论光子晶体光纤技术的现状和发展
摘要: 光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性
1 引言
1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具
有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。
2 光子晶体光纤概述
2.1 光子晶体光纤导光原理
光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。
带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，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，见图2-1（a）。
折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）
（a）带隙型光子晶体光纤（b）折射率引导型光子晶体光纤
图2-1光子晶体光纤扫描电子显微图
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；PBG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(FBG)也是光子晶体，它存在阻带但不存在禁带结构。PBG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PBG结构，相应的也并非所有的PCF都利用PBG结构导光。
2.2 光子晶体的制备方法
首先将熔融制成的石英毛细管紧密地放置于一根粗石英管内，形成二维的光子晶体结构，然后将中心位置的空芯毛细管替换成相同外径的实芯棒以制备实芯结构，或者抽去中心附近的若干根石英毛细管形成空心结构，从而得到了符合设计需求的光子晶体光纤预制棒;最后，用拉丝塔将预制棒在适当环境下拉制成光子晶体光纤，然后进行抗腐蚀性等后处理。该方法简单、易操作，堆积法[18]目前是制备光子晶体光纤的最常用方法。
（1）堆积法
普通单模光纤随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤[4]。对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可在从蓝光到2μm的光波下单模传输，不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1550nm可达1～800μm，已制成了680μm的大模场PCF，大约为常规光纤的10倍。小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器(利用高非线性光纤)，低非线性通信用光纤，高光功率传输等。
（2）挤压法
光对于由塑料或玻璃材料构成的光子晶体光纤，需利用模具挤压法[5]来制备。首先，根据光子晶体光纤的结构设计相应的模具;然后，在高温高压的条件下，将熔融的塑料或玻璃倒入模具，挤压出光子晶体光纤预制棒;最后利用拉丝塔将预制棒拉制成光子晶体光纤。此方法的优点在于制作效率高，适合量产;缺点在于对制作材料有一定的温度要求。
（3）超声波打孔法
挤压法制备光子晶体光纤需要设计生产模具，增加了制备成本，超声波打孔法则避免了这个问题。利用超声波打孔机，可以在玻璃棒中打出周期性排列的空气孔，从而制备出光子晶体光纤预制棒。2005年，X.Feng等人己经制备出了六边形结构的实芯光子晶体光纤。
（4）浇铸法
利用聚合物光子晶体光纤预制棒的化学原位制备技术，采用对预聚物浇铸后再加热聚合的方法，可以制备出了微结构光纤预制棒及光纤，2006年，西安光机
所己通过此法成功制备出保偏光子晶体光纤。
3 光子晶体光纤的特性
3.1 单模传输特性
普通单模光纤[4]随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可在从蓝光到2μm的光波下单模传输，不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1550nm可达1～800μm，已制成了680μm的大模场PCF，大约为常规光纤的10倍。小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器(利用高非线性光纤)，低非线性通信用光纤，高光功率传输等。
3.2非线性特性
光子晶体光纤是理想的非线性光学介质，因为与传统光纤相比，光子晶体光纤的纤芯更小，从而更容易产生非线性效应[6-7]，当改变包层空气孔直径和空气孔间距时，有效模场的能量密度也会发生强弱变化，从而使光纤的非线性性能发生相应变化，易于实现丰富的非线性现象。
非线性效应对于光纤通信进行大容量传输有较大不良影响，但通过结合可设计的色散，可以产生丰富的非线性现象，如三次谐波产生、四波混频、波长转换和受激布里渊散射等，其在制作参量光纤放大器、产生超连续谱、宽带拉曼光纤放大器和光波长变换器等光电器件方面有许多应用[8-10]。
3.3 双折射效应
保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。在PCF
中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制成比常用熊猫保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤[11]。
3.4 色散特性
色散[12-13]是衡量光纤性能的重要参数，决定着光纤是否在超连续光谱、超短脉冲的产生等领域得到应用，对光通信和设计光纤激光器等起着决定性作用。光纤的总色散可以视为波导色散、材料色散和模式色散之和。由于光子晶体光纤的包层结构独特，其光纤纤芯和包层的折射率差可以很大，从而增大了波导色散对光纤总色散的影响。通过改变光子晶体光纤的结构参数，如空气孔的排布方式、空气孔形状、空气孔半径和空气孔间距等，可以调节波导色散的数值大小[14]，进而实现对光子晶体光纤的总色散调节，这样可以得到符合不同要求的色散特性。理论表明，色散补偿光子晶体光纤远远超过了传统色散补偿光纤的色散补偿能力，在色散补偿方面有着巨大的应用前景。除此之外，通过设计结构参数，可以获得具有平坦色散特性的光子晶体光纤，此种光纤可用于超连续谱产生、密集波分复用系统、宽带光波长转换等领域[15-16]。
