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高双折射聚合物光子晶体保偏光纤 设计及制备与表征的初步结果 张亚妮 摘要保偏光纤不仅在光通信领域，而且在光纤传感、集成光学信息处理 等领域均具有广泛的应用前景。传统应力型保偏光纤，如熊猫型、蝴蝶结型等， 模式双折射较低，而且应力单元由掺b 2 0 3 组成，制备工艺复杂：另外，应力单 元应力的大小与温度直接相关，致使其双折射温度稳定性差；并且纤芯掺g c 0 2 ， 致使其抗辐射能力差，无法适应现代通信系统的需求。光子晶体光纤( p h o t o n i c c r y s t a lf i b e r s ，p c f s ) 由单一材料和周期性空气孔构成，通过调整包层空气孔 的大小、间距、形状及排列模式，可以在较大范围内调整纤芯与包层的折射率差， 获得高双折射单模运行。与传统保偏光纤相比，光子晶体保偏光纤温度稳定性好， 具有更强的偏振稳定性和抗辐射能力，能有效排除偏振模色散，在未来全光网、 光纤陀螺、光纤传感、可调谐光纤激光器等领域将起重要作用。 然而，石英光子晶体保偏光纤受预制棒制备和拉丝工艺的限制，一直阻碍着 其实用化进程。2 0 0 1 年，澳大利亚悉尼大学v a ne i j k e l e n b o r g 等人首次报道了采 用聚合物开发各种类型光子晶体光纤的研究结果，为光子晶体光纤的成功开发提 出了新思路。受澳大利亚悉尼大学的启发，本论文对聚合物光子晶体光纤预制棒 制备工艺和拉丝工艺进行了深入研究；并从理论角度对聚合物基材光予晶体保偏 光纤进行了结构和参数设计研究：选取甲基丙烯酸甲酯m m a ) 为制备材料， 采用本体聚合技术和套管法拉丝技术，成功制备了椭圆芯六角对称聚合物光子晶 体光纤，并对其进行了光学特性和偏振特性的测试与表征。取得的研究成果如下： ( 1 ) 对光予晶体光纤理论分析方法进行了深入研究，提出采用全矢量平面 波展开法( f v - p w m ) 模拟高双折射光子晶体保偏光纤偏振特性的研究思路。从 m a x w e l l 电磁波动方程出发，将介质介电常数和电磁波动方程的解采用傅立叶级 数展开，得到光子带隙型光子晶体光纤的平面波分析模型，并将平面波分析模型 演化到折射率导模型光子晶体光纤之中。 ( 2 ) 采用全矢量平面波展开法，以聚合物为基材，对四种不同结构类型光 子晶体光纤，即椭圆芯六角对称聚合物光子晶体光纤、椭圆芯非六角对称聚合物 光子晶体光纤、矩形点阵聚合物光子晶体光纤和单模单偏振聚合物光子晶体光纤 进行了参数设计和结构优化。 ( 3 ) 首次提出了一种新型结构高双折射p c f s 椭圆芯非六角对称结构 p c f 。以聚合物为基材，采用全矢量平面波法( f u l lv e c t o rp l a n ew a v em e t h o d ， f v p w m ) ，对该光纤的偏振特性和模场特性进行了模拟。结果发现，该光纤双折 射是由芯和包层不对称性共同产生的。其偏振特性与不对称比例因子r = b a 存在强烈的依赖关系，( 其中d 表示y 方向的孔间隔，a 表示x 方向的孔问隔， d 表示孔直径) 。若选取a = 2 3 m ，d a = 0 4 ，不对称比例因子 叼= 0 4 时，该光纤可以在可见光和近红外波段以单模运行方式呈现高达 1 2 9 4 x 1 0 3 的双折射，并有效抑制一阶偏振模色散。 ( 4 ) 获得了具有自主知识产权的聚合物光子晶体光纤预制棒制备工艺和拉 丝工艺。首次在国内将m m a 单体的本体聚合技术移植到聚合物光子晶体光纤预制 棒制备之中，研究了聚合物光子晶体光纤预制棒制备工艺，给出了聚合反应时间 与反应温度之间的关系，成功制备了孑l 直径d = 2 m m ，孔间隔人= 5 m m ，预 制棒直径d = 7 0 m m 的近似椭圆芯六角对称聚合物p c f 预制棒：提出预制棒套 管拉丝技术，拉制了光纤直径d = 1 2 5 5 1 a n ，孔直径d = 3 5 z m ，孔间隔 a = 9 4 # m 的椭圆芯六角对称聚合物p c f s ，研究了光纤拉丝塔中预制棒拉丝 炉、光纤拉丝炉的温度场分布。 ( 5 ) 对套管法拉制的椭圆芯聚合物p c f 光学特性和偏振特性进行了表征研 究。结果表明，该光纤具有机械柔韧性好，数值孔径小，模场直径大和弱双折射 效应等特点。其传输损耗在6 3 2 8n m 波长处为1 1 5 d b m ，且弯曲损耗小，弯曲 半径为1 0 m m ；双折射b 只有4 6 5 1 0 。 以上研究结果为进一步研究聚合物光子晶体光纤制备技术和测试方法提供 了方法上的借鉴和资源上的共享。 本文工作得到国家自然科学重点基金“宽带低损耗渐变折射率聚合物光纤及 其器件的应用基础研究”( 编号：6 0 4 3 7 0 2 0 ) 的资助。 关键词g 光子晶体光纤保偏光纤高双折射聚合物制备工艺 d e s i g no fh i g hb i r e f r i n g e n c ep o l y m e rp h o t o n i cc r y s t a l p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n g f i b e r sa n dt h ep r i m a r yr e s u l t so f f a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c z h a n g y a n i a b s t r a c t ：p o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n gf i b e r s ( p m f s ) h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e d f o rt e l e c o m m u n i c a t i o n ，f i b e r - o