《光子晶体光纤在光纤通信中的应用与展望》

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

PCF 导光机理仍然是基于光的全内反射。但这种结构的PCF包层又含有空气, 所以这种PCF 的导光机理又被称为改进的全内反射。如果充满小孔的包层有比纤芯更低的平均折射率, 则光就会像在普通光纤中一样发生全内反射。

光子能隙导光机理是指，在理论上针对PCF 求解电磁波(光波)的本征方程, 即可导出实心以及空心的PCF的传导条件。虽然空心折射率比包层石英玻璃低, 但仍能保证光不会折射出去, 这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体, 当小孔间距离和小孔直径满足一定条件时, 其光子能隙范围, 即能阻止相应光的传播, 光被限制在中心空心之内传输。这种空心光纤中光衰减极低,传输衰减可能只有普通光纤的一半甚至更低。空心PCF的光子能隙传光机理的具体解释是在空心PCF中形成周期性的缺陷的是空气, 传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙, 光波只能在空气心形成的缺陷中存在和传播。虽然在空心PCF中不能发生全内反射, 但包层中的小孔点阵结构像一面镜子。这是由于光在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射, 总体上看反射作用很强, 就像薄膜滤光器一样, 其差别仅在于薄膜滤光器是一维结构, 而光纤是二维结构。

2.3 PCF的特征参数与特性

表征PCF结构及性能的3个特征参数是:纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔之间的距离[4]。光纤特性主要包括损耗、色散和非线性。这种由空气与石英复合结构的PCF光纤具有很强的抗弯性，其抗弯能力相比当前的

G.657光纤提升100倍以上，弯曲半径可以降低到2毫米以下，可用于高端

有线制导领域。

PCF同样具有灵活的色散裁剪特性，改变光子晶体光纤中的空气孔大小与间距，光子晶体光纤的色散和色散斜率会急剧变化。如实心光纤的零色散点在1300 nm波长附近，虽然也可以通过设计将零色散点向长波长移动，但难以获得短波长的零色散。光子晶体光纤可以实现短波长零色散特性、宽波段的色散平坦特性以及超大负色散特性。

此外，高非线性光子晶体光纤的非线性系数是普通石英单模光纤的几十至几百倍。因此，在光子晶体光纤中不需要超快飞秒脉冲，所用脉冲泵浦的峰值功率可以低到次千瓦量级，这比常规光纤所需的功率低1～2 个数量级。

另外，光子晶体光纤的色散特性具有较大的设计灵活性，保持包层内空气孔间距不变而增大空气的填充比例就可以减小纤芯面积从而增强非线性效应，同时纤芯和包层之间极大的折射率差使得波导色散增大，结果零色散波长可以移至短波长波段( 670 nm～880nm），使得这些光纤特别适合采用掺钛蓝宝石激光或Nd3+泵浦激光光源的超连续光发生器[6]。

3 发展动态与展望

自光子晶体光纤面世以来，其研究重点始终围绕着理论模型、制造工艺、性能测量和工程应用技术等[5]。1996 年，J.C.Knight 等人研制出世界上第一根PCF，为光通信创新提供了广阔的想象与创新空间。如今，光子晶体光纤除了作为光通信的媒质研究以外，在光放大器件、光开关及光传感器、光纤激光器等领域以被广泛研究应用，比如近期的光纤陀螺，光子晶体光纤因为弯曲损耗小、磁敏感度低、抗辐射等特点，能有效降低环境因素引起的陀螺误差，提高光纤陀螺的环境适应性,被认为是下一代光纤陀螺的理想选择[7]。但鉴于光子能隙导光型空心光纤