光子晶体的改性及其在光纤通信中的应用研究

２００７年第６期　（总第１４４期）　光通信研究　ＳＴＵＤＹ　ＯＮ　ＯＰＴＩＣＡＬ　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ　２００７　（Ｓｕｍ．Ｎｏ．１４４）　光子晶体光纤及其在光器件领域的应用　陈　伟　。。李进延。。李诗愈。，蒋作文　，李海清。，彭景刚　（１．华中科技大学光电子科学与工程学院。湖北武汉４３００７４；２．烽火通信科技股份有限公司光纤研发部，湖北武汉４３００７４）　摘要：光子晶体光纤（ＰＣＦ）是国际上当前的研究热点，其非凡的特性给新型光器件注入了新的活力。文章从ＰＣＦ的工艺技　术、衰减和熔接等方面阐述了国内外ＰＣＦ的最新研究进展，并阐述了国际上ＰＣＦ在高功率光纤激光器、光纤放大器、超连续　光谱、飞秒激光、全光开关和色散补偿等光器件领域的重要应用及最新成果，最后提出了ＰＣＦ应用技术的发展趋势。　关键词：光子晶体光纤；光器件；光纤激光器；超连续光谱　中图分类号：ＴＮ８１８　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５—８７８８（２００７）０６—００２７—０４　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｃｈｅｎ　Ｗｅｉ　，Ｌｉ　Ｊｉｎｙａｎ　，Ｌｉ　Ｓｈｉｙｕ。，Ｊｉａｎｇ　Ｚｕｏｗｅｎ。，Ｌｉ　Ｈａｉｑｉｎｇ。，Ｐｅｎｇ　Ｊｉｎｇｇａｎｇ。　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　０ｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨＵＳＴ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４。Ｃｈｉｎａ；　２．Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒ＆Ｄ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ＦｉｂｅｒＨｏｍｅ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，．Ｗｕｈａｎ　４３００７４．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｆｉｂｅｒｓ（ＰＣＦ）ｉＳ　ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ　ａ　ｈｏｔ　ｐｏｔ　ｉｓｓｕｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｅｘ—　ｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｈａｖｅ　ｉｎｊｅｃｔｅｄ　ｎｅｗ　ｌｉｒｅ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｎｏｖｅｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ＰＣＦ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ｉｎ　ｒｅｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｐｌｉｃｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ｎｅｗ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ＰＣＦ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｂｅｒ　ｌａｓｅｒｓ．ｆｉｂｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ．ｓｕｐｅｒ－ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ　ｌａｓｅｒｓ．　ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａ１　ｓｗｉｔｃｈｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＣＦ；ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅ；ｆｉｂｅｒ　ｌａｓｅｒ；ｓｕｐｅｒ－ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　光子晶体光纤（ＰＣＦ）具备许多独特而新颖的物　理特性，如可控的非线性、无尽单模特性、可调节的　奇异色散、低弯曲损耗和大模场等，这些特性是常规　石英单模光纤很难或无法实现的，因此，ＰＣＦ引起　了国外科学界的广泛关注。随着ＰＣＦ制造工艺的　进步，其各种指标已经取得了突破性进展，各种　ＰＣＦ新产品不断问世。ＰＣＦ不仅应用于常规光通　信领域，而且还广泛地应用于光器件领域，如高功率　光纤激光器、光纤放大器、超连续光谱光源、色散补　偿器、光开关、光倍频器、滤波器、波长变换器、孤子　发生器、模式转换器、光纤偏振器、医疗和生物传感　器等。　１　国内外ＰＣＦ的研究进展　ＰＣＦ的制造技术不同于常规光纤，国内外基本　没有关于ＰＣＦ工艺技术细节的报道。但是总体来　说，ＰＣＦ制造技术主要包括：毛细管聚束拉丝法、大　直径预制棒钻孔法、熔融挤出法和溶胶凝胶法等。　其中，聚束拉丝法由于具有设计灵活、操作方便和容　易实现复杂结构等优势而被广泛采用。　ＰＣＦ的衰减是关系到其实用化的重要因素，目　前国际上对ＰＣＦ衰减的研究已取得了实质性突破：　全内反射型（ＴＩＲ）ＰＣＦ在１　３１０和１　５５０　ｎｍ波长的　衰减分别降到了０．３５和０．２０５　ｄＢ／ｋｍ，接近常规单　模光纤水平，１　３８３　ｎｍ的羟基吸收峰降到了　１．０　ｄＢ／ｋｍ以下【１　；光子带隙型（ＰＢＧ）ＰＣＦ的衰减　也取得了新突破，从１．７　ｄＢ／ｋｍ降低到１　６２０　ｎｍ　波长的ｌ＿２　ｄＢ／ｋｍ　］。　ＰＣＦ能够与常规单模光纤相容是其能否走向　实用化、融合现有光网络的重要条件，其中至关重要　的一项就是ＰＣＦ与常规单模光纤的熔接损耗。由　于ＰＣＦ中排列着一定点阵分布的空气孔，在熔接熔　融状态下空气孔很容易闭合或崩塌变形，熔接界面　处ＰＣＦ结构发生变化，有可能造成ＰＣＦ与常规单　模光纤的模场失配，使得熔接损耗增大。为了解决　ＰＣＦ熔接问题，各国科研工作者都对ＰＣＦ的熔接工　艺技术进行了研究，主要包括常规电弧熔接技术和　激光熔接技术等方法。目前，国外ＰＣＦ与常规单模　光纤的熔接损耗已达到０．０２２　ｄＢ的水平，能够满足　实用化要求。　国外ＰＣＦ已经商用化，并且实现了１　５５０　ｎｍ　的４０　Ｇｂｉｔ／ｓ高速大容量长途传输ｉ００　ｋｍ的系统　试验　］，但由于技术壁垒，国内对ＰＣＦ的制造与基　础应用研究还处于起步阶段。为了推进ＰＣＦ的基　收稿日期：２００７—０８—０３　基金项目：国家“九七三”计划资助项目（２００３ＣＢ３１４９０５）；国家“八六三”计划资助项目（２００７ＡＡ０３Ｚ４４７）　作者简介：陈伟（１９７６一），男，湖北大悟人，研发工程师，博士研究生，主要从事光纤与相关器件的研发工作。　