3.5 多芯传输
光子晶体光纤的结构相比传统光纤有重要优势，通过灵活排布空气孔，可为光纤的多芯传输[16]提供了可能。
光子晶体光纤的优势在于在光通信领域可以明显提高光纤的传输容量，减少光纤用量;在光子晶体光纤传感领域，可通过调整光纤结构来改变祸合模参量，从而对传感性能进行调制。
3.6 弯曲损耗特性
弯曲损耗[17]是将光纤应用于通信线路时必须面对的问题，不同于与传统光
纤，光子晶体光纤在长波方向和短波长上同时存在着弯曲损耗边。当光波波长超过光纤的长波弯曲损耗边界时，光纤的有效模场会大量扩散到低折射率区，从而受到强烈的损耗，而在具有无截止单模特性的光子晶体光纤中，当波长低于短波弯曲损耗边界时，单模范围在短波方向的限制会被二阶弯曲边所取代，有效模场会因为光子晶体光纤纤芯和包层折射率差的消失而受到强烈的损耗。
由于光子晶体光纤具有以上优良特性，使得其在光纤通信、光电传感和光纤传感等许多方面都有着广阔的前景，可以认为光子晶体光纤的出现对于光通信以及光纤器件等行业都是一个重大的突破。目前国际上对制备光子晶体光纤基本特性的研究和光纤的制备上己经取得了长足的进步，但在光纤普及、建设产业等方面，光子晶体光纤尚待继续大力发展。
4 光子晶体光纤的应用
4.1折射率引导型光子晶体光纤的应用
光纤的色散主要是材料色散和波导色散，对于给定的材料，材料色散是不变的，而波导色散是依赖于光纤的设计参数，可以改变。传统光纤的零色散点一般在1.3μm附近，折射率引导型PCF的波导色散和光纤自身的结构参数有关，因此改变折射率引导型PCF的结构参数有助于设计出具有所需色散的光纤。比如：可以改变结构参数将光纤设计为在可见光区域具有大的反常波导色散，使得整个光纤的零色散点可以移至可见光波段[20]。试验发现，较大的d/Λ(d为空气孔直径，Λ为空气孔间距或调制周期），较小的芯径，光纤的反常色散也较大，其零色散点越靠近短波段。这类光纤可应用于产生低于1.3μm的光孤子[21]，而采用传统光纤通常是不可能的。另外，和传统光纤相比折射率引导型PCF更易实现在宽带内的色散平坦化设计[22]，当d/Λ=0．4时能够在宽带内获得较平坦的曲线。文献[10]
发展了设计色散平坦化PCF的理论，并且重点研究了在1.55μm附近的光通信窗口的色散平坦化设计，其色散平坦宽度近300nm，预示着折射率引导型PCF必将在光通信系统扮演重要角色。
4.2 带隙引导型光子晶体光纤的应用
带隙型光子晶体光纤的独特结构和导模机制以及种种优良特性，给它在光通信、气体传感与检测、医学，非线性光学等方面提供了广阔的应用前景，下面分别介绍。
（1）大功率激光的传输
理论上，因为空芯光子晶体光纤用空气孔导光，不受传统石英芯光纤本征吸收和瑞利散射的影响，大大减小了材料的非线性和光纤的损耗，极大增加了传送功率和传输距离，减少了传输损耗。
以前对于光纤的传能研究集中在大孔和多模传输方面。用石英光纤传输高能微妙激光几十焦耳，光束质量M2因子最好的大约为20，而且输出为非高斯输出，传统光纤受石英损伤阈值的影响(约5μJ，波长520nm，8ns脉冲)。只能传输几十μJ能量光脉冲，由于非线性效应的影响。传输距离也十分有限，难以传导高质量高能脉冲。相比之下，空芯光子晶体光纤有很高的损伤阈值和低非线性效应在传输超短波脉冲方面比传统的光纤有着明显的优势。空芯光子晶体光纤工作波长可达800nm左右。
由于空芯光子晶体光纤能传输大功率激光的特性，以及极低的弯曲损耗，使它可以广泛应用于医疗，如制作肿瘤切割刀或内窥镜等医疗器件。另外，也有可能在未来的量子通信中用来传送孤子压缩态。
（2）粒子传输
利用激光偶极力来控制微粒也是目前的一个热门研究领域，传统方法采用毛
细管作为媒介需要很高的激光能量才能达到目的。但如果带隙性光子晶体光纤的空芯来传导，将大大降低所需的激光能量和提高控制能力。
Ashkin提出了只用光压就能推进小粒子并可使其克服重力悬浮[22]。光压理论提供了一种无损操纵微小粒子的有效方，包括操纵生物物质、小粒子等。粒子传送在很多领域都获得了应用，如生物学、化学、原子物理等。但是，粒子传送一直受到激光束衍射效应的限制要想实现稳定传输。甚至曲线传输，要求能够将稳定强度的光越过多个瑞利长度聚焦。空心毛细管有这样的性质，但传输距离比较短。空芯的光子晶体光纤由于其光子带隙结构，传输距离可比玻璃空心毛细管长好几倍，在激光强度为80mW时，空芯光子晶体光纤中粒子传输已经超过了150mm。空芯光子晶体光纤中的光压足以使粒子克服重力悬浮(光纤垂直时)。或者驱使粒子绕过小角度弯曲(光纤弯曲时)而在激光强度相当的情况下，利用光束聚焦和标准毛细光纤手段只能分别传输0.6mm和12mm。文献报导了用波长514。5nm氩离子连续激光器。将激光垂直注人空芯光子晶体光纤来传输聚苯乙烯粒子。实验中空芯光子晶体光纤的孔径为20μm空气填充率为70％，光纤长度在100-200mm之间。实验分为两步：第一步是聚苯乙烯粒子进入空芯光子晶体光纤的悬浮过程：第二步是聚苯乙烯粒子在管线空芯中的传输实验中测量聚苯乙烯粒子进入光纤前的悬浮速度为l.3-1.5cm／s，波长514.5nm时损耗为l0dB／m。这个实验采用的空芯光子晶体光纤损耗比较高，如果换成损耗低于l0dB／km的空芯光子晶体光纤将其加以改进，预计传输距离可以达到数百米。
4.3 光子晶体光纤在光纤光栅中的应用
宽带调谐长周期光纤光栅所用光纤截面如图4-1所示，这种大尺寸多孔光纤其纤芯掺锗，包层中有6个直径为40μm的圆形气孔成六边形排列。这样形成直径约为30μm的内硅层。光纤外径为125μm，纤芯直径为8μm光纤纤芯与包层(内
