光子晶體光纖導光原理及在光纖通信的應(yīng)用

光子晶體光纖（PhotonicCrystalFiber，PCF），也稱為微結(jié)構(gòu)光纖（MicrostructureOpTIcalFiber，MOF），它具備許多獨特而新穎的物理特性，如：可控的非線性、無盡單模特性、可調(diào)節(jié)的奇異色散、低彎曲損耗、大模場等特性，這些特性是常規(guī)石英單模光纖所很難或無法實現(xiàn)的。
因此，微結(jié)構(gòu)光纖引起了國外科學界的廣大關(guān)注，隨著微結(jié)構(gòu)光纖制造工藝技術(shù)的進步，微結(jié)構(gòu)光纖的各種指標已取得了突破性進展，各種微結(jié)構(gòu)光纖新產(chǎn)品應(yīng)運而生。它不僅應(yīng)用到常規(guī)光通信技術(shù)領(lǐng)域，而且廣泛地應(yīng)用到光器件領(lǐng)域，如：高功率光纖激光器、光纖放大器、超連續(xù)光譜、色散補償、光開關(guān)、光倍頻、濾波器、波長變換器、孤子發(fā)生器、模式轉(zhuǎn)換器、光纖偏振器、醫(yī)療、生物傳感等領(lǐng)域。
光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖，近年來引起廣泛關(guān)注，它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度，光波可以被限制在光纖芯區(qū)傳播。光子晶體光纖有很多奇特的性質(zhì)。
例如，可以在很寬的帶寬范圍內(nèi)只支持一個模式傳輸；包層區(qū)氣孔的排列方式能夠極大地影響模式性質(zhì)；排列不對稱的氣孔也可以產(chǎn)生很大的雙折射效應(yīng)，這為我們設(shè)計高性能的偏振器件提供了可能。
光子晶體的概念最早出現(xiàn)在1987年，當時有人提出，半導體的電子帶隙有著與光學類似的周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中最有發(fā)展前途的領(lǐng)域是光子晶體在光纖技術(shù)中的應(yīng)用。它涉及的主要議題是高折射率光纖的周期性微結(jié)構(gòu)（它們通常由以二氧化硅為背景材料的空氣孔組成）。
這種被談?wù)撝墓饫w通常稱之為光子晶體光纖（PCFs），這種新型光波導可方便地分為兩個截然不同的群體。第一種光纖具有高折射率芯層（一般是固體硅），并被二維光子晶體包層所包圍的結(jié)構(gòu)。這些光纖有類似于常規(guī)光纖的性質(zhì)，其工作原理是由內(nèi)部全反射（TIR）形成波導；相比于傳統(tǒng)的折射率傳導，光子晶體包層的有效折射率允許芯層有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，這些我們所謂的內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIR－PCFs），實際上完全不依賴于光子帶隙（PBG）效應(yīng)。
與TIR－PCFs截然不同的另一種光纖，其光子晶體包層顯示的是光子帶隙效應(yīng)，它利用這種效應(yīng)把光束控制在芯層內(nèi)。這些光纖（PBG－PCFs）表現(xiàn)出可觀的性能，其中最重要的是能力控制和引導光束在具有比包層折射率低的芯層內(nèi)傳播。相比而言，內(nèi)部全反射光子晶體光纖（TIR－PCFs）首先是被制造出來的，而真正的光子帶隙傳導光纖（PBG－PCFs）只是在近期才得到實驗證明。
1991年，Russell等人根據(jù)光子晶體傳光原理首次提出了光子晶體光纖（PCF）的概念。
1996年，英國南安普頓大學的J．C．Knight等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纖通信和光學研究領(lǐng)域中，PCF引起了全世界的普遍興趣。
光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)及其導光原理
就結(jié)構(gòu)而言，PCF可以分為實心光纖和空心光纖。實心光纖是將石英玻璃毛細管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃棒周圍的光纖?？招墓饫w是將石英玻璃毛細管以周期性規(guī)律排列在石英玻璃管周圍的光纖。
PCF導光機理可以分為兩類：折射率導光機理和光子能隙導光機理。
