光子晶体光纤的研究

光子晶体光纤的研究

1光子晶体光纤1991年，sh等人提出在二维光源晶体（pc）中引入线性缺陷，这是因为由于光带（pbg）的作用，某些频率的光可以限于线型错误，以达到传播光的目的。于是,他们开始对光子晶体光纤(PCFs)进行研究。由于受到制备工艺的限制,直到1996年才拉制出首根光子晶体光纤,其导光机制与传统光纤的全内反射导光机制类似。进一步研究发现,这根光纤具有无截止单模传输的特性,而且这种特性并不依赖于包层孔的周期排布。对于包层孔无序排布的光纤,在特定条件下,也可实现无截止的单模传输。于是,在使用光子晶体光纤这个名称的同时,研究人员也开始使用多孔光纤(holeyfibers,HFs)和微结构光纤(microstructuredfibers,MFs)等名称。1998年,出现了第一根依靠光子带隙原理而非传统的全反射原理导光的光子晶体光纤,人们把这种光纤叫作光子带隙光纤(PBFs)。1999年第一根可以在空气芯中传导光的带隙光纤的拉制成功将光子晶体和光子带隙的概念引入光纤光学,使得光纤光学的内容发生了质的变化。从第一根光子晶体光纤拉制成功至今已经有十多年,光子晶体光纤也从最初讨论其模式特性的理论分析阶段,开始转向理论研究和在非线性光学、光纤激光器、光纤通信、光器件等方面应用并重的阶段,开始向更广阔的领域发展。2有效分辨率nc系统按照不同的导光机制,光子晶体光纤可以分为:折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙光纤。折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤的全内反射机制类似。通过在包层中引入空气孔,降低包层的有效折射率nclad,使得纤芯折射率ncore大于包层折射率nclad,其模式折射率nmode满足ncore>nmode>nclad。光子带隙光纤的纤芯折射率ncore小于包层等效折射率nclad,不再满足全内反射的条件,但是由于光纤的包层为二维光子晶体,频率处于光子带隙内的光不能在包层中传播,所以这些频率的光耦合进纤芯后,将被限制在纤芯中,无法泄露出去,从而达到传导光的目的。带隙型光纤的模式折射率满足如下条件:当ncore>bH/k时,当ncore<bH/k时,其中,bH为光子带隙上边界对应的传播常数,bL为光子带隙下边界对应的传播常数。2.1分光光学法技术在光子晶体光纤中的应用1996年,南安普敦大学的J.C.Knight等报道了第一根光子晶体光纤见图1(a),1997年,T.A.Birks等发现这根光纤具有无截止单模传输特性。随着对折射率引导型光子晶体光纤的深入研究,人们对于其模式的截止[6~9]、对称特征、损耗[12~15]和弯曲损耗[16~19]等有了更清楚的认识,大模面积特性[20~28],可调节的色散特性[29~45],高非线性[46~58]和高双折射[58~69]等特性相继被人们发现,同时,随着制备工艺的完善,光纤的损耗也不断地降低。2001年,K.Suzuki等报导了在1550nm处,损耗为1.3dB/km,模式双折射高达1.4×10-3的高偏振光子晶体光纤。2003年,B.Zsigri等利用长度为5.6km,在1550nm处衰减为1.7dB/km的光子晶体光纤做了10Gbit/s数据传输实验。2004年,KatsusukeTajima等制备的光子晶体光纤,在1310nm和1550nm处,损耗分别为0.37dB/km和0.71dB/km。2005年,丹麦技术大学的M.D.Nielsen等报道了在1550nm处模场面积高达1550mm2、损耗仅为0.48dB/km的光子晶体光纤。