包层)折射率指数差为0.35%利用幅值掩模法将长周期光纤光栅写人。制备的光栅周期为550μM。然后在光纤包层气孔中注入丙烯酸聚合物，其折射率指数略低于包层并通过紫外光照加速聚合物凝固，从而制备了混合波导多孔光纤光栅根据热光效应，丙烯酸聚合物材料的光学特性受温度影响温度的变化，导致包层中丙烯酸聚合物折射率指数的变化，从而影响内硅层中包层模式的分布与有效折射率指数，进而影响纤芯基模与包层模式的藕合，最终表现为谱中谐波随温度变化而移动温度升高，发生红移温度降低，发生蓝移，即具有温度调谐的性能。
测试制备的长周期光纤光栅温度调谐特性结果如图4-2所示。其中的谐波是纤芯基模与低阶包层模式藕合所产生。可以看出，基于聚合物硅混合波导多孔光纤的光栅温度调谐能力大大增强，当温度从25-120℃，调谐范围超过150nm。
图4-1 聚合物填充多孔光纤截面图图4-2 长周期光纤光栅温度调谐特性4.4 光子晶体光纤在光纤通信中的应用
（1）光纤激光器和光纤放大器
通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为1-1000um2的PCF，使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G.652光纤具有更大的优势。2000年，英国Bath大学的Wadsworth和Knight等第一个实验报道了连续波的掺镱光子晶体光纤激光器，实验中泵浦功率为300mw，耦合效率为40%时，最大实现了18mw的激光输出，激光阈值小于10mw[23]。
（2）拉曼放大器
传统光纤拉曼放大器中存在瑞利散射影响严重，必须根据线路的实际使用光纤情况进行设计灵活性差等缺点，光子晶体光纤拉曼放大器不仅具有传统光纤拉曼放大器的所有优点，还可以克服以上缺点，这对于光纤通信系统具有非常重要的意义。
（3）作为光信号传输媒质
目前PCF已进入实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段，K.Tajima等人于2003年通过改进PCF的制作工艺，制成了在1550nm波长处衰减为0.3dB/km长度超过10km的超低衰减的PCF，并利用他们所设计出的超低衰减的PCF成功的进行了810Gbit/s的波分复用传输试验，证明了PCF在实际的通信系统中使用的可行性[24]。2004年，K.Tajima等人利用他们所研制的Λ=5.6um，d/Λ=0.5的零色散波长在850-1550nm的超低衰减的60孔PCF进行了19×10Gbit/s的波分复用传输实验，证实了这种PCF可以在850nm波段实现单模传输，并且没有明显的模式延迟[25]。
4.5 高非线性光子晶体光纤的应用
光纤的非线性效应在光开关、放大器、波分复用和波长变换以及超连续谱产生等方面有着广泛的应用，但由于常规光纤的非线性系数较小，限制了相关器件的发展。而PCF可以有非常优越的非线性效应，其有效面积可以比常规高非线性光纤减小1个数量级以上，因此具有很高的非线性系数。对于要求光纤具有高非线性折射率的应用来说，具有相当大的吸引力，并且可以降低相关器件的成本，在未来大容量全光通信上有广阔的应用前景。同时，由于PCF的色散可通过结构设计来进行调整，设计合适的零色散点和色散曲线，对于光纤非线性特性的应用更为有利。
5 总结
光子晶体光纤的奇异特性是一些传统光纤所没有的。作为传光介质，在光子带隙中传输信息，具有超低损耗、超低非线性、超低色散，是未来光通信的理想材料。这些性质，同样为生命科学、精细测量技术等带来美好前景。作为光纤元件，通过对光子晶体光纤的优化设计，还能够制造全新特性的光纤激光器，如超大功率激光器、超快激光器系统等;还能够制造成光纤放大器、光纤振荡器、波长转换器、光纤光栅、偏振保持器等。总之，可以制造出现有分立激光系统，通信系统中的所有器件，而且能够实现集成化、超小型化、现代化。作为特殊载体，不远的将来，可在空芯光子晶体光纤中实现纳米结构光子学研究，实现纳米制造、纳米组装、纳米成型，制备出一系列纳米半导体材料和系统集成。同样，空芯光子晶体光纤中可以实现平面半导体的一些制备工作和大规模集成，使纳米技术、半导体技术与光子晶体一光纤微结构技术结合起来构造出全新的科学领域和发展方向。
总之，光子晶体光纤不是孤立的材料和元件，它对信息技术、生命科学、新材料的研究具有重大的推动作用。
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The status quo and development of the skills of photonic
crystal fiber
Abstract
Photonic crystal fiber (PCF) photonic crystal fiber,, also called porous fiber or microstructure fiber, with its unique optical properties and flexible designs become a hot research topic in recent years.Photonic crystal fiber in appearance and the traditional ordinary single-mode fiber are very similar, but the microscopic cross section of a photonic crystal fiber is completely different.At home and abroad in recent years, many universities and scientific research units are actively work for the research of photonic crystal fiber.This article elaborated the PCF some unique optical properties, production technology and some important applications, this paper introduces the development of PCF and the latest achievements.
