光子晶体光纤及其研究现状

1、光子晶体光纤及其研究现状龙梅刘子丽(西南民族大学电气信息工程学院,四川成都610041)摘要光子晶体光纤(PCF)具有独特的光学特性和灵活的设计,在光通信等领域具有广阔的应用前景。本文介绍了PCF的概念、导光原理、分类以及数值计算方法,总结了光子晶体光纤的研究成果。关键词光子晶体;光子晶体光纤;导光原理作者简介:龙梅(1982),女,1引言1人于,其结构是由石英棒或石英毛细管排列拉制后在中心形成缺Knight等人又研制出包层具有蜂窝型空气孔排列结构的光子带隙光纤。PCF有两种类型:一种是具有石英空气基质包层的实芯石英光纤,它由纯石英纤芯和具有石英空气基质的包层材料组成;另一种是具有石英空气光子

2、晶体包层的空芯石英光纤。PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性,有效1地扩展和增加了光纤的应用领域。PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性,有效地克服常规光纤的设计缺陷,以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体,并把双包层概念引入到光子晶体光纤中,可以研制光子晶体光纤激光器。本文介绍了PCF的数值计算方法,总结了光子晶体光纤的研究现状。2光子晶体光纤的导光原理根据纤芯引入缺陷态的不同,PCF导光机理可以分为两类:全内反射型和光子带隙型。2.1全内反射型PCF导光原理周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)大于周期性包层折射率(空气),从而使光能够在纤芯中传播,这种结构的PCF

3、导光机理依然是全内反射,但与常规G.652光纤有所不同,由于包层包含空气,所以这种机理称为改进的全内反射,如图1所示。这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。(a)一种改进的全内反射PCF(b)导光图图1一种改进的全内反射PCF及其导光图基金项目:西南民族大学校级项目(项目编号:26703501)9第27卷攀枝花学院学报第3期2.2光子带隙型PCF导光机理理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件,即光子带隙导光理论。在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低,但仍能保证光不折射出去,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小

4、孔间距和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播,光被限制在中心空芯之内传输。如图2所示,这种PCF可传输99%以上的光能,而空间光衰减极低,光纤衰减只有标准光纤的1/21/4。(a)一种PBG光纤截面图()图2一种P3光子晶体光纤的分类3.1。因为只有很少一部分光,材料的非线性效应明显降低,损耗也大为减少。空心光子晶体光纤有可能成为下一代超低损耗传输光纤,空心光子晶体光纤将广泛应用于光传输,脉冲整形和压缩,传感光学和非线性光学中。3.2高非线性光子晶体光纤高非线性光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。通过选择相应的纤芯直径,零色散波长可以选

5、定在可见光和近红外波长范围(670nm880nm),可用于频率度量学、光谱学或光学相干摄影学中产生超连续光。3.3宽带单模光子晶体光纤常规单模光纤实际上是波长比二次模截止波长小的多模光纤,而宽带单模光子晶体光纤是真正意义上的单模光纤,这种特性是由于其包层由周期性排列的多孔结构构成,主要用于短波长光传输,传感器和干涉仪。3.4保偏光子晶体光纤传统保偏光纤双折射现象由纤芯附近合成材料热扩张差异差形成。保偏光子晶体光纤是由非周期结构纤芯中空气和玻璃的大折射率差而形成双折射现象,从而得到更小的拍长,减小偏振态和保偏消光比之间的耦合曲率,主要用于光传感器、光纤陀螺和干涉仪。3.5超连续光谱发生器的光子晶

6、体光纤超连续光子晶体光纤是特别设计用来把一种新的Q变换Nb微芯片激光器变成一种结构紧密,低成本,谱宽覆盖550nm1600nm范围,平坦度好于5dB的超亮光超连续光源。由于有较好的色散系数,20m长的这种光纤就可以实现与脉宽为1ns,重复率为6k,平均功率为几十毫瓦的脉冲激光器具有几乎3+相同的变换效率。超连续光源主要应用于光子学设备的测试、低相干白光干涉计、光相干摄像和光谱学中。3.6大数值孔径多模光子晶体光纤大数值孔径多模光子晶体光纤中的光是在由同心环的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。由于实心纤芯和包层的大折射率差,使得该光纤数值孔径比全硅多模光纤大得多。大数值孔径增加了从白炽灯或弧光