折射率引导型光子晶体光纤的优异特性,使其在科研和生产许多方面都表现出重要的应用价值。在1999~2001年期间,科研工作者就折射率引导型光子晶体光纤在非线性光学[73~86]、生物医学[87~90]、光纤通信、光器件[93~97]、激光器和放大器[23,24,27,28,98,99,100,101],光纤传感[98~102]等方面的应用作了探索。2002年至今,如何提升基于光子晶体光纤的各种应用和器件的性能,将其实用化、商用化,成为人们研究的重点。2.2金属空气填充率空芯光纤第一根依靠光子带隙原理导光的光纤出现于1998年,其端面如图2(a)。通过实验,PaulineRigby等发现光能量主要是集中于芯区附近的石英中,并非在中心的空气孔中。1999年,R.F.Cregan等拉制出了第一根在空气中传光的带隙型光纤[图2(b)]。由于拉制工艺的限制,光纤结构并不完美,因此光纤的衰减很大。为了设计性能优异的带隙光纤,很多科研人员对三角形结构、蜂窝状包层结构甚至是矩形结构包层进行了研究。通过对三角形结构包层研究发现,在其中引入合适尺寸的间隙孔,可以增大带隙宽度,尤其是使低阶带隙的宽度显著增大,更加有利于实现光在空气芯中传播。YanfengLi等通过计算表明,在蜂窝状包层中引入间隙孔,也可以有效地增加带隙宽度。但现有的工艺水平,在实际制备光纤的过程中,很难精确控制间隙孔的尺寸,所以,大空气填充率的三角形结构空芯光纤成为了制备的重点,并且取得了重大突破。2003年,T.P.Hansen等报道了传输距离可达345m的光子带隙光纤。CharleneM.Smith等制备的带隙光纤,其传输窗口大于400nm,在1500nm处的损耗达到了13dB/km[图2(d)]。通过研究,他们发现,在空芯带隙光纤的纤芯和石英的分界面处,存在着一类特殊的模式———表面模。表面模的存在,对损耗有很大的影响[122~124]。消除表面模式法的提出[125~127],为进一步降低光子带隙光纤的损耗提供了可靠的理论依据。2004年,巴斯大学的B.J.Mangan等展示了在1565nm处,损耗为1.72dB/km的带隙光纤[图2(c)],其光能量的98.3%被限制在空芯中,1.0%在包层孔中,仅有0.7%能量在石英中。2005年,巴斯大学的P.J.Roberts等将带隙光纤的最低损耗降低到了1.2dB/km。燕山大学红外光纤与传感研究所在国内率先进行了光子晶体光纤的研制,已制备出多种结构规则,性能优良的折射率引导型和空芯光子带隙型光子晶体光纤,见图1(b~f)和图2。并在天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室进行了飞秒激光脉冲产生超连续谱的实验和光子带隙的测量,得到了良好的结果,证明了制备的光纤具有优异的性能。光子晶体光纤发展的历史可见表1。3充填法16,16,16制备光子晶体光纤的方法主要有[49,143,144,145,146,147]:堆积法、挤压法、酸腐蚀法、填充法、溶模法、叠片法、发泡法等。下面就常用的堆积法和挤压法进行简单的介绍。3.1空芯光纤的制备堆积法是现阶段制备光子晶体光纤,尤其是以石英为基质制备光子晶体光纤最主要的方法,其制备过程如下:1)将中间带有空气孔的石英棒拉制成所需尺寸的毛细管,把毛细管按合适长度截断后,紧密地堆积在套管(即中心有空芯的石英棒)中。2)在呈三角结构排列的毛细管中引入缺陷,作为光子晶体光纤的纤芯。如果要制备实芯光纤,就用一根或几根与毛细管同样径向尺寸的石英棒替换套管中部的毛细管,如制备空芯光纤,则抽出套管中部的某些毛细管即可。3)将预制棒放到拉丝机上拉丝。