折射率導光機理：周期性缺陷的纖心折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定的差別，從而使光能夠在纖芯中傳播，這種結(jié)構(gòu)的PCF導光機理依然是全內(nèi)反射，但與常規(guī)G．652光纖有所不同，由于包層包含空氣，所以這種機理稱為改進的全內(nèi)反射，這是因為空芯PCF中的小孔尺寸比傳導光的波長還小的緣故。
光子能隙導光機理：在理論上，求解電磁波（光波）在光子晶體中的本征方程即可導出實芯和空芯PCF的傳導條件，其結(jié)果就是光子能隙導光理論。
中心為空芯，雖然空芯的折射率比包層石英玻璃低，但仍能保證光不折射出去，這是因為包層中的小孔點陣構(gòu)成光子晶體。當小孔間的距離和小孔直徑滿足一定條件時，其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播，光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。
最近有研究表明，這種HF中可傳輸99％以上的光能，而空間光衰減極低，因此光纖衰減可能只有標準光纖的1／2～1／4。但并不是所有PCF都是光子能隙導光。
空芯PCF的光子能隙傳光機理的具體解釋是：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳光機理是利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空芯PCF中不能發(fā)生全內(nèi)反射，但包層中的小孔點陣結(jié)構(gòu)就像一面鏡子，這樣光就在許許多多的小孔的空氣和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。
PCF的特性
PCF有如下特點：結(jié)構(gòu)設(shè)計很靈活，具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu)；芯和包層的折射率差可以很大；芯可以制成各種各樣；“包層折射率”是強烈依波長而變的函數(shù)，包層性能可以反映在波長尺度上。正因為有以上特點，PCF有著以下許多奇異特性：
（1）無截止單模（EndlesslySingleMode）
傳輸普通單模光纖隨著纖芯尺寸的增加會變成多模光纖。而對于PCF，只要其空氣孔徑與孔間距之比小于0．2，無論什么波長都能單模傳輸，似乎不存在截止波長。這就是無截止單模傳輸特性。這種光纖可在從藍光到2＆mu；m的光波下單模傳輸。
更為奇特的是這種特性與光纖的絕對尺寸無關(guān)，因此通過改變空氣孔間距可調(diào)節(jié)模場面積。在1550nm可達1～800＆mu；m2，實際上已制成了680＆mu；m2的大模場PCF，大約是常規(guī)光纖的10倍。小模場有利于非線性產(chǎn)生，大模場可防止發(fā)生非線性。這對于提高或降低光學非線性有極重要的意義。這種光纖具有很多潛在應(yīng)用，如激光器和放大器（利用高非線性光纖），低非線性通信用光纖，高光功率傳輸。
（2）不同尋常的色度色散
真空中材料色散為零，空氣中的材料色散也非常小。這使得空氣芯PCF的色散非常特殊。由于光纖設(shè)計很靈活，只要改變孔徑與孔間距之比，即可達到很大的波導色散，還可使光纖總色度色散達到所希望的分布狀態(tài)。如零色散波長可移到短波長，從而導致在1300nm實現(xiàn)光弧子傳輸；具有優(yōu)良性質(zhì)的色散平坦光纖（數(shù)百nm帶寬范圍接近零色散）；各種非線性器件以及色散補償光纖（可達2000ps／nm·km）都應(yīng)運而生。
（3）極好的非線性效應(yīng)雙折射效應(yīng)
G．652光纖中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)是由于光纖的單位面積上傳輸?shù)墓鈴娺^大造成嚴重損傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個現(xiàn)象。然而，在光子能隙導光PCF中，我們可以通過增加PCF纖芯空氣孔直徑（即PCF的有效面積）來降低單位有效面積上的光強，從而達到大大減少非線性效應(yīng)的目的。光子能隙導光的這個特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
（4）優(yōu)良的雙折射效應(yīng)
對于保偏光纖而言，雙折射效應(yīng)越強，波長越短，所保持的傳輸光偏振態(tài)越好。在PCF中，只需要破壞PCF剖面圓對稱性，使其構(gòu)成二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強的雙折射。通過減少空氣孔數(shù)目或者改變空氣孔直徑的方式，可以制造出比常用的熊貓牌保偏光纖高幾個數(shù)量級的高雙折射率PCF保偏光纖。
光子晶體光纖在光纖通信的應(yīng)用