Keywords: Photonic crystals, Photonic crystals Fiber, Nonlinear
说明书摘要
权利要求书 1、一种发红光的高硅氧玻璃的制造方法，采用SiO2的重量百分比含量超过95%的多孔玻璃，该多孔玻璃的孔径为1nm～20nm，纳米孔占玻璃的体积为23%～33%。通过溶液的分次浸渍法，将该多孔玻璃浸入到含有活性稀土离子和惰性稀土离子以及其他过渡金属离子的溶液中，再在特定的温度制度和气氛中高温烧结而制备。 2、根据权利要求1所述的发红光的高硅氧玻璃的制造方法，其特征在于所述的溶液的溶剂为酸、水、乙醇、以及丙酮等。 3、根据权利要求2所述的稀酸为稀硝酸，稀盐酸和稀硫酸等。 4、根据权利要求1所述的发绿光的高硅氧玻璃的制造方法，其特征在于所述的活性稀土离子为铕离子。 5、根据权利要求1所述的发绿光的高硅氧玻璃的制造方法，其特征在于所述的惰性稀土离子为硝酸钇和硝酸钆。 6、根据权利要求1所述的发绿光的高硅氧玻璃的制造方法，其特征在于所述的其他过渡金属离子系指钒离子和铋离子。 7、根据权利要求1所述的分次浸渍法是指： 掺杂钒离子的过程和掺杂其他金属离子的过程分开，具体而言就是将多孔玻璃先浸入到含有钒离子的溶液中，待浸泡至少20分钟后，在135摄氏度到650摄氏度温度之间干燥后再浸入到含有铕离子，铋离子，钇离子或者钆离子的溶液中去。或者是将多孔玻璃浸入到含有铕离子，铋离子，钇离子或者钆离子的溶液中，待浸泡至少1个小时后，在350摄氏度到650摄氏度温度之间干燥后再浸入到含有钒离子的溶液中去。 8、根据权利要求1所述的温度制度，是指按照如下程序升温： 从室温到100摄氏度至200摄氏度区间，升温速率小于1摄氏度每分钟；必须保持100摄氏度至200摄氏度温度区间至少120分钟；100摄氏度到200摄氏度区间任一温度升温到600摄氏度到800摄氏度区间任一温度，升温速率小于3.5摄氏度每分钟；必须保持600摄氏度到800摄氏度温度区间任意温度至少90分钟；从600摄氏度到800摄氏度区间任一温度升温到950摄氏度，升温速率小于3.5摄氏度每分钟；必须保持950摄氏度温度至少90分钟；950摄氏度升温到1100摄氏度，升温速率小于1摄氏度每分钟；必须保持1100
论光子晶体光纤技术的现状和发展 摘要: 光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性 1 引言 1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具
有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。 2 光子晶体光纤概述 2.1 光子晶体光纤导光原理 光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。 带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，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，见图2-1（a）。 折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）
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Knight J C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
光子晶体光纤材料 光子晶体的能带结构 电子能带与光子能带 在半导体晶体中, 电子受原子周期排列所构成的周期势场的作用, 它的能谱呈带状结构由于原子的布拉格散射, 在布里渊区边界上能量变得不连续, 出现带隙, 电子被全反射在光子晶体中, 也存在类似的周期性势场, 它是由介电函数在空间的周期性变化所提供的当介电函数的变化幅度较大且变化周期与光的波长相比拟时, 介质的布拉格散射也会产生带隙, 相应于此带隙区域的那些频率的光将不能通过介质, 而是被全部反射出去由于周期结构的相似性, 普通晶体的许多概念被引入光子晶体, 如能带、能隙、能态密度、缺陷态等实际制备的光子晶体多由两种介电常数不同的物质构成, 其中低介电物质常采用空气, 因此相应于半导体的价带和导带, 在光子晶体中存在介电带和空气带。 完全光子能隙的产生 光子能隙有完全能隙与不完全能隙的区分所谓完全能隙, 是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙, 且每个方向上的能隙能相互重叠不完全能隙, 相应于空间各个方向上的能隙并不完全重叠, 或只在特定的方向上有能隙由于能隙产生于布里渊区的边界处,原则上完全能隙更容易出现在布里渊区是近球形的结构中。FCC是具有最接近球形布里渊区的空间周期结构。 人们对光子能带的理论计算最初是照搬电子能带的计算方法, 如平面波法和缀加平面波法等, 将光子当作标量波, 利用薛定愕方程求解一计算结果显示, 包括在内的许多结构的光子晶体都将出现光子带隙然而, 随后的研究表明, 这种
标量波近似法不仅在定量上, 甚至在定性上都与实验结果不符。由于电子是自旋为1/2的费米子, 为标量波而光子是自旋为的玻色子, 是矢量的电磁波, 两者存在着本质的区别因此, 计算光子晶体的能带结构必须在矢量波理论的框架下, 从麦克斯韦方程出发在各种理论中, 平面波展开法是应用得最普遍, 也是最成功的由于光子之间没有复杂的相互作用, 理论计算可以非常精确地预言光子晶体的性质, 对实验工作起着重要的指导作用。 能带计算表明由球形颗粒构成的结构具有很高的对称性, 对称性引起的能级简并使它只存在不完全能隙, 例为了得到具有完全能隙的光子晶体结构, 需要从两方面考虑：（1）提高提高周期性介电函数的变化幅度, 即要有高的折射率反差（2）从结构上消除对称性引起的能带简并为此, 在结构的晶胞内引入两个球形粒子构成的金刚石结构, 能产生很宽的完全带隙，通过引入非球形的晶胞颗粒也能消除能带简并从而产生完全的光子带隙。利用材料介电常数的各向异性,在FCC、BCC、SC等各种简单晶格中也将产生部分能隙, 此外, 在介电质材料中引入彼此分离的金属颗粒构成的复合光子晶体, 将具有很宽的完全能隙, 然而由于在可见光和红外波段金属材料的强烈耗散, 这种光子晶体的效率很低。 光子晶体中的缺陷能级 半导体材料的广泛应用与其掺杂特性密切相关向高纯度半导体晶体中掺杂, 禁带中会产生相应的杂质能级, 从而显著改变半导体材料的电学、光学特性类似地, 可以向光子晶体中引入杂质和缺陷, 当缺陷是由引入额外的高介电材料所至图右, 其特性类似于半导体掺杂中的施主原子, 相应的缺陷能级起始于空气带底, 并随缺陷尺寸的变化而移向介电带当缺陷是由移去部分高介电材料所至, 其特性类似于半导体掺杂中的受主原子, 相应的缺陷能级起始于介电带顶, 并随缺陷
