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光纤通信中的光子晶体光纤设计与制备光纤通信是现代通信技术中的重要组成部分，它以光信号的传输为基础，具有高速率、大容量和低损耗等优势。
而在光纤通信系统中，光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）作为一种新型光传输介质，由于其独特的结构和优异的光学性能，受到了广泛的关注与研究。
光子晶体光纤的设计与制备是实现其优异性能的关键。
在设计光子晶体光纤时，首要任务是选择合适的光子晶体结构。
光子晶体结构是指具有周期性调制折射率的光导波结构。
常用的结构包括周期性空气孔径的光子晶体光纤和光子晶体光纤的背腔结构等。
这些结构的设计需要考虑到希望实现的光学性能，例如传输带宽、波导色散特性和波导模式等。
设计合适的光子晶体结构可以在光纤中实现弥散调制、非线性光学和光谱限制等功能。
而在制备光子晶体光纤时，主要有两种方法：传统的拉制法和堆叠法。
拉制法是将预先制备好的光子晶体玻璃棒拉长成光纤的方法。
这种方法需要精确控制光子晶体结构中的孔径大小和填充材料的组成，以实现预期的光学性能。
拉制法制备的光子晶体光纤具有高组织完整性和直径可控性等优点。
而堆叠法是通过将多层光子晶体玻璃片堆叠在一起，再将其熔合成整体光纤的方法。
堆叠法相对较简单，然而由于其制备过程中的不完整性和结晶缺陷，所制备的光纤表现出较高的损耗和波导色散。
在光子晶体光纤的制备过程中，材料选择也是非常重要的一环。
通常，用于制备光子晶体光纤的材料包括玻璃、聚合物和硅等。
玻璃材料在光子晶体光纤制备中具有较好的热稳定性和光学性能，然而其制备工艺复杂且成本较高；聚合物材料则具有较高的制备灵活性和低制备成本，但其热稳定性较差；硅材料则可以通过现代微纳加工技术进行制备，具有优异的光学性能和热稳定性，但其制备工艺较为复杂。
除了设计和制备光子晶体光纤外，其它一些关键问题也值得关注。
例如，对于光子晶体光纤中的非线性效应，如自相位调制和频率倍增等，需要认真研究其对光信号传输的影响。
大模场光纤为了解决上述限制，已经开发了许多更复杂的光纤设计(主要基于光子晶体光纤)和技术。
在许多情况下，大的传播色散被人为地引入到高阶模中，这使得多模光纤保持良好的单模传输。
另一个角度是最小化不想要的模式耦合。
例如:•可以很大程度的弯曲光纤；根据不同的光纤设计，使高阶模式的弯曲损耗足够大直到高阶模式比基模小很多。
从这个角度也可以优化光纤设计。
需要注意的是，弯曲不仅会引入损耗，还会减小有效模式面积。
尤其是大模式面积的阶跃折射率光纤更加明显。
在比较不同类型的光纤时，这一效应需要考虑在内[8]。
有些得到大模式面积的光纤设计中不采用弯曲，但是弯曲光纤会极大减小模式面积，还有的设计方法中（例如，采用抛物线型折射率分布），最初模式面积比较小，但是对弯曲几乎不敏感。
•所谓的手性耦合芯光纤[12,21]的中心的纤芯很直，光在其中传播，还有另一个纤芯螺旋环绕在中心的芯上。
螺旋芯选择性的与中心的纤芯中的高阶模式耦合，基模基本不受影响。
选择性耦合的原理是螺旋性影响传播常数，影响方式为在某一有效波长范围内，只有与高阶模式之间的耦合满足相位匹配，而基模不满足。
•在泄漏管道光纤中[7,11]，纤芯周围是少量的较大的空，造成传播模式选择性的泄漏，这样高阶模式存在很大的传播损耗，而基模不存在。
早期这种光纤是由光子晶体光纤制作，固体全玻璃设计也可能得到[23]。
最好的光纤设计得到的有效模式面积为几千μm2。
对模式面积并没有严格的限制，但是得到更大的模式面积更难得到单模传输，并且不能允许大的弯曲程度。
增大模式面积的同时不可能不影响单模传输。
原因在于，模式传播涉及到衍射和波导效应的平衡，由于模式面积更大时衍射不可避免的会减弱，平衡也变得对外界干扰越来越敏感。
在采用大模式光纤的高功率光纤激光器和放大器中，热透镜效应会改变模式性质，尤其会减小有效模式面积[29]。