堆积法的优点:预制棒的制作过程简单,传统光纤的拉制设备就可满足光子晶体光纤的制备(图3),基本不需要其他特殊设备。缺点:预制棒的制作所需时间长,无法满足大规模、标准化的生产;无法制备特殊结构的光子晶体光纤,比如包层孔为矩形分布的光子晶体光纤。3.2制作光纤基质材料挤压法名称的由来与堆积法相似,也是根据预制棒的制作方法命名的。首先,按照所需光纤结构制作相应的模具,然后将要制作光纤的基质材料加热到熔融状态,灌入模具中,待冷却定型后,使模具与预制棒分离,最后将预制棒放到拉丝机中进行拉丝。挤压法的优点:模具制成后,可反复利用,提高了预制棒的制作效率,适合于大规模的生产。缺点:只适合于软化温度较低的材料,如复合玻璃SF6,SF57等;结构不同的光纤需要不同的模具。4有效光束结构4.1无材料传输的单模多模传输在阶跃光纤中,为了保证单模传输,必须满足其中,V为归一化频率,r为纤芯半径,l为波长,NA=(n2core-n2clad)0.5为光纤的数值孔径。利用归一化频率V研究折射率引导型光子晶体光纤时,式(3)需要做一定的改变。T.A.Birks等用孔间距L代替传统光纤V参数中的r,用包层空气填充基模折射率作为包层的有效折射率,这样光子晶体光纤的归一化频率V定义为其中,nclad为空气填充基模的折射率。在传统阶跃光纤中,数值孔径NA几乎不随波长变化而变化。由公式(3)可知,当波长减小至某一值时,阶跃光纤将不再满足V<2.4048的单模传输条件。而在折射率引导型光子晶体光纤中,由图4可以看到,在光子晶体光纤中,波长趋近于零时,V值趋近于某一个常数,且V随着空气孔相对孔径d/L的减小而减小。这就为光纤无截止单模传输提供了可能。因为使用了空气孔间距L和空气填充基模的折射率来代替传统光纤的芯径和包层折射率,2.4048已经不能再作为判别光子晶体光纤是否单模传输的界限。NielsAsgerMortensen等研究得出,对纤芯是由单根石英棒替换毛细管形成的且包层为三角形结构的光子晶体光纤而言,单模传输的条件应该改为其单模与多模的边界为其中,a=2.80±0.12,g=0.89±0.02。由式(6)可以得到,当d/L<0.4时,光子晶体光纤可以看作是无截止单模传输的。T.A.Birks等经过测试,发现第一根光子晶体光纤,其在337~1550nm范围内可以单模传输。CrystalFibreA/S公司生产的编号为LMA-5的光子晶体光纤,L=2.9mm,d/L=0.44,其单模截止波长为430nm,并且具有较低的损耗。4.2光子晶体光纤色散是衡量光纤性能的一个重要参数,光纤的色散D可以看作有两部分组成,即其中,Dw为波导色散,Dm为材料色散。下面以三角形包层结构为例说明光子晶体光纤的色散可调特性。描述三角形光子晶体光纤包层结构的参数为:孔间距L和孔直径d。图5(a)表示的是当孔直径d不变,而孔间距改变时光子晶体光纤的色散随波长的变化关系。图5(b)表示的是当孔间距L不变,孔直径改变时色散随波长变化的关系。由图5(a)中可以看出,随着孔间距的减小,色散曲线的振荡加剧,并且出现了多个零色散点,当孔间距变得比较大时,色散曲线随着波长的增大单调递增。由图5(b)可以看出,色散曲线的振荡幅度随着孔径的增大而增大,并且零色散点向短波处移动,甚至可以移至可见光区,这在传统光纤中是很难实现的。2000年,J.C.Knight等展示了零色散点在700nm的大空气孔光子晶体光纤。A.Ferrando等通过优化空气孔孔径和孔间距的大小,设计出两种近零色散平坦光子晶体光纤:L=3.02mm,d=0.73mm时,在543nm带宽范围内,色散在±1ps/(nm·km)波动;L=2.64mm,d=0.63mm时,在428nm带宽范围内,色散在±0.5ps/(nm·km)波动;2002年,巴斯大学的W.H.Reeves等按照上述参量,对两种光纤进行了制备。