光子晶体光纤的原理_应用和研究进展

1、综述光子晶体光纤的原理、应用和研究进展池灏,曾庆济,姜淳(上海交通大学宽带光网技术研发中心,上海200030摘要:光子晶体光纤(PO F与普通光纤在光纤结构、单模特性、色散特性和非线性特性等方面有着显著的差别。本文将简要分析PCF的原理,并探讨其重要特性以及应用价值,最后回顾了近来PCF的研究进展。关键词:光子晶体;光纤;光子晶体光纤(PCF;多孔光纤;色散补偿;非线性中图分类号:O753;O734文献标识码:A文章编号:100520086(20020520534204Photon ic Crysta l F iber:Theory,Appl ica tion s and Recen t Pr

2、ogressCH I H ao,ZEN G Q ing2ji,J I AN G Chun(Center fo r B roadband Op tical N etw o rk ing T echno logy,Shanghai J iao tong U niversity,Shanghai200030,Ch inaAbstract:Pho tonic crystal fibers(PCFare quite different from standard op tical fibers in fiber structure,mode p roperty,dispersi on and nonli

3、nearity.In th is paper,theo ry,i m po rtant p roperties and app licati ons,and recent advances of these fibers w ill be p resented.Key words:Pho tonic crystal;Op tical fiber;Pho tonic C rystal F iber(PCF;Ho ley fiber;D ispersi on com2pensati on;N onlinearity1引言光子晶体(p ho ton ic crystal概念最初由E.Yab2 lon

4、ovitch和S.John1,2于1987年各自提出的。他们期望,由介电常数周期分布构成的介质材料能够改变其间传播的光的性质。类似于半导体材料中,具有周期性电势场的原子晶格结构使电子形成能带结构;光子晶体中,在一维、二维或三维空间中折射率的周期性分布,能够使得在其间传播的光子形成禁带结构,即产生光子禁带(p ho ton ic band gap,PB G。光子之于人工周期性介电材料,相当于电子之于半导体材料,光子晶体因此而得名。如果光子频率处于禁带内,光子晶体内的原子、分子的自发辐射和相互作用都会发生根本性的变化。另外,当光子晶体的周期性遭到破坏时,在PB G内会出现频率极窄的缺陷态,使得光子

5、晶体能够控制光在其中的传播。光子晶体的应用和潜在应用包括:光子晶体天线、光子晶体波导和光学集成光路;由光子晶体构成半导体微腔制备无阈值激光器、损耗反射镜及滤波器;当掺入非线性介质进,还可望应用于光开关、光限幅、光双稳和光倍频等3,4。光电子激光第13卷第5期2002年5月Journal of Op toelectronicsL aserV o l.13N o.5M ay2002收稿日期:20012082203基金项目:国家自然科学基金资助项目(69990540以及空气孔中的介质有关,预示着它可以应用于倏逝场器件,用作微量气体传感。本文首先分析PCF 的导光原理,然后讨论PCF 的一些重要特性及

6、其主要应用,最后回顾近来国际上的PCF 主要研究热点和进展。2PCF 的导光原理如图1所示的PCF 中,存在两种截然不同的导光机制6。最初提出PCF 概念的时候,希望利用PB G 效应来导光。数值分析表明,如图1所示的六边形晶格结构存在完全的二维禁带,即在一定频率范围内光无法在横向传播;只有在空气孔相当大的时候(孔直径不小于孔间距的40%,禁带才会出现。当该结构中引入缺陷时,如图1中的1个空气孔缺失,就会在禁带中产生局域态,PCF 就有可能利用这个局域态沿着光纤方向导光。图1所示光纤中PB G 导光已经在实验室中实现。如果空气孔采用蜂窝状的分布结构,会导致更宽的PB G ,导光方式也已经发现。

7、采用PB G 导光,除了要求较大的气孔外,还要求较精确的气孔排列 。图1PCF 截面F ig .1PCF cross section A defect isi n troduced i n to the structure第2种导光机制称为全反射结构,与普通光纤的传光方式类似,它对空气孔排列的精确程序要求较低,也不要求大直径的气孔。中间空气孔缺失而引起缺陷,会使中间的缺陷区域和外围的周期性区域出现有效折射率差,从而使光可以传播,中间的缺陷相当于纤芯,而外围的周期性区域相当于包层。全反射型的导光机制已经被证实,它并不依赖于周期性结构产生的PB G 。在理论上,其它类型的气孔排布也可以达到同样的功