p t i cs e n s o ra n di n t e g r a t e do p t i c sf o ri n f o r m a t i o n p r o c e s s g e n e r a l l y , c o n v e n t i o n a ls t r e s sp m f s ，s u c ha sp a n d aa n db o w - t i e ，h a v el o w s t r e s sb i r e f r i n g e n c ed u et os t r e s se f f e c t so fs t r e s so p e r a t i o nc e l li nc o r er e g i o na n d c o m p l i c a t e df a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s ，t e m p e r a t u r ei n s t a b i l i t ya n dw e a kr e s i s t a n c et o n u c l e a rr a d i a t i o no w i n gt og e 0 2 一d o p e dc o r ea n db 2 0 3 - d o p e ds t r e s sr e g i o n s s o ， c o n v e n t i o n a lp m f sa r en o ta b l et o 轴t i s f yt h er e q u i s i t i o n so fm o d e r nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ( p c f s ) , c o n s i s t i n go fs i n g l em a t e r i a la n da na r r a y a i r - h o l e sm n n i n ga l o n gt h ee n t i r ef i b e rl e n g t h ，c a nb eo b t a i n e dw i t hh i g hb i r e f r i n g e n c e a n ds i n 掣em o d eo p e r a t i o na tl a r g e rw a v e l e n g t hr a n g eb ys i m p l et u n i n gt h ed i a m e t e r , s h a p e ，p o s i t i o na n da r r a ym o d eo fa i r - h o l e s s oi ti sv e r ye a s yt oi n d u c et h el a r g e r d i f f e r e n to fr e f r a c t i o ni n d e xb e t w e e nt h ef i b e r s c o r ea n dt h ec l a d d i n g c o m p a r ew i t h c o n v e n t i o n a lp m f s ，p h o t o n i cc r y s t a lp o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n gf i b e r s ( p m p c f s ) h a v e t h ea d v a n t a g e so fh i g h e rr e s i s t a n c et on u c l e a rr a d i a t i o n ，b e t t e rs t a b i l i t yo ft e m p e r a t u r e a n dp o l a r i z a t i o na n dl o w e rp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n h e n c e ，p m p c f sh a v e p o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d so fa l lo p t i c a ln e t w o r k s ，f i b e r o p t i cg y r o s c o p e ， f i b e r - o p t i cs e n s o ra n do p t i c a lf i b e rl a s e r h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o no fp h o t o n i cc r y s t a lp m f sb a s e do ns i l i c o nm a t e r i a li s a l w a y sr e s t r i c t e do w i n g t ot h ec o m p l e x i t yo ft h ec a p i l l a r ys t a c k a n d d r a wf a b r i c a t i o n t e c h n i q u e i n2 0 0 1 ，d r m a r t i j na v a ne i j k e l e n b o r ge la 1 o fu n i v e r s i t yo fs y d n e yo f a u s t r a l i ar e p o r t e dt h er e s e a r c hr e s u l t st od e v e l o pv a r i o u sp c f sb a s e do np o l y m e rf o r t h ef i r s tt i m e t h e s