有些情况下采用多丝纤芯可以减弱折射率控制存在的问题，其中光纤纤芯是由一系列二维排列的丝组成的[19]。
光子晶体光纤的制备及应用光子晶体光纤是一种具有高光波导控制能力和特殊光学性质的光纤，它的制备手段和微电子加工技术相似，主要包括光子晶体结构设计、材料选择与制备、光纤预制和制备等过程。
光子晶体光纤在光通信、生物医学、传感器等领域有着广泛的应用。
一、光子晶体光纤的制备过程1. 光子晶体结构设计光子晶体结构是光子晶体光纤具有高光波导控制能力的重要保证。
可以选用计算机辅助设计软件和模拟器进行结构优化和仿真。
通过改变光子晶体晶胞中介质的折射率等参数，可以改变光子晶体的光学特性，如色散、带宽等。
可能的光子晶体结构包括一维、二维、三维光子晶体结构等。
2. 材料选择与制备光子晶体材料的选择具有重要意义。
常见的材料有二氧化硅、氧化铌、氧化锆等。
材料制备一般采用溶胶-凝胶法、水热法、溶液旋转涂覆法等方法。
在制备过程中，需要特别注意保证晶体结构的完整性和均匀性。
3. 预制光纤常规的预制光纤一般采用传统的气相化学沉积法、拉制法、熔石英法等制备。
而预制光纤的表面和内部质量对于最后制备的光子晶体光纤的质量和性能有着重要的影响。
4. 光子晶体光纤的制备光子晶体光纤的制备主要分为两步，首先是将预制光纤拉伸到一定长度，然后再通过模板法或空气堵塞法在拉伸的光纤中注入光子晶体颗粒。
两种方法制备的光子晶体光纤形态略有不同，模板法制备的光子晶体光纤表面光子晶体结构呈现出钮扣状，空气堵塞法制备的光子晶体光纤表面结构则为环状。
二、光子晶体光纤的特性和应用1. 光子晶体光纤的特性光子晶体光纤具有多种特殊的光学性质，如能够实现群速度减缓、衍射效应等，并且可以通过改变结构参数实现光学滤波、非线性光学等特殊功能。
由于光子晶体光纤内部的结构类似于光子晶体，因此对于光的波长和方向等具有良好的调制能力。
2. 光子晶体光纤的应用（1）光通信领域光子晶体光纤可以在制备过程中调节材料和结构参数，实现光口的高度定制化。
因此，光子晶体光纤在光通信领域可以用于实现波分复用、沿线灵活引导光波等应用。
光子晶体光纤的设计与制备一、前言随着通信技术不断发展和电子设备的迅猛普及，对于高速、大容量通信的需求越来越高。
在这样的需求下，光通信成为了人们重视的一种通信方式。
而光纤作为光通信的传输媒介，其性能对于通信的质量和容量有着重要的影响。
在所有的光纤中，光子晶体光纤的传输性能和实用性是目前最优秀的。
二、光子晶体光纤的概念光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）是一种特殊的光纤，其传输机理和传统光纤完全不同。
光子晶体光纤是由光子晶体结构形成的中空芯光纤，它的芯层结构由环形排列的空心高低不平规律芯柱构成，芯周围是具有光子晶体结构、由空和实组成的材料壳层。
由于光子晶体结构和光学玻璃直接交错，光场暴露在空气和光学玻璃相间的界面上，从而大大加强了光学互作用。
三、光子晶体光纤的优点1.超宽光谱范围：光子晶体光纤由于核心中存在空气，使之呈现出空传模式，从而可以在更大的光波段上运行。
2.强烈色散控制：光子晶体光纤通过调节纵向周期、芯尺寸和纹理，可实现类型、量级可控色散。
3.宽的模式场直径：光子晶体光纤芯层中芯柱的尺寸和排列规律可以随意设计，从而可以获得大范围、强度均匀的模式。
4.光纤之间的高疏密度交叉：由于光子晶体光纤的芯层和壳层被交替排列，可以实现与另一个光波导的穿越或交叉，从而提升了光纤传输的灵活性。
四、光子晶体光纤的制备方法1.拉制法光子晶体光纤的拉制方法和传统光纤相似，只是在拉丝的过程中需要控制高度精度的制备参数，包括预制的毛单丝、预制的光子晶体手段、丝芯和丝壳材料的选取等。
2.叠纸法叠纸法是通过将光子晶体的数个重叠折层固定在一起，在拉制时削减下坠力，再用手摇纤维丝杆使其缠绕。
五、光子晶体光纤的应用1.超高速光通信随着互联网的迅猛发展，对于网络的需求越来越高。