虽然最后的参量和设计值有一定的偏离,但仍保持了色散平坦的特性。两种光纤的色散值分别为:从1.24mm到1.44mm色散波动为0±0.6ps/(nm·km);从1mm到1.6mm色散波动为0±1.2ps/(nm·km)。但是由于空气孔较小,即使包层具有11层空气孔的情况下,此种光纤损耗仍然在分贝每米的量级。通过逐层改变空气孔的大小,科研工作者也设计出了近零超平坦色散光子晶体光纤。G.Renversez等设计的包层为7层孔的光子晶体光纤,在1.5-1.6mm波段,色散波动仅为3.0×10-3ps/(nm·km),损耗小于0.2dB/km。K.Saitoh等设计了包层具有5层空气孔,且孔径依次增大的光子晶体光纤,在1.23-1.72mm波段,色散在0±0.4ps/(nm·km)区间波动,且波长低于1.72mm时,损耗低于0.1dB/km。为了避免空气孔逐层变化对于制备工艺要求较高的限制,Tzong-LinWu等通过合理选择包层第一、二层孔径d1和第三、四层孔径d2的值,设计出了1.295-1.725mm波段,色散波动小于±0.25ps/nm·km)的色散平坦光纤。JingyuanWang等将包层第一层的圆孔替换成椭圆孔,也得到了宽带平坦色散光子晶体光纤。通过缩小包层第四层空气孔的孔径,F.Gér$me等设计出了在1550nm处,具有-2200ps/(nm·km)的双层芯色散补偿光纤。YiNi等设计的双芯大负色散光纤,在1551nm处,色散绝对值达到了18000ps/(nm·km)。2007年,A.Huttunen等设计出了绝对值高达59000ps/(nm·km)的双层芯大负色散光子晶体光纤。ShailendraK.Varshney等设计出了多种色散补偿光子晶体光纤拉曼放大器。其中一种设计,在1550nm处色散值为-530ps/(nm·km),用三路优化后的抽运源抽运长度为2.7km的上述光纤,信号的拉曼增益达到了8.4dB,波动仅为±0.2dB,另外一种设计,则实现了对s波段的色散补偿和信号放大。4.3光子晶体光纤模场面积的扩大模面积光子晶体光纤和传统的大模面积光纤相比,具有以下优势:1)通过调节包层中空气孔的大小,可以很精确地控制光子晶体光纤包层和纤芯的折射率差Δn,使其达到极小的值,从而有效增大模场面积。2)较小的包层空气填充率还可保证大模面积光子晶体光纤在很宽的带宽实现单模传输,使输出光具有良好的光束质量。但包层的空气填充率太小,会造成较大的限制损耗和弯曲损耗。所以,如何设计和制备具有低损耗和弯曲损耗的单模大模面积光子晶体光纤是研究的难点和重点。1998年,J.C.Knight等首次拉制出了大模面积光子晶体光纤。2003年,N.A.Mortensen等发现,用三根石英棒替代毛细管作为纤芯,拉制出的具有近似三角形芯的光子晶体光纤,和普通结构的光子晶体光纤相比,在弯曲损耗等性能基本相同的情况下,模场面积可比普通结构增大30%左右。随后,又出现了模场面积为600mm2,1000mm2的大模面积光子晶体光纤,其高阶模损耗远大于基模,同时具有比较低的弯曲损耗。2007年,YukihiroTsuchida等设计了在1.064mm处,模场面积达1400mm2,高阶模损耗大于1dB/m,弯曲半径可达5cm,光束质量因子M2=1.15的大模面积光子晶体光纤。掺杂稀土元素的大模面积光子晶体光纤是高功率光子晶体光纤激光器的关键器件,J.Limpert等制备的掺镱光子晶体光纤模场面积高达1000mm2,而L.Li等制备的铒镱共掺磷酸盐玻璃光子晶体光纤的模场面积也达到了400mm2。