er e s u l t sp r o v i d eak i n do fn e wi d e af o rd e v e l o p i n gp c f s w ea r e e n l i g h t e n e dd e e p l yo nt h er e s e a r c ho fp h o t o n i cc r y s t a lp m f sb yt h e m i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w ef i r s tc o n c e n t r a t eo nt h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u ea n dt h ed r a w s t r e t c h i n g t e c h n o l o g yo fp r e f o r mo fp o l y m e rp c f s f o rt h em o r e ，t h eo p t i m u ms t r u c t u r eo f p o l y m e rp m p c f sw a ss t u d i e do nt h eb a s i so ft h e o r y t h ep o l y m e rp c f w i t he l l i p t i c a l c o r eh e x a n g u l a rs y m m e t r ys t r u c t u r ew a sf a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l yu n d e rt h em e t h o do f i n s i t um o n o m e r p o l y m e r i z a t i o n a n d s l e e v i n gd r a w s t r e t c h i n g b a s e do n n 】 m e t h y l m e t h a c r y l a t e ( m m a ) m a t e r i a l f i n a l l y , w em e a s u r et h eo p t i c a lp r o p e r t ya n d p o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a b r i c a t e df i b e r t h em a i na c h i e v e m e n t sa r el i s t e d b e l o w ： ( 1 ) t h ei d e ao fa d o p t i n gf u l lv e c t o rp l a n ew a v em e t h o d ( f v - p w m ) t oa n a l y z e p o l a r i z a t i o np r o p e r t yo fh i g hb i r e f r i n g e n c ep m - p c f sw a sp r e s e n t e db ys t u d y i n gt h e t h e o r ym o d e lo fp c f s a c c o r d i n gt ot h ee q u a t i o no fm a x w e l l ，w ed i v i d eea n dh f i e l d s ，a n dt h ed i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yb yu s i h gf o u r i e rs e r i e s ，a n ds e tu pt h et h e o r y m o d a lo fp l a n ew a v et oa n a l y z ep c f sw i t hb a n d g a pe f f e c t i nt h ee n d ，t h et h e o r y m o d a lo fp l a n ew a v ew a sa p p l i e di nt h ep c fw i t hi n d e x g u i d i n g ( 2 ) a c c o r d i n gt of v - p w m ，t h ef o u rk i n d so fp c f sw e r en u m e r i c a ls i m u l a t e d b a s e do np o l y m e r t h e yw e r et h ee l l i p t i c a lc o r eh e x a n g u l a rs y m m e t r yp o l y m e rp c f , t h ee l l i p t i c a lc o r en o n h e x a n g u l a rs y m m e t r yp o l y m e rp c f , t h er e c t a n g u l a rl a t t i c e p o l y m e rp c f a n dt h es i n g l e p o l a r i z a t i o ns i n g l e - m o d ep o l y m e rp c e ( 3 ) an e w k i n do fh i g h l yb i r e f r i n g e n ti n d e x - g u i d i n gp c fw i t he l l i p t i c a lc o r en o n h e x a n g u l a rs y m m e t r yc l a d d i n gw a sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e