而光子晶体光纤的优异性能，使之特别适合于超高速光通信的场景。
2.光学显微技术传统的光学显微技术只能获得有限的分辨率，但是，利用光子晶体光纤的优异性能，可以制作高分辨率的成像装置，从而可以实现更加细致和准确的显微检测。
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)03-0079-04PCF(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滨州学院学报第24卷寸.当放大或缩小结构尺寸时,PCF 仍可保持单模传输,因此可以设计出大模式面积的光子晶体光纤,应用于高功率激光传输、放大、模式整形和多波长传输等.2纤芯结构对模场的影响为了获得大模式面积的光子晶体光纤,对TIR -PCF 进行分析.其纤芯为实芯,包层为四边形排列的空气孔.(1)当包层空气孔直径d 不变,空气孔间距a 、空气填充比f 变化时(见表1)对应基模模场分布如图1所示.表1 空气孔直径d 不变,空气孔间距a 、空气填充比f 变化组别包层空气孔直径d / m 空气孔间距a / m f =d/a (a)150.2(b)1100.1(c)1200.05(a)a =5 m,f =0.2 (b)a =10 m,f =0.1 (c)a =20 m,f =0.05图1 不同空气孔间距a 所对应的PCF 基模模场分布(d =1 m)从图1可以明显看出,当PCF 包层空气孔直径d 一定时,随着空气孔间距a 增加,填充比f 减小,模场面积逐渐增大.(2)当包层空气孔间距a 不变,空气孔直径d 、空气填充比f 变化时(见表2)对应基模模场分布如图2所示.表2 包层空气孔间距a 不变,空气孔直径d 、空气填充比f 变化组别包层空气孔直径d / m 空气孔间距a / m f =d /a (a)0.550.1(b)150.2(c)250.4(a) d =0.5 m,f =0.1 (b)d =1 m,f =0.2 (c)d =2 m,f =0.4图2 不同空气孔直径d 所对应的PCF 基模模场分布(a =5 m)从图2可以明显看出,当包层空气孔间距a 一定时,随着空气孔直径d 增加,填充比f =d/a 也增加,80第3期薛 华,韩春艳 大模场光子晶体光纤设计但是模场面积几乎不变,随着d 增加,模场越来越集中在纤芯中.这是因为包层空气孔填充比越大,散射作用越明显,场强越来越集中于纤芯中.(3)当包层空气孔间距a 、空气孔直径d 等比例增加,空气填充比f 不变时(见表3)对应基模模场分布如图3所示.表3 包层空气孔间距a 、空气孔直径d 等比例增加,空气填充比f 不变组别包层空气孔直径d / m 空气孔间距a / m f =d/a (a)0.550.1(b)1100.1(c)2200.1(a)d =0.5 m,a =5 m (b)d =1 m,a =10 m (c)d =2 m,a =20 m图3 不同空气孔直径d 所对应的P CF 基模模场分布(f =0.1)从图3可以明显看出,当包层空气孔填充比f =d/a 一定时,随着空气孔直径d 的增加空气孔间距a 也增加,模场面积也随之增大.综上所述:当增大包层空气孔间距a 时,模场面积增大(d 不变),当增大包层空气孔直径d 时,模场越来越集中在纤芯中传播,(a 不变).1996年,英国Bath 大学的Briks 等人验证了只要包层空气孔直径和孔距之比满足一定要求(d/a <0.2),此时模场分布保持不变,不再与波长有关,从而保证了所有波长的单模运转[7].根据以上结论,设计了大模式面积光子晶体光纤的结构参数:d =1 m,a =10 m,f =0.1 m 设KZ 取值1~30.计算其色散关系曲线和基模传输图像如图4、5所示.图4大模式面积光子晶体光纤的色散关系 图5大模式面积光子晶体光纤的基模传输图像大模式面积光子晶体光纤可以实现高功率传输而不至于导致传输信号发生畸变,用作光纤激光器和放大器的基质光纤[8],可使输出功率大幅度提高.3结 论光子晶体光纤的 无截止单模 特性与光纤结构的绝对尺寸无关,即当改变结构尺寸时,光子晶体光纤仍可保持单模传输,这就提供了一条实现大模式面积光纤的途径.