为了得到更大模场面积的双包层光子晶体光纤,科研人员在光纤外面加了一层很厚的石英壁,不仅增强了光纤的机械强度,还避免了由于光纤弯曲带来的损耗过大的问题。2005年,J.Limpert等首次展示了这种被其称为棒状光纤的大模面积双包层光子晶体光纤,2006年,利用这种方法制作的大模面积双包层光子晶体光纤的模场面积达到了2000mm2(掺镱)和4500mm2(未掺杂)。4.4单模单偏振光子晶体光纤光纤中模式双折射产生的原因可以分为几何形状效应和应力感应效应。传统的熊猫光纤和蝴蝶结型光纤属于应力致双折射光纤,其模式双折射可达Dn≈5×10-4。2001年,TheisP.Hansen等指出,由于纤芯和包层折射率差Dn可以很大,同时,利用堆积法制备光纤,可以很容易地在光纤中引入不对称性,光子晶体光纤的模式双折射值可以比传统光纤大一个数量级以上。通过在包层中引入大小不一的空气孔[58~62],引入对衬度低的芯[63~65],或者改变包层空气孔形状的方法,人们设计和制备了许多性能优异的高双折射光纤。其中,A.Ortigosa-Blanch等通过在包层中引入四个小孔,制备出了在1540nm处Dn=3.7×10-3的高双折射光纤;KunimasaSaitoh等设计出了在1.48~1.6mm慢轴光能量损耗低于0.1dB/km的在单模单偏振光纤;2004年,他们报道了相位双折射Dn为4.5×10-3,群双折射高达7.5×10-3的非线性高双折射光子晶体光纤;HiirokazuKubota等通过增大芯区附近的两个空气孔,得到了可有效工作在1450nm及以上波长的单模单偏振光子晶体光纤。通过在纤芯附近施加应力的方法,也制备出了高双折射光子晶体光纤,其中,T.Schreiber等通过在光纤包层中引入20个应力单元,制备的单模单偏振大模面积光纤,其模面积高达700mm2,当以10dB衰减为界,弯区半径为0.25m时,其单模单偏振工作带宽可达800nm。4.5对限制损耗和有效模场面积的分析光纤的非线性系数定义为其中,n2是材料的非线性折射率系数,Aeff为光纤有效模场面积。在光子晶体光纤中,减小包层空气孔间距和提高包层空气填充率,可以有效地减小芯区面积,增大纤芯和包层折射率差,极大地减小有效模场面积。但是,当光子晶体光纤芯径过小时,将会有很大一部分光能量泄漏到包层中,不仅增大模场面积,也增加了光纤的损耗。VittoriaFinazzi等对光子晶体光纤的限制损耗和有效模场面积随光子晶体光纤结构参量和波长变化的关系进行了详细的讨论。由图6可以看到,在相同的包层空气填充率的情况下,当等效纤芯直径2L-d小于工作波长时,光纤限制损耗随着纤芯的减小而迅速增大。并且,由图6的插图可知,模场面积并非随着纤芯半径的减小而单调递减,而是存在着一个最小点。VittoriaFinazzi等经计算得到,三角形结构的光子晶体光纤在1550nm处,模场面积的最小值约为1.7mm2,非线性系数高达52W-1·km-1。由于在最小模面积处,光纤存在着较大的限制损耗,在实际的应用中,应综合考虑模场面积和限制损耗。在利用高非线性光纤的各种应用中,除了要求光纤有较大的非线性系数外,对光纤的色散特性还有诸多要求。具有高非线性特性和色散可调特性的光子晶体光纤,具有良好的应用前景。表2列举了几种高非线性光子晶体光纤。5空芯光子晶体光纤问题的解决由于具有无截止单模传输、灵活可调的色散特性等许多传统光纤难以达到的优良特性,光子晶体光纤在许多领域,如:光纤激光器和放大器[23,24,27,28,98,99,100,101,102,103]、非线性光学[75~85]、光纤通信、光纤传感[103~112]等都有着重要的应用和广阔的前景。在此,仅就其在非线性光学和光纤激光器方面的应用作一个简单的介绍。