t h ep o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d ef i e l dp r o p e r t yo ft h ep c f sb e i n gm a d eo fp o l y m e rm a t e r i a l a r en u m e r i c a l l ys i m u l a t i o nt o a d o p tf v - p w m t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h e b i r e f r i n g e n c eo ft h ef i b e rh a db e e ni n d u c e db ya s y m m e t r i e so fb o t ht h ec l a d d i n ga n d t h ec o r e m o r e o v e r , t h ep o l a r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si s s t r o n g l yd e p e n d e n to nt h e n o n s y m m e t r yr a t i oo fc l a d d i n go f ，7 = b a ，h e r e ，b i st h eh o l e s s p a c i n go fy d i r e c t i o n ，ai st h eh o l e s - s p a c i n go fxd i r e c t i o n ，t h eh o l e s d i a m e t e ri sd e f i n e da sd w h e n 人= 2 3 zm t h er a t i o o fh o l e s - d i a m e t e ra n d h o l e s - s p a c i n g i s d a = 0 4 ，a n dt h en o n s y m m e t r yr a t i oo fc l a d d i n gr = 0 4 ，t h ef i b e ri sp o s s i b l e t oo p e r a t ei ns i n g l em o d er e g i m ea tw a v e l e n g t hr a n g e so fn e a ri n f r a r e da n dv i s i b l e w i t hh i | g hb i r e f r i n g e n c eo f1 2 9 4 x 1 0 - 3 ，a n dl i m i t e dp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n e f f e c t i v e l y ( 4 ) an e wk i n do fp c ff a b r i c a t i o nt e c h n i q u ew i t hi n d e p e n d e n c ek n o w l e d g e p r o p e r t yr i g h t i s d e v e l o p e d ，i n c l u d i n gt h e f a b r i c a t i o na n dt h e d r a w s t r e t c h i n g t e c h n o l o g i e so ft h ep r e f o r m t h ei n - s i t um m a m o n o m e rp o l y m e r i z a t i o nt e c h n i q u e ， f o rt h ef i r s tt i m e ，i st r a n s p l a n t e dt of a b r i c a t ep c f sp r e f o r mi nc h i n a as e r i e so f i n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u ti nt h ep r o c e s so ff a b r i c a t i n gp c f , w h i c hi n c l u d e d t h ep r e f o r mf a b r i c a t i n ga n dd r a w s t r e t c h i n g , t h er e l a t i o n s h i po ft i m ea n dt e m p e r a t u r e i nt h ep o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o n t h ep c fp r e f o r mw i t h e l l i p t i c a l c o r eh e x a g o n a l w s y m m e t r ys t r u c t u r ew i t hd i a m e t e ro f7 0m m ，h o l e d i a m e t e ro f2m ma n dh o l e s p a c i n g o f5m mw a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y a d d i t i o n a l ，t h es l e e v i n g d r a w s t r e t c h i n g t e c h n i q u eo fp r e f o r mw a ss e tu p ，a n dt h ee l l i p t i c a lc o r eh e x a g o n