光子晶体的应用与研究

IsSN1009—3044

Compu~rKnowledgeandTechnology电脑知识与技术

Vo1.7,No.22.August2011.

光子晶体的应用与研究

陆清茹

(东南大学成贤学院,江苏南京210000)

E—mail:kfyj@.ell

Tel:+86—551～56909635690964

摘要:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand～Gap,简称为PBG)g~性的人造周期性电介质结构.有时也称为PBG光子晶体结

构.该文系统的阐述了光子晶体的产生,制备及应用.

关键词:光子晶体;光子频率禁带;激光全息:

中图分类号:TN364文献标识码:A

光子晶体激光器:微波天线

文章编号:1009—3044(2011)22—5468—02

进入2O世纪后半叶以来,全球迎来了电子时代,电子器件被极其广泛的应用于工作和生活的各个领域,尤其是促进了计算机

和通讯行业的发展.但是进入21世纪以后,伴随着电子器仲不断深入的小型化,低耗能,高速度,其进一步的提升也越来越困难.人

们感到了电子器件发展的瓶颈,开始把目光转向了光子,有人提出了使用光子代替电子作为新一代信息载体的设想.电子器件的基

础是电子在半导体中的运动,类似的,光子器件的基础是光子在光子晶体中的运动.光子的性质决定了光子器件的主要特点是能量

损耗小,运行速度快,所以工作效率高.光子器件在高效率发光二极管,光子开关,光波导器件,光滤波器等方面都具备巨大的应用

潜力.近年来,光子晶体相关的理论研究,实验科学以及实际应用都已经得到了迅速的发展,光子晶体领域已经成为现在世界范围

的研究热点.1999年l2月17日,《科学》杂志就已经把光子晶体的研究列为全球十大科学进展之一.

