带隙型光子晶体光纤pbg-pcf的应用前景

带隙型光子晶体光纤pbg-pcf的应用前景

0光子晶体光纤导光机制子晶光（pcf）是基于子晶化技术发展而成的下一代传输光纤。这一概念最早是由英国Bath大学的J.Russell等人于1992年提出的,并于1996年研制成功,其结构是由石英棒或是石英毛细管排列拉制后在中心形成缺陷孔或实心。光子晶体光纤按其导光机制不同主要分为两大类:全内反射光子晶体光纤(TIR-PCF)和光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)。带隙型光子晶体光纤的包层是高度有序排列的空气孔,纤芯是缺失的空气孔形成缺陷,从而使光以缺陷态局域在纤芯中传输。相比于全内反射光子晶体光纤,由于光是在由周期排列的硅材料围成的空心中传输,所以只有很少一部分光在硅材料中传输,材料的非线性效应明显降低,损耗也大为减少。因此,带隙型光子晶体光纤有可能成为下一代超低损耗传输光纤,它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。1光子带隙型光子晶体光纤的导光机制由波导条件,将沿着光纤轴方向的波矢量k的分量定义为传播常数β,β=kncosθ,n为材料的折射率,k=2π/λ,λ为真空中的波长,光在折射率为n的材料中传播与光纤轴的夹角为θ。传播常数β决定光在波导中是传播还是倏逝。在通常的一维限制的平面波导中,芯区折射率为n1,包层折射率为n2,则当传播方向的β位于kn1>β>kn2时,发生全内反射,光波在芯区传播,而在包层中为倏逝波,如图1所示。但是,如果光波限制在具有任意折射率的芯区中,而包层为两个由折射率大小不同的多层周期介质构成的叠层,则情况大不相同。它可能具有两种形式:⑴kn1>β>kn2,即光传播在高折射率n1(β<kn1)层中,而在低折射率n2(β>kn2)层中是倏逝波。因此,高折射率层n1就起到了全内反射的波导作用。光会在相邻高折射率层之间的共振隧道中发生泄漏,通带的宽度依赖于这些层之间的耦合强度。如果具有不同宽度的某一高折射率芯层支持带隙内具有β的一个模,则它不会与其它层发生共振,通过隧道效应的光漏泄受到抑制。因而该模会通过光子带隙的受抑隧道效应形式严格传导,如图2所示,这就是光子带隙型光子晶体光纤的导光机制。⑵当β<kn2时,光能够传播到光子晶体的所有层中,光在传播过程中遇到不同介电常数的电解质,就会受到不同程度的散射,对某一特定波长和入射角,这种多重散射产生干涉从而使光线回到纤芯中。在满足布喇格条件处出现带隙,对应波长的光不能在包层中传播,而只能限制在纤芯中传播。因此,这种导光机制是布喇格衍射,如图3所示。2pbg-pcf的特性和应用2.1pbg-pcf的优势常规的带隙型光子晶体光纤是由石英毛细管排列成二维的周期性结构,中心位置移走7根或是19根毛细管形成纤芯,因此带隙型光子晶体光纤也叫做空芯光子晶体光纤。由于光在空芯中传输,它具有一些全内反射光子晶体光纤所没有的特性。(1)单一材料、高耦合效率PBG-PCF可由同一种材料制成,所以它的温度和光学特性的稳定性好,也便于与传统光纤耦合。在PBG-PCF中,光能量主要集中在空芯中传输,且外界和纤芯折射率差非常小,所以光被耦合进入空芯波导光纤中时几乎没有菲涅耳反射,因此PBG-PCF可以用来制作高效率的光耦合器件。(2)低弯曲损耗、低非线性PBG-PCF的导光机制与传统光纤不同,光能量被局域在缺陷中传输,即空芯中。这种光纤允许出现大于直角的光路弯曲,甚至可以在弯曲曲率半径小于光波长的条件下传播,因而可以在光系统中极大地降低弯曲损耗,提高弯曲状态下的传光效率,可用于微细加工、生物医疗器件等。另外,由于光波能量主要集中在空气纤芯中传播,非线性效应比传统光纤中低的多,从而由非线性效应造成的脉冲畸变小,可用来传输高峰值功率超短光脉冲。(3)理论上的低损耗、低色散理论上,在PBG-PCF中光场能量集中在空芯中传输,不受传统硅芯结构光纤本征吸收和瑞利散射的影响,在理论上具有非常小的损耗值,允许传输更高的功率密度,也会提升受激喇曼散射、受激布里渊散射和色心效应的阈值能;同时也可以消除传统光纤所存在的材料色散和波导色散,所以具有低的色散值,可以在更宽的频率范围内支持单模运行。利用光纤的窄带性能可用来做滤波器。(4)可变折射率、可控色散在PBG-PCF的空芯中可以填充气体、蒸汽或者低折射率液体来改变纤芯的折射率,在导模中这些介质与光有强烈的相互作用,可改变非线性和损耗,用于气体传感和检测、Raman器件、全光开关、四波混频器件,也可用于材料的非线性光学性质研究和光谱学等领域。PBG-PCF的色散特性依赖于包层空气孔的尺寸、形状和排列,因此可以根据需要通过改变包层的结构来获得所需的色散。这样可在短波长处获得大的正常色散和长波长处获得大的反常色散,用于色散补偿和脉冲压缩。2.2在光子晶体光纤制造方面的应用和完善pbg-pcf的优点全固态带隙型光子晶体光纤是通过在全内反射光子晶体光纤的包层孔内填充折射率高的介电材料制成的。由于包层是由石英与另外一种折射率大于石英的材料构成的,所以包层的有效折射率仍然大于石英的折射率,也就是大于纤芯的折射率,那么这种类型的PCF也仍然是一种光子带隙型的PCF。相比于空芯光子晶体光纤,全固态带隙型光子晶体光纤在制作工艺上相对简便,现在的半导体生长技术已经可以很容易地将半导体材料生长在PCF的孔内,那么制作出半导体和石英共存的全固态PBG-PCF也是很容易的。而且它具有许多常规带隙型光子晶体光纤不具备的特性。(1)介电材料选择的灵活性相比常规PBG-PCF,全固态PBG-PCF可以摆脱前者仅由石英和空气组成的束缚,大大扩展了可使用的折射率范围。并且由于折射率的增大,使得散射体散射波长的多元化,从而可以在更宽的波长范围内获得有效的光子带隙。(2)更好的半导体特性由于在常规PBG-PCF中可以掺入如Si、Ge和GaAs等半导体材料,那么可以使全固态PBG-PCF具有常规PBG-PCF所没有的半导体特性,并且有利于把光电器件集成在一起,从而降低光电转换或者电光转换的成本。(3)良好的激光器谐振腔全固态PBG-PCF可以为激光震荡提供谐振腔。常规PBG-PCF由于其芯为空心,没有增益介质,因此无法提供激光震荡。但是,对于全固态PBG-PCF而言,由于其纤芯材料的改变,可以和容易地做到这一点,为激光震荡提供谐振腔。3pbg-pcf的研究带隙型光子晶体光纤因其特殊的结构而具有许多独特的性质,在光纤通信