a ls y m m e t r ys t r u c t u r e p o l y m e rp c fw i t hf i b e rd i a m e t e ro fd = 1 2 5 5 叫, n a v e r a g eh o l e s d i a m e t e ro f3 5 u ma n da v e r a g eh o l e s - s p a c i n g9 4 * mw a sf a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l y t h et e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h eo v e no fp r e f o r md r a w s t r e t c h i n ga n df i b e rd r a w s t r e t c h i n g w e r ei n v e s t i g a t e d ( 5 ) t h eo p t i c a la n dp o l a r i z a t i o np r o p e r t i e so fp o l y m e rp c fw i t he l l i p t i c a lc o r e h e x a g o n a ls y m m e t r ys t r u c t u r e f r o ms l e e v i n g d r a w - s t r e t c h i n gt e c h n o l o g y w e r e c h a r a c t e r i z e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ! t h ef i b e rh a dg o o dc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sb e t t e rm a c h i n ef l e x i b i l i t y , s m a l l e rn u m e r i c a la p e r t u r e ( n a ) ，l a r g e rm o d ef i e l d d i a m e t e ra n dw e a k e rb i r e f r i n g e n c ee f f e c t i t st r a n s m i s s i o nl o s si s1 1 5d b f ma t w a v e l e n g t ho f6 3 2 8n m ，i t sb e n dr a d i ii s1 0m m ，t h eb e n dl o s si sl o ww h e nt h eb e n d r a d i im o r et h a n1 0m m a tt h es a m et i m e i t sb i r e f r i n g e n c ei so n l y4 6 5 1 0 “a t w a v e l e n g t ho fa p p r o a c h i n g6 5 0 n m t h er e s u l t sa b o v e m e n t i o n e dp r o v i d eu s e f u lr e f e r e n c ei nb o t ht h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a la s p e c t sf o rf u r t h e rs t u d y i n gt h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h em e t h o do f m e a s u r i n gp o l y m e rp c f s t h ew o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n au n d e r g r a n tn o 6 0 4 3 7 0 2 0 k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r h j g hb i r e f r i n g e n c e v p o l a r i z a t i o n - m a i n t a i n i n gf i b e r p o l y m e rf a b r i c a t i n gt e c h n i q u e p b g p c p c f o f c t l r e i m m p o f f s m p w m f v - p w m f 啪 f e m b p m n a s e m 缩写词索引 p h o t o n i cb a n d g a p p h o t o n i cc r y s t a l p h o t o t n i cc r y s t a lf i b e r o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n e f f e c t i v ei n d e xm o d e l m i c r o s t m c t u r e dp o l y m e ro p t i c a lf i b e r f u n d a m e n t a ls p a c e - f i l l i n gm o d e p l a n ew a v em e t h o d f l l l lv b c t o rp l a n ew a v em e t h o d f i n i t ed i f i e f e n c et i m ed o m a i n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d n u m e r i c a la p e r t u r e s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e 光子带隙 光子晶体 光子晶体光纤 光纤通信 全内反射 有效折射率模型 微结构聚合物光纤 基空间填充模 平面波法 全矢量平面波法 有限时域差分法 有限元法 束传输法 数值7 l 径 扫描电子显微镜 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：。