8、能。这种导光机制的PCF 实现起来相对简单,目前大多数的研究和应用都是针对这种类型的,本文讨论的PCF 特性与应用也主要以它为主。值得注意的是,如果空气孔较大,并且选择合适的晶体结构,PB G 导光和全反射型导光可以共存于PCF中。由于PCF 的新颖性,这里有必要区分有关概念。光子晶体指的是在一维、二维或者三维空间上介电常数周期分布的材料;PB G 是指在二维或三维空间中,某一限定波长范围内所有的光模式都被抑制。根据上述定义,光纤布拉格光栅(FB G 也是光子晶体,它存在阻带但不存在禁带结构。PB G 只在特别设计的光子晶体中才会出现,一般光子晶体并不都具有PB G 结构,相应的也并非所有的P

9、CF 都利用PB G 结构导光5。3PCF 的特性与应用PCF 最引人注目的一个特点是,结构合理设计的PCF 具备在所有波长上都支持单模传输的能力,即所谓的无休止单模特性(endlessly single 2m ode ,这个特性已经得到了很好的理论解释5。这需要满足空气孔足够小的条件,空气孔径与孔间距之比必须不大于0.2,才具备无休止单模特性。空气孔较大的PCF ,将会与普通光纤一样,在短波长区会出现多模现象。无休止单模特性的部分原因是纤芯和包层间的有效折射率差依赖于波长。波长变短时,模式电场分布更加集中于纤芯,延伸入包层的部分减少,从而提高了包层的有效折射率,减少了折射率差,这抵消了普通单

10、模光纤中当波长降低时出现多模现象的趋势。还有更加复杂的原因。当波长降低到一定程度时,模式电场分布基本上固定下来,不再依赖于波长。在这个区域单模传输的原因是,当空气孔满足足够小的条件时,高阶模式光的横向有效波长远小于孔间距,从而使得高模光从孔间泄漏出去。这只是定性的分析,详细分析请参考文献7。PCF 的无休止单模特性还与绝对尺寸无关,光纤放大或缩小照样可以保持单模传输,这表明可以根据特定需要来设计光纤模场面积8。英国B ath 大学的研究人员已经制做出了工作在458nm 、纤芯直径是23m 的单模PCF ,这在传统的单模光纤中需要控制折射率差的精度达到10-7,是化学气相沉积法所无法达到的。这种

11、PCF 的模场面积约为传统单模光纤的10倍,当用于传输高功率光时而无须担心出现非线性效应,同时还可以应用于光放大器和激光器5。反之,当需要强非线性效应时,可以减少光纤的535第5期池灏等:光子晶体光纤的原理、应用和研究进展模场面积。通过改变孔间距可以调节有效模场面积,调节范围在1.5m波长处约为1800m2。如果在空气孔中填充合适的非线性材料,会显著提高PCF 的非线性。B ell实验室发现,由峰值功率只有数W的100fs光脉冲。注入75c m长的PCF,产生了超宽连续光谱的单模光,带宽达到1000nm,从紫光到近红外。超宽连续光谱的产生涉及一系列复杂的非线性过程,与之相关的因素可能包括极低的

12、有效模场面积、特殊的色散特性和PCF的低损耗911。PCF的一个重要特点是其奇异的色散特性。例如,PCF能够在波长低于1.3m获得反常色散,同时保持单模,这是传统阶跃光纤无法做到的。反常色散特性为短波长光孤子传输提供了可能性。另外,这种光纤也为制做工作在可见光波段的光孤子光纤激光器提供了可能,在PCF中已成功产生了850nm光孤子,将来波长还可以降低。改变空气孔的排布和大小,PCF的色散和色散斜率会随之剧烈的改变。目前,对PCF色散特性的内在机理尚未有透彻的认识,还无法从理论上指导如何设计PCF获得需要的色散特性,而只能针对某种设计通过数值模拟得到其色散特性。B irk s等的分析表明,合理设

