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光子晶体光纤设计与分析
摘要：光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤（以下简称PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型——折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型PCF可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。
关键词：PCF原理结构分析制备特性应用
正文：
一.PCF的导光原理
按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。
1.1折射率导光机理
周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种
同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。
1.2光子能隙导光机理
理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。
空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。
二．PCF的结构与制作
PCF的结构一般是在石英光纤中沿径向有规律地排列着许多空气孔道，这些微小的孔道沿光纤轴线平行排列。根据其结构类型可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是纤芯为石英玻璃、包层为石英玻璃中分布许多空气孔道和石英玻璃壁的组合体。空心光纤的纤芯为一条直径较大的空气孔道，包层与实心光纤类似。通过设计这些空气孔的位置、大小、间距及占空比等波长量级的特征参数，对某以波段形成带隙，从而对这一波段的光传播是实现控制。
光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程,如KnightJC等的制作方法:
(1)取一根直径为30mm的石英棒,沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔,随后将石英棒研磨成一个正六棱柱;
(2)把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中,将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱丝;
(3)把正六棱柱丝切成适当长度的若干段,然后堆积成需要的晶体结构,再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸,使内部空气孔的间距减小到50Λm左右,形成更细的石英丝;
(4)在以上工作的基础上,把上述石英丝高温拉伸,形成最后的PCF。在以上3个阶段的拉伸过程中,晶胞减少了104数量级以上,最后形成的光子晶体的孔间距在2Λm左右。PCF沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔,从PCF的横切面看,存在着周期性的二维结构。如果核心处引入一个多余的空气孔,或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替,从而在光子晶体中引入一个“缺陷”作为核心。
三.PCF的参数特性
3.1空心PCF
空心PCF中的光是在由周期性排列的硅材料空气孔围成的空心中传输。因为只有很少一部分光在硅材料中传输，所以相对于常规光纤来说，材料的非线性效应明显降低，损耗也大为减少。据预测，空心光子晶体光纤最有可能成为下一代超低损耗传输光纤，在不久的将来，空心PCF将广泛应用于光传输，脉冲整形和压缩，传感光学和非线性光学中。目前，已开发出多种商用空心光子带隙光纤，波长覆盖440nm~2000nm。
3.2高非线性PCF
高非线性PCF中的光是在由周期性排列的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。通过选择相应的纤芯直径，零色散波长可以选定在可见光和近红外波长范围(670nm~880nm)，使得这些光纤特别适合于采用掺钛蓝宝石激光或Nb3+泵浦激光光源的超连续光发生器。Blazephotonics的PCF非线性效应可达245W-1km-1，可用于频率度量学、光谱学或光学相干摄影学中超连续光发生器。
3.3宽带单模PCF
常规单模光纤实际上是波长比二次模截止波长小的多模光纤，而宽带单模光子晶体光纤是真正意义上的单模光纤。这种特性是由于其包层由周期性排列的多孔结构构成。Blazephotonics的宽带单模光子晶体光纤的损耗低于0.8dB/km，主要用于空间单模场宽带辐射传输，短波长光传输，传感器和干涉仪。
3.4保偏PCF
传统保偏光纤双折射现象由纤芯附近差异热扩张的合成材料形成，当光纤在拉制降温过程中差异热扩张产生压力。相反保偏光子晶体光纤是由非周期结构纤芯