弓姚日期：丝霉：z 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西 师范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文 的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名： 日期：2 乒年 第一章绪论 保偏光纤( p m f ：p o l a r i z a t i o nm a i n t a i n i n go p t i c a lf i b e r s ) 由于对线偏振光具 有较强的偏振保持能力，并且与普通光纤有良好的相容性而在光纤通信、光纤传 感、光纤激光器和集成光学信息处理等领域得到越来越广泛的应用i l 4 1 。保偏光 纤一般分为单模单偏振和高双折射两种。由于单模单偏振在传统光纤中的难以实 现性，保偏的物理机理主要是通过提高光传输过程中的模式双折射。研究表明： 模式双折射的产生主要来自于光纤几何形状的不对称性1 5 1 、材料内部应力的不均 匀【6 】以及外界电磁场引起的双折射。一般由光纤几何形状不对称性制成的保偏光 纤在温度稳定性方面要优于应力型保偏光纤i ”，因此更适合于对温度稳定性要求 较高的场合，如干涉型光纤传感器中。光子晶体光纤的出现，为研制新型保偏光 纤开辟了一条新的途径1 8 ，以2 1 。同时，微结构聚合物光纤的成功制备1 1 3 1 ，为研制 聚合物基材的光予晶体保偏光纤1 1 4 】，满足可见光与近红外波段的保偏光通信奠定 了坚实的基础。 1 1 传统保偏光纤简介 k a m i n o w 等人1 9 7 9 年首次提出偏振保持光纤的概念和相应的制造方法1 1 5 1 ， 8 0 年代中期保偏光纤得到了蓬勃发展，通过在传统光纤中引入几何双折射或应 力双折射，出现了边坑型1 1 6 1 、边通道型【1 7 l 、平板包层型【埘、熊猫型1 4 】、蝴蝶结型 i q 和椭圆包层型1 5 l 等多种保偏光纤。经过性能、工艺和成本等多方竞争，边坑型、 边通道型及平板包层型相继被淘汰，目前常用的有：熊猫型、椭圆包层型和蝴蝶 结型保偏光纤，如图1 1 所示。 图1 1 三种典型保偏光纤剖面结构 ( a ) 熊猫型；( b ) 蝴蝶结型；f c ) 椭圆型 严格地讲，一般轴对称单模光纤并非完全的圆形，存在一定的椭圆度，可以 同时传输两个线偏振正交模式或两个圆偏振正交模式。若光纤是完全轴对称形式 ( 几何形状为理想圆，折射率分拓均匀) ，两个正交模式在光纤中将以相同的速 度传播，其基模是简并的。但是，实际光纤由于制备工艺问题常出现结构的不对 称性或横截面折射率分布的各向异性，进而导致两正交基模在传播过程中模式简 并被打破。一般，单模光纤中的双折射在1 0 - 6 量级，其两偏振基模的传播常数相 差很小，耦合很容易发生并导致：( 1 ) 使光波的偏振态在传播过程中发生变化； ( 2 ) 使光波在传播过程中发生“偏振模色散”，从而限制了单模光纤的传输速率。 因此，一般的单模光纤不能用于传输偏振光，需要发展一种能维持光波偏振态的 偏振保持光纤，即保偏光纤。另外，对于许多偏振依赖性光纤系统，如高速通信 系统、相干传感系统以及光纤激光器等，还需要偏振性能较好的高双折射光纤。 模式双折射b 是衡量保偏光纤性能的一个主要指标，拍长和偏振模色散可由 光纤的双折射推得。另外，偏振消光比叩用来衡量光纤的保偏特性。传输损耗也 是衡量保偏光纤传输性能的重要指标。 偏振保持光纤主要有高双折射光纤和低双折射光纤之分，两者以单模光纤的 模式双折射值为界1 1 9 1 。低双折射光纤通常有三种结构：近乎完善的圆芯光纤1 2 0 l 、 基于几何效应的旋转光纤1 2 l 】和基于扭曲诱导压力效应的扭曲光纤1 2 2 1 。最低模式双 折射在旋转光纤中获得，其值为4 3 x1 0 - 5 ”。低双折射光纤对外界影响敏感， 弯曲、横向压力、温度等都会影响传输模的偏振态。通过在光纤输出1 ：3 附加偏振 态控制器，低双折射光纤可用于长程相干传输系统，这样的相干传输系统在海底 高稳定环境中应用潜力很大。高双折射光纤的模式双折射b 大于1 0 一，主要有 双偏振高双折射光纤和单偏振高双折射光纤两种类型。高双折射光纤具有较强的 线偏振光保持能力，在环境稳定性较低的偏振依赖光纤系统和光器件中应用广 泛。一般地，基于几何结构双折射的保偏光纤，例如椭圆保偏光纤，温度稳定性 较好，双折射值通常在1 0 - 5 量级1 5 i ：而基于应力双折射的传统保偏光纤，例如蝴 蝶结型和熊猫型1 4 , 6 1 ，双折射值通常在1 0 - 4 量级。 传统应力型保偏光纤，如熊猫型、蝴蝶结型等，依靠纤芯周围的各向异性应 力施加单元( 如硼棒) 对纤芯的应力作用，在纤芯内部形成应力双折射。在这类 保偏光纤中要求应力元和纤芯严格保持在同一条直线上，以形成一个稳定的力学 系统，因此制作工艺复杂。应力施加单元的引入是获得高双折射的基础，但当温 度升高时，应力元的应力逐渐释放，双折射值逐渐减小，致使传统保偏光纤的温 度稳定性较差l 甜。同时，传统保偏光纤的纤芯掺g 觑，致使其抗核辐射能力差， 无法适应现代战争对通信系统生存能力的高要求。另外，熊猫型双折射光纤要求 纤径细，直径一般只有8 0 p m ，欲提高熊猫保偏光纤的双折射，必须加大应力元 的面积，与细径要求相抵住，致使双折射提高困难。 