1光子晶体的由来

1987年S.John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand—Gap,简称为

在光通信中的应用研究　

Ｃｒｙｓｔａｌ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃ　ｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　郭林，王文杰，纪越峰　（北京邮电大学光通信中心　北京１００８７６）　搞一：介绍了新型材料光子晶体的基本原理和光学性质。由于二维光子晶体具有制备简单和性能优异的特点，所以光子晶体的　很多应用都用二维光子晶体来实现。我们探讨了二维光子晶体在光通信中的应用。　美麓调；光子晶体；光器件；光通信　ＧｕｏＬｉｎ。ＷａｎｇＷｅｎ－ｊｌｅ，ＪｉＹｕｅ－ｆｅｎｇ　（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｑｉｉｎｇ１００８７６　ｌ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｗｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｃａｌｌｅｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ａｔ　ｔｈｅ　ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｎ　Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆａｃｉｌｉｔｙ　ｏｆ　２Ｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｉｎ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｆｕｔｕｒｅ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅ￣ｗｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　２Ｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌ，Ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，Ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　

馨　≤¨毒◇０　ｌｌ０　０ｉ≯≯　００　在过去的一个世纪中，电子器件应用到人们生活和工作　的各个领域中，这是因为我们掌握了某些材料中的电子能　带，从而可以自由的控制电子。光子晶体技术的发展，使我　们可以像控制金属和半导体中的电子一样控制光子的流动。　半导体材料已经给社会生活的各个方面以很大的＞中击，而光　子晶体则有可能在２１世纪扮演更为重要的角色，特别是在光　通信系统中［１］［２］。光子晶体制成的器件具有损耗低，便于　集成等优点，给人们解决目前光通信中存在的问题提出了新　的思路。　镧　藉　麓羹豢＿啊　光子晶体是一种介电常数呈周期性分布的人工电介质结　构，它是由Ｙ曲］ｏｎｏｖ１ｃｈ［３］在１９８７年首次提出的　几年后于　１９９１年，他又与合作者制作了第一块光子晶体，方法是在折　射率为３．６的材料上用机械方法开钻直径为１ｍｍ的孔。这种材　料从此被称为“Ｙａｈ］ｏｎｏｖｉｃｈ”，它可阻止微波从任何方向传　播，展现了三维的晶体带隙，如图１所示。

光子晶体的研究与应用

光子晶体是一种微结构材料，具有类似于晶体的周期性结构，但是不是由原子或者分子组成，而是由光子晶胶体颗粒组成。光子晶体在光子学、化学、物理、材料科学等领域得到了广泛的应用，例如，在能源、传感、信息处理、生物医学等领域都有着很好的应用前景。

一. 光子晶体的制备

实验中通常采用的制备光子晶体的方法有：自组装法、电沉积法、光刻法等。

1.自组装法

这种方法通常使用胶体晶球作为模板，通过溶液挥发或者热处理等方式使其形成光子晶体。其中最常见的是球形非晶胶体晶球模板的法。这种方法不仅能够制备不同大小、形状的光子晶体，而且可以使得光子晶体具有良好的结构、周期性和层次性。

2.电沉积法

这种方法是利用高温与化学反应的原理，将规定形状的金属纳米颗粒水化合物电解沉积在电极上，从而构造出光子晶体。这种方法制备的光子晶体不仅结构完整，而且具有良好的光谱性能和多样化的形态。

3.光刻法

这种方法主要是在硅素晶体的表面上使用类似于摄影的技术，在可见光和紫外线的照射下使得硅片发生化学反应形成光子晶体。最主要的优点是可以制备出复杂的几何形态的光子晶体，并且可以通过改变所使用的物质以及优化制备工艺来得到更好的特性。

二. 光子晶体的应用

在一些领域中，光子晶体的应用已经具有了丰富多彩的形式。下面将从绿色能源、传感、光变材料及生物医学四个方面来分述。

1.绿色能源

光子晶体有着一些特殊的物理性质，例如光子晶胶体颗粒之间的纳米光学场相互作用可以引起光学透射波长的变化。光子晶体通过其光电性质协同作用，开发了太阳能电池、能谱光源等领域。例如，人们可以通过制备某些特定的光子晶体，使得其在光谱范围内具有较好的反光特性，可以提高太阳能转换并使其效率更高。

2.传感

光子晶体在光学传感器上应用的研究日益深入。光子晶体材料运用其光学特性提高传感器的灵敏度和响应速度，实现了对多种物质、直线运动方向等多因素的探测。例如，对于细胞的定位、动力学探测以及化学性质的判断，可以通过制备出相应的质感光子晶体来完成，从而获得更加精准的信息和控制。