7、灯热光源和从低亮度半导体激光器获取光的能力。这种光纤在633nm处数值孔径可达0.6,10第27卷龙梅刘子丽:光子晶体光纤及其研究现状第3期主要应用于白炽灯或弧光灯光的传输、低亮度泵浦激光的传输以及光传感器中。4PCF的数值计算方法4.1平面波展开法(PlaneWaveExpansionMethod,PWE)平面波法2是光子晶体理论中物理概念最清晰的一种方法,可以用于处理一维、二维、三维复杂的周期性结构问题。它可以计算光子晶体的能带结构包括光子带隙的位置和宽度等。该方法是从Maxwell方程得到电磁场的全矢量方程后,将模场分解为平面波分量的叠加,同时将折射率展开为傅立叶级数,然后再将以上分解代

8、回电磁场的全矢量方程求解。但是平面波法的计算精度较低,且因为分解后产生了很多项而使效率较低。4.2等效折射率方法(EffectivendexMethod,EIM)有效折射率法3是一种解析方法,它是将光子晶体光纤等效为一阶跃型折射率光纤进行模拟研究。征方程时带来较大的误差,。光子晶体光纤的模式特征主要由其基模决定,效折射率的矢量特征方程,最后求得光子晶体光纤的波导色散和总色散。,还可以满足较高的精度要求,但它在分析光波模式4.3(FiniteDifferenceTimeDomainMethodFDTD)时域有限差分法4是YeeKS在1966年提出的求解电磁场问题的一种数值方法。它直接将随时间变化

9、的Maxwell方程组转化为有限差分方程,得到场分量的有限差分式。通过研究Yee氏空间网格及电磁场的初值和边界条件,可以直接得到方程的数值解。此方法易于编程实现,但数值计算量大。它可用来研究光子晶体光纤中的各种问题,包括色散,模式和非线性等。4.4有限元法(FiniteElementMethod,FEM)对于包层空气孔分布不规则的非均匀光子晶体光纤,可以用有限元法进行计算。有限元法5是20世纪50年代中期至60年代末出现的一种现代计算方法。目前随着计算机技术的迅猛发展,出现了很多大型的专业有限元分析软件。有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。4.5超原胞方

10、法(SupercellLatticeMethod,SLM)6超原胞方法又称正交函数展开法,由Monro等人提出,将PCF的横向介电常数表示为两种周期性结构叠加,这两种周期性结构分别用余弦(或正弦)函数展开。同时考虑到光子晶体中的光场模式是一种局域态,将光场用局域性很强的Hermite一Gaussian函数展开。利用正交函数的性质,将全矢量波动方程转化成矩阵本征值方程,从而求得模场分布、偏振特性、色散特性等。对模场求解既可以用矢量法,也可以用标量法,使用标量法时,要求PCF的d/A足够小才能精确求解,效率高,过程简单。除了上述方法以外,还有多重散射方法(Multiple一scatteringth

11、eory,MST)、光束传播法(Beampropa27gationMethod,BPM)等等。5光子晶体光纤的研究成果2001年,英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。双包层光子晶体光纤掺3+m,数值孔径0.11,内包层直径150m,数值孔径0.8,利用20W光纤杂离子为Yb离子,纤芯直径15.211第27卷攀枝花学院学报第3期耦合二极管阵列泵浦该光纤,光纤长度为17m,获得了3.9W功率输出,斜效率21%。实验中发现,双包层光子晶体光纤存在随机散射中心,说明纤芯中存在着缺陷,有待进一步完善光子晶体光纤的结构。3+2002年,日本Norihiko等人以锁模掺Er光

12、纤激光器为泵浦源,结合周期极LiNbO3,泵浦长60cm的m的孤子脉冲,脉宽为55fs,所用PCF芯径为1.7m,高非线性PCF,得到波长调谐范围为0.78-0.90m处。零色散波长大约在0.692003年1月,Wadsworth等人报导了利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器,为双程后向线性腔结构,最大输出功率3.9W,斜率效率30%,实现单横模运转。所采用的PCF纤芯直径为m,内包层数值孔径大于0.8。为了使包层中的泵浦光最大限度的耦合到纤芯中,提高纤芯对泵浦光15的吸收,PCF的掺杂纤芯采用了偏芯设计。3+2004年,Blaze曾发布了一款新型PCF,该光纤是针对Nd3微芯片