本文通过利用光子晶体光纤的 无截止8182滨州学院学报第24卷单模 特性,改变纤芯结构,讨论了纤芯结构对模场面积的影响,并运用平面波展开法设计和计算了大模式面积光子晶体光纤的色散关系及模场传输特性,从而设计出大模式面积光子晶体光纤.参 考 文 献:[1] Yablonovitch E.Inhibited Spontaneous Em ission in Solid-State Physics and Electronics[J].Phy sRev Lett,1987,58(20):2059-2061.[2] John S.Strong Localization of Pho tons in Certain Disorder ed Dielectric Superlattices[J].Phys RevLett,1987,58(23):2486-2489.[3] 李曙光,刘晓东,侯蓝田.光子晶体光纤的导波模式与色散特性[J].物理学报,2003(11):2811-2817.[4] Yablonov itch E,Gmitter T J.Photonic Band Structure:The Face-entered-cubic Case[J].Phys RevLett,1989,63(18):1950-1953.[5] H o K M,Chan C T,Soukoulis C M.Ex istence of a Photonic Gap in Periodic Dielectr ic Structures[J].Phys Rev Lett,1990,65:3152-3155.[6] Lin S,Fleming JG.A Three-dimensional Optical Pho to nic crystal[J].J Lightw ave Technolog y,1999,17:1944-1947.[7] 付圣贵,董孝义.光子晶体光纤的基本特性与应用[J].光通信技术,2004(3):54-58.[8] 王文杰,郭林,张宁,等.光子晶体光纤的研究进展及应用[J].光通信技术,2004,28(7):12-15.The Design of the Large Mode Photonic Crystal FiberXUE H ua,H AN Chun-yan(Dep ar tment of P hy sics and Electronic T echnolog y,B inz hou Univ er sity,Binz hou256603,China)Abstract:Total inter nal reflection PCF core has hig h r efractive index,and the cladding is quartz-air periodic str ucture.T he light travels fo rw ard through hig h refractive index core and total internal reflec-tion among cladding s w ith low er av er ag e r efractive index.T he r equirement for perio dic structur e o f clad-ding is not str ict,ev en disor dered.U sing its endless single mode characteristic,the PCF of lar ge mode field has been designed.Key words:photonic crystal fiber;endless sing le mode;mode field(责任编辑:贾晶晶)。