PCF在光纖通信系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用主要有兩個方面：傳輸光纖和光器件。PCF作為傳輸光纖的研究要點是改進制造工藝、降低光纖損耗。PCF作為光器件的研究要點是通過調(diào)整PCF的結(jié)構(gòu)尺寸來實現(xiàn)PCF器件所需要的性能。
眾所周知，作為光信號傳輸介質(zhì)，無論是G．652光纖還是PCF都應(yīng)該滿足低損耗、小色散和低非線性效應(yīng)。與G.652損耗機理相同，PCF損耗主要來源于吸收和散射。此外，由于PCF結(jié)構(gòu)的特殊性，也自然帶來了一些特殊的損耗來源，如模式泄漏損耗和結(jié)構(gòu)缺陷損耗。表1給出了PCF的損耗來源。
人們采取了一系列措施來降低PCF的損耗，主要有（1）提高芯／包層材料的純度；（2）采用減少污染包層材料管的工藝；（3）通過合理設(shè)計空氣填充比／空氣孔數(shù)量來降低泄漏模式。
PCF具有的低損耗、小色散、低非線性效應(yīng)特性，使得其在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用是非常有前途的，尤其對于長途通信系統(tǒng)。隨著PCF設(shè)計方法和制造工藝的不斷改進，PCF性能正日趨完善。特別是K．Tajima等人通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，如空氣孔直徑d和空氣孔間距r，以及d／r比值，大道理既減少PCF的衰減，又改善PCF的色散和色散效率的目的。現(xiàn)在，PCF已經(jīng)進入實驗室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗研究階段。
2003年初的世界光纖通信會議（OFC）上，日本電報電話公司（NTT）接入網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)實驗室的K．Tajima等人報道了他們研制出的衰減為0.37dB／km的超低衰減、長長度的PCF。PCF具有完全的單模特性，可用工作波長范圍為0.458—1.7＆mu；m。
C.Peucheret等人的研究小組利用5.6km的PCF線路進行工作波長為1550nm的40Gbit／s的傳輸實驗。這個實驗系統(tǒng)所用的PCF的有效面積是72平方＆mu；m、衰減為1.7dB／km、色散系數(shù)為32ps／（km.nm）。實驗表明，PCF作為光信號傳輸介質(zhì)時，系統(tǒng)的性能沒有劣化，與G.652光纖相比，PCF最大優(yōu)勢是在保證很小的偏振模色散系數(shù)的前提下，色散系數(shù)、有效面積和非線性系數(shù)可以靈活設(shè)計。
如上所述，PCF本身就是一種良好的色散補償光纖。通過靈活設(shè)計PCF的3個特征結(jié)構(gòu)參數(shù)：纖芯直徑、包層空氣孔直徑和包層空氣孔間距，我們就可以獲得很大的正色散，或者很大的負色散，或極寬波段的平坦色散PCF。特別是PCF的靈活色散、色散效率補償帶寬管理能量比G.652光纖大幾倍，故PCF具有優(yōu)良的色散補償性能，有希望代替普通的色散補償光纖，成為新一代色散補償光纖。
由于普通色散補償光纖的芯／包層折射率差?。?.45／1.3），所以其色散補償能力差。而PCF的芯／包層差大（1.45／1），因此PCF具有很強的色散補償能力。清華大學的研究人員從理論上計算了PCF的色散值，在計算中所選擇的PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)是：空氣孔間距為0.8＆mu；m，空氣孔直徑與空氣孔間距之比是0.835。
計算得到，在1.55＆mu；mPCF的色散值可以達到－2050ps／（km.nm），可以補償120倍長度的G.652光纖（17ps／（km.nm）），可以補償240倍長度的G.655光纖（8．2ps／（km.nm）），從而大大縮短了色散補償光纖的長度。因此，PCF的色散補償作用在高速率、大容量、遠距離的WDM系統(tǒng)中將會具有極大的應(yīng)用價值。
PCF可以構(gòu)成光纖激光器和光纖放大器，究其理由是通過調(diào)整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設(shè)計出模場面積范圍為1-1000＆mu；m2的PCF，使得PCF在光纖激光器和光放大器研制中比G.652光纖更具有優(yōu)勢。
已經(jīng)取得研究進展的PCF與光纖通信相關(guān)應(yīng)用還有：光波長變換、拉曼放大器、光孤子激光器、光纖光柵和連續(xù)譜發(fā)生器等。