13、激光器特别优化设计的,可产生超连续光谱,这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出,光谱亮度超过太阳10000倍laze表示利用微芯片激光器和PCF可获得高性能光源,将会取代超高亮度LED,员理论上计算了PCF的色散值,所选择PCF结构参数为:0距之比是0.835。研究结果表明:PCF、WDM系统中具有极大的应用价值。2005年,英国Bath大学A.B的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱,日本电报电话公司T.、脉宽2.2ps、重复频率40GHz的光脉冲注入到200m区域产生了超过40nm的均匀超连续谱,而美国Ro2chester大学Z.8M.ZhuFiberA公司低双折射、高非线性PCF获得6001

14、000nm的超连续谱。92006年,A.Argyros等人拉制出了聚合物材料的空气传导光子带隙光纤。10同年,该大学的M.vanEijkelenborg等人又用聚合物材料拉制出了矩形纤芯的光子晶体光纤。由于不同于传统石英材料光子晶体光纤堆拉法的拉制工艺,这些由聚合物材料拉制出的光纤具有更大的灵活性。2007年,张明明、马秀荣等人设计了一种高双折射光子晶体光纤11,即增大两个与纤芯相邻的空气孔直径,使光纤只具有二重对称性,呈现出较高的双折射.通过压缩X轴方向孔间距,进一步增大双折射度。采用全矢量有限单元法,研究了该光子晶体光纤基模对应的相双折射和群双折射,给出了该高双折光纤结构的相双折射在155

15、0nm处可以达到5.010,在更长的波长处,这一值会更高。122008年,黄艳月针对THz频域对设计层状一维光子晶体光纤材料的原则,在高折射率材料中选取As2Se3(n=2.8)、GeS(n=2.5),低折射材料选取Teflon(n=1.31)和TPX(n=1.63)和PES(n=1.55).采用传输矩阵法结合MATLAB编程分析六种材料匹配组合时光在其中传输的带隙结构,最终在0.1-1Thz波段设计出高折射率层材料取折射率为2.8的As2Se3;低折射率层取折射率为1.31的Telfon,为最佳层状一维光子晶体光纤结构。15孔的塌陷控制倏逝场。P.Falk等研究了在TPCF中超连续谱的产生,

16、指出了锥体结构参数和泵浦功率16对超连续谱的影响。-3参考文献J.Opt.Lett.,1996,21(19):1547-154912第27卷龙梅刘子丽:光子晶体光纤及其研究现状第3期5Y.Li,C.wang,M.Hu,Afullyvectorialeffectiveindexmethodforphotoniccrystalfibers:pplicationtodispersioncalcula2tion,Opt.Comm,2004,238:29-33.6王长青,祝西里,等1电磁场计算中的时域有限差分法M.北京大学出版社,1994:14-17.8Z.Wang,G.Ren,S.Lou,Anovel

17、supercelloverlappingmethodfordifferentphotoniccrystalfibersJ.IEEEJ.ofLight2waveTechnology,22(3):903-916.9ArgyrosA,vanEijkelenborgMA,LargeMCJ,etal.Hollow-coremicrostructuredpolymeropticalfiberJ.OpticsLetters,2006,31:172-17410vanEijkelenborgM,IssaN,HiscocksM,etal.Rectangular-coremforintercon2nectappli

18、cationsJ.ElectronicsLetters,2006,42:201-20213张明明,马修荣,等1,2008,37(6):1136-112914黄艳月1THzJ.赣南师范学院学报,2008,(3):61-6515R.etal.,FullvetorbeampropagationmethodmodelingofdualcorephotoniccrystalfibercouplersJ.PrIE,61822K1-8.16LimpertHigh-powerair-cladlarge-moge-areaphotoniccrystalfiberlaserJ.OpticsExpress.2003,11(7):818-823.PhotoniccrystalfiberandresearchLongmeiLiuZi-liAbstract:Photoniccrystalfiber(PCF)hasauniqueopticalpropertiesa