引言 光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域，因而成为目前国际上研究的热点。在光纤激光器这一领域，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。
第一章光子晶体光纤概述 §1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展 上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。 1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。直到1989年，Yablonovitch和Gmittern首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。1999年国际权威杂志（Science）在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。 1992年，Russell提出光子晶体光纤的概：它是包层为有序排列的二维光子晶体，纤芯为破坏了包层有序排列的缺陷，光被局限在缺陷中进行传播。1996年英国的Southampton大学研制成功了世界上第一根光子晶体光纤，这项研究成果给光通信和光研究领域注入了新的活力，引起了全世界人们的普遍兴趣。接下来短短的十年间里，光子晶体光纤的研究和应用已经取得了较大的进步，并在（Science）和（Nature）杂志上多次有过相关报道，发表的论文数也是与
第24卷第3期Vo l.24,No.3滨州学院学报Journal of Binzho u University 2008年6月Jun.,2008 大模场光子晶体光纤设计 收稿日期:2008-01-04第一作者简介:薛 华(1976 ),女,山东惠民人,讲师,在读硕士,主要从事无线电物理研究. 薛 华,韩春艳 (滨州学院物理与电子科学系,山东滨州256603) 摘 要:全内反射型光子晶体光纤纤具有为高折射率,包层为石英-空气周期结构,光通过高折射率纤芯与低平均折射率包层间的全内反射向前传播.包层的周期结构要求也不严格,甚至可以无序.利用其特有的 无截止单模 特性,对大模场光子晶体光纤进行了设计. 关键词:光子晶体光纤;无截止单模;模场 中图分类号:TN 252 文献标识码:A 文章编号:1673-2618(2008)03-0079-04 PCF(Photonic Cry stal Fiber,PCF)的概念最早由ST.J.Russell 等人[1]于1992年提出,它的结构由石英棒或石英毛细管排列而成的,在中心形成缺陷,所以又被称为多孔光纤(H o ly Fiber)或微结构光纤(M icro -structured Fiber).PCF 根据其导光原理可以分为两种,一种是光子带隙光纤(Pho to nic Band Gap PCF,PBG -PCF),另一种是改进的全内反射PCF(T otal Internal Reflection PCF,TIR -PCF),也称作折射率引导PCF(Index Guiding PCF ).T IR -PCF 与传统光纤的差别在于包层具有与PBG -PCF 相似的六角形排列的空气孔,正是这种周期性结构提供了许多独特性质.由于不依赖光子带隙,包层中空气孔并不要求大直径,排列的形状与周期性要求也不严格,甚至包层中可为无序排列的空气孔,同样可以实现相同的导光特性.比较两种PCF,全内反射PCF 无论在理解或是制作上都更为简单,因为它可沿用经典的全内反射理解导光机制,而且不需要精确的空气孔排列,更适合于制作,故在目前大多数的研究和应用都是针对全内反射型PCF [2]. 1 无截止单模(Endlessly single mode)特性 这是T IR -PCF 的一个重要的特性.对于标准的阶跃型单模光纤,其归一化频率V 由下式决定 [3]:V =(2 / )(n 2c o -n 2cl )1/2,(1) 式中n co 和n c l 分别为光纤纤芯和包层材料的折射率, 为纤芯半径, 为光波长.归一化频率V 决定了模式数目,当V <2.405时,光纤才是单模的.对应于V =2.405的波长就称为传统光纤的截止波长,只有当工作波长大于此截止波长时光波才能在光纤中实现单模传输.而PCF 不存在截止波长,用有效折射率模型[4]可以较好地解释这一现象.类似于传统光纤的归一化频率,在PCF 中,亦可定义一个等效的归一化频率为[5]: V ef f =(2 / )(n 2co -n 2ef f )1/2,(2) 其中n c o 和n ef f 分别为PCF 芯层和包层的等效折射率, 为芯层半径.PCF 包层的等效折射率n e f f 可以根据包层晶胞的等效数学模型解出.它是光辐射波长的函数,当波长减小时,光束截面随之收缩,光波模式分布向纤芯集中,因此n ef f 增大,从而n co 和n e f f 的差减小,这就抵消了波长减小的趋势,使V ef f 趋于定值,从而满足了单模传输条件.理论计算及实验证明:只要满足空气孔径与孔间距之比小于0.2,[6]PCF 就具有无截止单模特性.更重要的是,PCF 的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸无关,只取决于光纤的相对尺
光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S] 英文题名 The Basic Characteristic and the Applications Study of Photonic Crystal Fibers 专业凝聚态物理关键词光子晶体光纤; 多极法; 色散; 有效模场面积; 非线性特性; 双折射; 英文关键词 Photonic crystal fibers; Multipole method; Chromatic dispersion; Effective model field area; Nonlinearity; Double refraction; 中文摘要光子晶体光纤是一种新型的光纤,由于它具有普通光纤所无法比拟的结构设计和光学特性,在近几年成为光纤研究领域的热点。本文介绍了光子晶体光纤的研究背景及发展现状,分析了它的结构特性,并列举了一些不同结构的光子晶体光纤,简单介绍了它的两种导光原理和制备方法,以及在各个方面的应用。设计了两种结构的光子晶体光纤,并对它们的基本特性进行了数值研究。论文所做的主要工作如下: 首先,对几种数值模拟光子晶体光纤特性的理论方法进行了介绍和对比,系统介绍了多极法的原理、方程以及适用条件,突出了多极法的特点和优势并选择多极法作为本文的主要研究方法。其次,采用多极法对实芯六角形光子晶体光纤的色散、有效模场面积与结构参数的关系进行了研究。得到如下结论:通过调节空气孔直径和包层空气孔间距的大小,改变空气孔填充介质的折射率,可以有效地控制光子晶体光纤的色散特性和有效模场面积。再次,设计了一种具有双折射的光子晶体光纤。