13、计的PCF可以获得100nm带宽,超过-2000p s nmkm的色散值,可补偿为自身长度35倍的标准光纤引起的色散。这预示着PCF在未来超宽W DM的平坦色散补偿中可能扮演重要角色1214。PCF还可以应用于传感。通过改变结构,纤芯中的光模耦合入空气孔的倏逝波强度可以提升到40 %,这使和PCF可用作倏逝场器件。结合PCF的无休止单模特性,可用于多成分气体传感场合,因为不同气体成分的特征吸收峰可能截然不同15。在PCF 中引入多个缺陷从而形成多芯PCF,利用各芯导模的相互耦合,可望用于矢量弯曲传感中。此外,多芯PCF在定向耦合器、声光调制器和频谱滤波器中有着潜在的应用价值16。4PCF的研究

14、进展对PCF制做和基本特性的理解,已经取得了很大的进展,但如何可靠、精确地预测PCF的传输特性,似乎还没有令人满意的数值模型,而这是PCF技术成功发展的一个基本工具。有效折射率模型是由B irk s等提出,将PCF粗略等效为阶跃折射率光纤,而忽视了PCF截面的复杂折射率分布,虽然也能给出一些PCF的深层运行规律,但不能精确预测PCF 的模式特性如色散、偏振,因为这些特性依赖于空气孔的分布和大小。利用Silvertre等提出的全矢量法,可以预测PCF的模式特征。该模型中,模场和有效折射率分布都被分解为平面波分量,从而波动方程被简化为本征值方程,解出后可以得到模式和相应的传播常数。这个方法考虑了P

15、CF的复杂包层结构,可以精确模拟PCF。但它的效率不高,因为没有利用导模的局域化特征,分解后会有很多项。同时对截面的折射率分布需要作周期性延拓,可能会局限其在PCF中的应用。M ogilevtsev等还提出了一种标量方法,电场分解为具有局域性的厄密2高斯函数,波动方程化为本征值方程,可解得传播模式和相应的传播常数,它利用了电场模式的局域性特征,比起平面波分解更有效。然而,它没有给出折射率分布的表示方法,最直接的是将折射率分布预先存贮在1个二维网格中,但会导致计算过程中产生大量的二维交叉积分项,非常繁琐。M on ro等还提出一种混合方法,将电场和中间折射率缺陷都分解为厄密2高斯函数,而将空气孔

16、网格由周期性余弦函数表示,如图2所示。该方法的效率较高,求解过程相对简单。但作为标量法,要求PCF 的空气孔径与孔间距之比足够小时,才能有很精确的结果,表明它的应用范围还是有限8 。图2PCF横向折射率分布的级数分解F ig.2D eco m position of tran sverserefractive i ndex prof ile of PCF对于PCF的制做,这方面的报道不多。有提到,采用数百根细玻璃纤维堆叠在1根较粗玻璃棒周围从而形成PCF,中间的玻璃棒作为纤芯,玻璃纤维间隙作为空气孔。设计制做出具有特殊用途的非线性、色散和偏振等特性的PCF,近年已有大量论文。英国南安普敦大学的

17、研究人员17尝试制做了非纯石英的镓镧硫化物(GL S玻璃PCF,由于GL S本身的高非线性,加上PCF可以达到极小的有效模式面积,在1.55m波长处它的非线性可以达到传统阶跃光纤的104倍。Steel等18研究了椭圆空气孔PCF的偏振635光电子激光2002年第13卷和色散特性,指出在长波长区域光纤能够支持单模单偏振传输,而无需材料的各向异性。为了解决PCF与普通光纤的连接问题,B ell实验室的研究人员19制做只有极低损耗的锥形PCF,能够方便地与标准单模单模光纤耦合,同时在锥形PCF的腰部,表现出了平坦的色散特性,以及由于模式面积减小而提高光强,继而增强非线性,能够在1.31.65m窗口产

18、生自频率迁移拉曼光孤子。5总结PCF具有普通光纤不具备的优点,通过改变空气孔的大小和排列而使PCF特性改变的可调节性,预示着PCF将会有广泛的应用前景。PCF的潜在应用包括超宽色散补偿、短波长光孤子传输 发生、超短脉冲激光器 放大器、高功率光传输、高功率PCF激光器。极短拍长的偏振保持光纤、光纤传感和光开关等。PCF技术正处于迅速发展中,许多设想要成为现实,尚有许多工作。参考文献:1Yalonovitch E.Inh ibited spontaneous em issi on in so l2id2state physics and electronicsJ.P hy s.R ev L ett

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