光子晶体光纤的高非线性和色散可调的优良特性,使其成为产生各种非线性效应[73~85],诸如孤子自频移、四波混频、孤子压缩、孤子分裂等的理想载体,因此,光子晶体光纤的出现极大地促进了非线性光学的研究。由于孤子自频移、自相位调制、高阶孤子分裂、群速度色散、三阶色散、四波混频、交叉相位调制等诸多效应对光子晶体光纤中超连续光谱的形成都有贡献,并且超连续光源在生物医学,光谱检测和高精度频率测量等方面有重要应用,利用光子晶体光纤产生超连续谱的研究在与光子晶体光纤相关的非线性光学的研究中占有重要的地位。气体的非线性效应是非线性光学研究的重要内容之一。如何找到一种载体,既可作为盛放气体的容器,又可作为限制光能量的波导,是研究气体非线性急需解决的问题。空芯光子晶体光纤的出现为这一问题提供了完美的答案。科研人员提出了很多种制作基于空心带隙光纤的气室的方法[154~156],并对基于气体的高能孤子的产生,相干反斯托克斯拉曼散射,受激拉曼散射,四波混频等非线性效应作了深入研究[81~85]。光子晶体光纤中丰富的非线性现象,可应用到生产和生活的很多方面,如光学相干层析成像[86~89]、光学参量放大器、频率转换器、脉冲整形等。下面仅就光学相干层析成像方面的进展进行简单介绍。利用中心波长分别为1.3mm,1.1mm和809nm的基于光子晶体光纤的超连续谱等实现了纵向分辨率为2.5mm,1.8mm,1.5mm的相干层析成像系统[87~89]。AaronD.Aguirre等利用CrystalFibreA/S公司生产的NL-1050-ZERO-2型光子晶体光纤(两个零色散点分别位于1022nm和1075nm),以平均功率为78mW,中心波长为1064nm的85fs脉冲为抽运,得到了双峰值超连续谱,其在800nm附近,平均功率为30mW,谱宽大于110nm,在1300nm附近,平均功率为48mW,谱宽大于150nm。基于此超连续谱的相干层析成像系统,在1300nm和800nm处,分辨率分别低于5mm和3mm。光纤激光器由于具有结构紧凑、效率高、光束质量好等优点,引起了研究人员的广泛关注。由于具有超大的模面积、宽带单模传输、大幅度可调的色散特性等优点,基于光子晶体光纤的光纤激光器有着更为广阔的应用前景。从2000年首台光子晶体光纤激光器问世到现在,短短几年间,大模面积光子晶体光纤激光器、主动锁模光子晶体光纤激光器、被动锁模光子晶体光纤激光器、高偏振光子晶体光纤激光器、双包层光子晶体光纤激光器等纷纷出现。其中,大模面积双包层光子晶体光纤激光器是研究的热点之一。图7给出了两种掺镱大模面积双包层光纤的端面图。2003年,J.Limpert等利用长度为2.3m的图6(a)所示光纤,在光纤一端加高反射的二色镜,另一端利用光纤端面4%的菲涅尔反射,构成共振腔,用976nm的激光二极管做抽运源,得到了80W的功率输出,其中,抽运耦合效率为55%,斜率效率为78%,M2=1.2±0.1。2006年,他们利用长度仅为58cm的图7(b)所示光纤制作的大模面积双包层光子晶体光纤激光器,实现了320W连续波的输出,出光效率高达550m/W,抽运光的吸收高达30dB/m。光子晶体光纤具有众多优异的性能,使得其在很多方面都有广阔的应用前景。仅使用数厘米长的高非线性光子晶体光纤,就可产生各种非线性效应,实现基于各种光学非线性现象的结构更加紧凑,体积更加小巧的全光器件,比如超连续谱光源、波长转换器等。利用数米长的掺杂稀土离子的光纤,可以制造出效率高、光束质量好的光子晶体光纤激光器,特别是利用相干合成技术和多芯光子晶体光纤,使得具有几百千瓦输出功率的超大功率激光器成为了可能;随着制备工艺的不断完善,光子晶体光纤的损耗不断降低