数值研究发现:通过调节空气孔直径、包层空气孔间距的大小以及x和y方向的结构的不对称性,可以有效地调节光子晶体光纤的双折射特性,使双折射效应显著增强,甚至可以达到比普通光纤高出一个数量级的结果。这些结论为... 英文摘要 Photonic Crystal Fiber(PCF)is a new type of optical fiber. Because of its special structure design and optical properties, PCF has been a focus in optical fiber area in recent years. This paper introduces the research background and current development of PCF, analyzes its two kinds of transmission principle and manufacture ,as well as its application in various aspects.In this paper, it has designed two kinds of structures of PCF,and calculated some basic characteristic of PCF as well.The original jobs in ... 摘要 4-5 Abstract 5-6 第1章绪论 11- 25 1.1 引言 11 1.2 光子晶体简介 11-13 1.3 光子晶体光纤的导光原理 13-16 1.3.1 带隙型光子晶体光纤 13- 15 1.3.2 折射率引导型光子晶体光纤 15-16 1.4 光子晶体光纤基本特性 16-20 1.4.1 无截止单模性质 16- 18 1.4.2 色散特性 18 1.4.3 非线性特性 18-19 1.4.4 双折射特性 19-20 1.5 光子晶体光纤的发展现状及应用前景分析 20-23 1.5.1 光子晶体光纤研究现状 20-22 1.5.2 光子晶体光纤的应用前景分析 22- 23 1.6 本课题的研究目标及实现方法 23-25 第2章光子晶体光纤的研究方法 25-37 2.1 引言 25 2.2 几种光子晶体光纤的研究方法简介 25-28 2.2.1 有效折射率方法 25- 26 2.2.2 平面波法 26 2.2.3 Galerkin 方法 26 2.2.4 有限差分法 26-27 2.2.5 超元胞晶格方法 27-28 2.2.6 光束传播法 28 2.3 多极法
调研报告 课程：光纤通信 学院：电气工程学院 班级： 14级电子专业02班 学号： 20144470220 姓名：郑浩
光子晶体光纤(PCF)在光纤通信中的应用与展望 郑浩 （南华大学电气工程学院，湖南衡阳） 摘要：光纤是光纤通信系统中的传光媒质，开发性能优异、独特的新型光纤是实现更远距离光通信的重要发展方向。本文将侧重三个方面，先着重介绍光子晶体光纤的导光原理及传输特性，再介绍光子晶体光纤的各个发展节点中的重要成果和突破，最后是对光子晶体光纤的发展前景做出的总结和评价。 关键词：光纤通信; 光子晶体;光子晶体光纤;传输特性 1 引言 光子晶体光纤(PCF)因为其灵活的色散裁剪、完美的抗弯曲特性、良好的非线性等新颖特性，一经提出便广受关注。1960年，华人科学家高锟对于光纤的低损耗的可实现性所做的论述，是开启以光纤通信为主的光通信时代的一把钥匙，所以可以说光通信的广泛使用正是有赖于光纤技术的不断进步，而研发出新型光纤或提高现有光纤的品质一直以来都是光通信领域的重点。光子晶体光纤正是传统光纤的替换选择之一。 光子晶体这一概念最早由E.Yablonovitch与S. John分别提出，光子晶体就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料[1]。1991 年，Russell首次提出了光子晶体光纤的概念。光子晶体光纤是一种由单一介质(石英玻璃、塑料等)构成，并且在二维的方向上呈现周期性紧密排列(如周期性六角形等)、而在三维空间(光纤轴向)基本保持不变的波长量级空气孔所构成的微结构包层的新型光纤[2]。光子晶体光纤(PCF)根据光纤的结构不同，又称为多孔光纤(HF)或微结构光纤(MOF)。根据导光的机制的不同，可以将光子晶体光纤分为折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤，本文将主要介绍后者。尽管光子晶体光纤具有传统光纤无可比拟的新特性，但受限于理论模型的精确度，尤其是生产工艺与单位价格。本综述中所引用的所有文献截止时间为2017年9月。 2 原理与特点分析 2.1 PCF的结构 按光纤结构的不同，光子晶体光纤可分为空心光纤和实心光纤。其中空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤；而实心光纤则是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。PCF 也是使用传统光纤的熔融拉丝方法拉制而成。光子晶体光纤的剖面是按照周期性点阵排列的。这种与波长大小相当的周期性点阵就是PCF的“晶格”。 2.2 PCF的导光机理[3] 普通光纤是利用掺杂方式来获得光波导结构, 从而实现光纤的光传输性能的要求。而光子晶体光纤的导光机理可分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机制。 折射率导光机理是指，周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率之间有一定的差别, 从而使光能够在纤芯中传播, 所以这种结构的
光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987由S.jhon和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。 光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。可以预见，光子晶体将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革，极有可能在21世界扮演更为重要的角色。1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。 1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。 1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纤通信和光学研究领域中，PCF引起了全世界的普遍兴趣。 目前，有关光子晶体光纤（PCF）的研究重点有：理论模型、制造工艺、性能测量、实验室实验和工程应用技术探讨等。 2.光子晶体光纤的结构及其导光原理 就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。 PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，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。 光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和
