極大的應(yīng)用價(jià)值。
PCF可以構(gòu)成光纖激光器和光纖放大器，究其理由是通過(guò)調(diào)整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設(shè)計(jì)出模場(chǎng)面積范圍為1-1000＆mu；m2的PCF，使得PCF在光纖激光器和光放大器研制中比G.652光纖更具有優(yōu)勢(shì)。
已經(jīng)取得研究進(jìn)展的PCF與光纖通信相關(guān)應(yīng)用還有：光波長(zhǎng)變換、拉曼放大器、光孤子激光器、光纖光柵和連續(xù)譜發(fā)生器等。