8 0 年代以来，光纤陀螺的研究一直受到发达国家军方的高度重视，研制高 2 性能保偏光纤对光纤陀螺有十分重要的意义。在光纤激光器中，偏振态的随即变 化将严重影响激光输出的稳定性，导致连续光纤激光器输出强度和频率产生浮 动，解决此问题的关键在于掺杂保偏光纤的成功研制，解决保偏光纤的掺杂问题， 将使光纤激光器中的偏振控制变得简单，可以减小或消除对外部偏振元件的需 求，实现高集成设计，甚至达到高功率高稳定的激光输出。这样，不仅可以为高 速光通信提供稳定光源，同时在医学、材料处理及军事应用领域具有广泛的应用 前景。 因此，随着保偏光纤应用领域的迅速扩展，现有保偏光纤已难以满足高速、 稳定、保偏功能的要求，研制新型的保偏光纤已成为一个新的热点。 1 2 1 光子晶体的概念 1 2 光子晶体光纤概述 光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ，缩写为p c f s ) 1 2 3 - z o ，又被称为多孔 光纤( h o l e yf i b e r s ) i z s l 或微结构光纤陋1 ( m i c r o s t r u c t u r e do p t i c a lf i b e r s ) 。光子 晶体光纤的概念源于光子晶体。众所周知，电子在周期势场中传播时，由于电子 波会受到周期势场的布拉格散射，形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电 子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。能带及其带隙结构控制着电子或空 穴的运动。半导体技术利用这一原理，神奇地演绎出从生产技术到日常生活的革 命性。其实任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙， 能量落在带隙中的波是不能传播的。电磁波或光波也不例外。光子晶体类似于上 述( 电子) 晶体，只不过所控制和利用的不是电子而是光子，或者说不是电子的 德布罗意波，而是频率更高的光波。 光子晶体的概念最早由e y a b n o l o v i t c h l 3 0 1 和s j o h n l 3 1 1 分别提出。1 9 8 7 年他 们在研究如何抑制自发辐射和光子局域化特性时指出，若将不同介电常数的材料 构成周期结构，比如在较高折射率材料中的某些位置周期性地引入低折射率材 料，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，会受到介质周期势场的调制而形成能 带结构，这种能带结构叫做光子能带( p h o t o n i cb a n d ) 。光子能带之间可能出现带 隙，即光子带隙( p h o t o n i cb a n d g a p , 简称p b g ) 。能够产生光子带隙的周期性电 介质则称为光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) ，或叫做光子带隙材料( p h o t o n i c b a n d g a pm a t e r i a l s ) ，也有人把它叫做电磁晶体( e l e c t r o m a g n e t i cc r y s t a l s ) 。能量 与光子带隙相同的光子被禁止在这种带隙材料中传播。 由于光子晶体是根据传统晶体的概念类比而来，因此，固体物理中的许多概 3 念如倒格子、布里渊区、色散关系、b l o c h 函数、v a nh o v e 奇点、能带、能隙、 能态密度和缺陷念等都可用在光子晶体上。但需要指出的是光子晶体与常规的电 子( 晶体) 如硅、砷化镓等也有本质的不同，后者是在分子或原予尺度内改变物 质的化学结构，从而完成对光的发射、吸收、传播和调制；而光子晶体则是在光 波长尺度上对物质进行物理结构的改造，使浚物质能够控制光子的行为。另外， 光子服从的是m a x w e l l 方程，电子服从的是薛定谔方程；光子波是矢量波，电子 波是标量波；光子是自旋为1 卉的玻色子，电子是自旋为1 2 壳的费米子；电子之 间有很强的相互作用，而光子之问则没有。光予晶体主要是在带隙结构中引入缺 陷，造成破坏周期结构的局部区域，使光子带隙形成缺陷能级。只有一定频率( 能 量) 的光才能在这个缺陷区域存在和传播。在这个区域以外的介质中，该能量的 光予是被禁止的。根据能隙空问分布的特点，可以将光子晶体分为一维( 1 d ) 光 子晶体、二维( 2 d ) 光子晶体和三维( 3 d ) 光子晶体，如图1 2 所示。 图1 2 光子品体空间结构不意图 一维光子晶体是最简单的光子晶体，即材料折射率在一维方向上周期性变 化。在结构上，一维光子晶体类似于多层介质薄膜，广泛应用于制成各种线性或 非线性光学器件，包括非线性光学限幅器、光予带边缘激光器、高增益光学参量 放大器等。 二维光子晶体是指介质在二维空间各方向上具有周期性结构而在第三维均 匀的一种新材料。如图1 2 ( b ) 中所示周期排列的介质棒。沿着棒的方向材料不发 生变化，而在垂直棒的平面内，材料呈周期性变化。二维光子晶体由于制造相对 容易，且具有许多类似于三维光子晶体的性质而备受关注。目前，二维光予晶体 4 的带隙已经达到红外和可见光波段。对于二维光子晶体，当电磁波垂直于晶体柱 体轴向传输时，电磁场可分解为e 和h 两种本征偏振模式的线性叠加，它们的 电场矢量分别平行和垂直于柱体的轴向。只有两种模式的光子能带都具有带隙且 彼此重叠时，二维光子晶体才具有完全带隙。 三维光子晶体是在三维空间上都存在着光子频率带隙的光子材料，在完全带 隙任何传播方向上的光都被反射。未来光电子领域内最具有应用潜力的是可见光 和红外波段的三维完全带隙光子晶体，但是今天的微细加工技术制作这种精细结 构仍然存在困难。 光子晶体具有许多独特特性，在光波导【3 2 1 、激光器1 3 3 , 3 4 1 、高效率发光二极管 1 3 5 1 、微波天线i 矧、波分复