特种光纤技术及其发展趋势 摘要：本文首先回顾了我国民族光纤产业的巨大进步与突破，进而引出激烈竞争情况下的特种光纤年差异化发展策略。着重讲述了我国特种光纤研究进展，包括前沿的光子晶体光纤技术、色散补偿光纤技术、保偏光纤、掺稀土光纤、能量传输光纤等。最后结合国家科技发展计划，阐述了特种光纤的发展趋势。 关键词：光纤通信、光纤、预制棒、光子晶体光纤、特种光纤 一、引言 “十一五”期间，在国家有关部门和各级政府的重点支持下，特别是国家科技部在“十一五”国家科技攻关和“863”光电子新材料研究计划中，安排了光纤预制棒科技支撑计划项目，国内光纤企业积极迎接挑战、踊跃投入，各相关行业协会大力促进，加快了具有自主知识产权的光纤预制棒新技术、新工艺和新材料的开发步伐。在国家自主创新政策的引领下，民族光纤的自主创新研究显著增强，我国的预制棒技术取得了突破性进展，光纤预制棒制造技术与设备研究及产业化等方面均实现了跨越式发展：制造工艺从MCVD与PCVD，发展到OVD与VAD技术，光棒制造能力从2家发展到4家，国内光纤制造商的单模光纤年生产能力突破1000万芯公里的企业迅猛增加到4家，我国已经发展称为名符其实的光纤制造第一大国。 虽然，我国常规单模产能实现了历史性跨越与进步。但是，在经济全球化的今天，常规单模光纤的竞争日趋白热化。加之发达国家将制造业向中国转移，这种现实的环境更是加速了民族光纤产业的竞争，价格迅速下滑，产能将再度出现供大于求的窘境。 因此，民族光纤产业一方面要更一步增强自主创新，狠抓光纤上游核心—－光纤预制棒规模化技术，抢夺利润来源主体；另一方面，民族光纤企业家需要站在全球化市场的战略高度，苦练内功，强化管理，将民族光纤产业走出国门，推向全球市场；第三，面对利润微薄的常规光纤市场实际，要创造性地展开差异化竞争，自主创新地研究与开发特种光纤新产品，拓展新的利润增长点。 二、光子晶体光纤 烽火通信科技股份有限公司在十一五国家重点基础研究发展计划973项目“微结构光纤结构设计及制备工艺的创新与基础研究”（2003CB314905）、高新技术产业化项目“863”计划“光子晶体光纤及器件的研制与开发”（2007AA03Z447）、973计划项目“微结构光纤的创新设计、精确制备及其标准化”（2010CB327606）的支撑下，从微结构光纤设计、制备技术和应用技术等多方面进行了系统深入的研究，取得了重大的科研成果。烽火通信已经初步形成了微结构光纤（光子晶体光纤）的工艺技术与设备控制技术，以及自主知识产权的专利技术，先后制造出如图1～图6所示的光子晶体光纤，包括：高非线性光子晶体光纤、色散平坦光子晶体光纤、FTTH用微结构光纤、大模场单模光子晶体光纤、空心PBG型光子晶体光纤、全固态PBG型光子晶体光纤，以及双包层掺镱光子晶体光纤、掺铒光子晶体光纤等。
光子晶体光纤简介及原理 中文摘要: 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。 中文关键字：光子晶体光纤 PCF导光机理 PCF的特性 英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications. 英文关键字: photonic-crystal fiber 光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其 概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的 结构材料。 光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电 子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其 周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。可以预见，
光子晶体光纤 在光子晶体的研究基础上，ST．J．Russell等人于 1992年最早提出光子晶体光纤的概念，第1个PCF样品于 1996年被研制出。按结构和导光机制可将 PCF 分为三种类型：一种是改进的全内反射TIR ．PCF，由某一单质材料构成 (如无掺杂纯二氧化硅 )，它的传光通道是介质，传光特性类似于常规光纤，主要是由内部全反射引起；一种是光子禁带光子晶体光纤 PBG．PCF，即在周期性排列的介质中存在缺陷，利用 PBG效应导光；另一种全向导波 OG (Omni guide)或同轴波导 CWG (Coaxial waveguide)．PCF，在光纤的横截面内沿径向存在一维周期性结构是 Bragg光纤的推广。前两种在横截面内存在二维周期性结构，属于二维光子晶体，第三种属于一维光子晶体。PCF是一种新型光纤，具有常规光纤不具备的优点：无休止单模性 (Endlessly single．mode)嘲、低损耗特性、特殊的色散和非线性特性以及微结构的可设计性，在通信领域具有广泛的应用前景。 1 PCF的结构、导光机制和特性 1．1 TIR-PCF 包层的空气孔呈六角形周期性的紧密分布，中问空气孔缺失而形成正中问的实心芯层。包压有效折射率为空气孔和介质 (石英)的折射率权平均，使芯层和外围的周期性区域出现有效率差，纤芯的折射率大于包层的折射率，其导理与传统的阶跃光纤类似，为改进的全内反射导光机制。由于包层的周期性分布使其与传统的光纤在性能上有很大不同，而且由于引入空气孔可以得到在传统石英光纤中所无法实现的大折射率差，传统光纤通过掺杂截面内折射率变化至多为1％-2％，而TIR—PCF 中的折射率变化最大可达30％-40％。在理论上，其它类型的空气孔排列也可以达到同样的功能。 传统的单模光纤只在一定的频率范围内支持单模传输，当频率较高时将会出现多模传输，而只要调节空气孔直径和空气孔距之比，PCF就可以设计为在整个频率范围 (包括小于 1 Hm 的短波)支持单模传输，这就是所谓的“无休止单模传输”特性。此外，改变空气填充率，可以得到各种频率下的色散关系。当空气孔直径增加时，波导色散值朝着负色散方向增加，在波长=1．55 微米时，可得到 -2000 ps／(nm．km)的巨大的反常色散，它可以很好地补偿在传统光纤中由于材料色散引起的正色散，因此这种光子晶体光纤具有很好的色散补偿能力。 1．2 PBG-PCF 第一个真正利用二维PBG导光的光子晶体光纤的 SEM，报道于 1998年，空气孔分布具有蜂窝状网格结构，在其正中心引入一个作为缺陷的空气孔，光被局限在空气孔芯区附近传输。空气孔分布还可呈三角形等结构。由于在完整的二维周期结构中引入了缺陷，会在禁带中产生频率分布极窄的局域态，PCF就可利用这个局域态沿着光纤方向导光。由于纤芯为空气孔，其折射率小于包层的折射率，因此不是利用传统的全内反射机制来导光，而是利用 PBG效应来导光。
光子晶体光纤简介及 原理
光子晶体光纤简介及原理 中文摘要: 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。 中文关键字：光子晶体光纤 PCF导光机理 PCF的特性 英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications. 英文关键字: photonic-crystal fiber 光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。 光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢30
第17卷第3期中国惯性技术学报V ol.17 No.3 2009年6月 Journal of Chinese Inertial Technology Jun. 2009 文章编号：1005-6734(2009)03-0366-04 光子晶体光纤的耦合技术 刘承香1，张 力2，吴 旭3，杨海丽1，阮双琛1 （1. 深圳市激光工程重点实验室，深圳大学电子科学与技术学院，深圳 518060；2. 深圳大学信息工程学院，深圳 518060； 3. 西安工业大学数理系，西安 710032） 摘要：光子晶体光纤与普通单模光纤的低损耗熔接是影响光子晶体光纤实用化的重要技术。针对自行设计的光子晶体光纤，对其与普通单模光纤的熔接损耗机制进行了理论和实验研究。首先分析了影响熔接损耗的主要因素，然后理论计算了光子晶体光纤与普通单模光纤之间的耦合损耗，最后采用常规电弧放电熔接技术对光子晶体光纤与单模光纤的熔接损耗进行了实验研究，通过优化放电参数，使熔接损耗可以降到0.7 dB以下，满足了实际应用的要求。该方法为其他类型的光子晶体光纤与普通单模光纤的熔接提供了借鉴。 关 键 词：光子晶体光纤；单模光纤；耦合技术；熔接损耗 中图分类号：U666.1 文献标志码：A Coupling technique of photonic crystal fiber LIU Cheng-xiang1, ZHANG Li2, WU Xu3, YANG Hai-li1, RUAN Shuang-chen1 (1. Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering, College of Electronic Science and Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; 2. College of Information Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; 3. Department of Mathematics and Physics, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China) Abstract：The low-loss splice between photonic crystal fibers (PCFs) and normal single-mode fibers is an important technique that influences the application of PCFs. Based on the self-designed PCF, the splice loss mechanism between PCFs and single-mode fibers was studied theoretically and experimentally. The main factors that affect the splice loss was analyzed, and the splice loss between the two types of fibers was calculated. Using traditional arc-fusion method, the experiment study on splice loss between the PCFs and single-mode fibers was performed. The splice loss can drop to below 0.7 dB by optimizing the discharge parameters, and then satisfy the application request. This method can provide the reference for other similar splicing between PCFs and single-mode fibers. Key words：photonic crystal fiber; single-mode fiber; coupling technique; splice loss 光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤。光纤纤芯周围含有沿着轴向规则排列的微小空气孔，从端面看，存在周期性的二维结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失则会出现缺陷，光就会被限制在这一缺陷内传播。光子晶体光纤分为全内反射光子晶体光纤和带隙光子晶体光纤两类，可以通过改变空气孔的尺寸、间距、层数和排列形状等几何参数灵活设计光子晶体光纤并获得独特的光学特性，例如无限单模特性、奇异的色散特性、高非线性及高双折射性等特性，引起了国内外学者的极大关注。 随着光子晶体光纤各种特性研究的深入，人们开始广泛探索它的应用。在开发这些应用时，都要考虑普通光纤与光子晶体光纤之间的耦合效率问题，有的采用端面耦合技术，可以提高耦合效率，但这样会造成器件的尺寸太大，调试也不方便，实际使用中通常会采用两种光纤直接熔接的方法。由于光子晶体光纤结构与普通单模光纤的结构不同，使得熔接工作非常困难，为了保证熔接后的光子晶体光纤结构完整，损耗较小，耦合效率较大，传输特性不变，国内外学者对收稿日期：2009-03-23；修回日期：2009-04-10 基金项目：武器装备预研基金项目（9140A09010208QT5101）；深圳市科技计划资助项目（200618） 作者简介：刘承香（1976—），女，副教授、博士，主要从事光机电一体化、光源等技术研究。E-mail：chxliu@https://www.doczj.com/doc/9a8356386.html, 联系人：阮双琛（1963—），男，教授、博士。 E-mail：scruan@https://www.doczj.com/doc/9a8356386.html,