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目前主要光子晶体光纤的种类,特性及应用

目前主要光子晶体光纤的种类,特性及应用


一、 从传统光纤到光子晶体光纤


光纤是20世纪的重大科技成就之一。该超级百万捕鱼以令人难以置信的速度发展,从1970年的第一根低损耗单模光纤至今,光纤已成为全球所广泛使用的通信网络的重要组成部分。光纤也在通信之外的其他领域得到了应用,如医学领域的光束分配与传送、机械加工与诊断、传感及其他领域。现代光纤超级百万捕鱼已实现了对光纤中光信号的损失、光学非线性效应、群速度色散和偏振效应等各方面的优化与权衡。经过30多年的广泛研究,光纤系统的性能和制造工艺得到了不断完善,近乎达到了最高极致。

 

20世纪80年代以来,为了发展新的光学介质(光子晶体光纤),研究人员已经被光波长尺度,即亚微米量级或更小尺度的结构材料表现出的能力所吸引。光子晶体通过将规则的微结构引入光学材料,彻底改变了材料的光学特性。它可看作是半导体物理学成果在光子领域中的拓展。实际上,半导体的能带结构是电子和晶格引起的周期性电动势之间相互作用的结果。通过求解周期性电动势的薛定谔方程,就能得到被禁带所分离的电子能量状态。类似地,如果把这种周期性变化的电动势用周期性变化的介电常数,即折射率来替换,同时,把薛定谔替换成经典的电磁波波动方程,就能获得光子晶体中的光子带隙。

 

早在1987年,多伦多大学的Sajeev John和贝尔通信实验室的Eli Yablono-vitch就预言了光子带隙,光子带隙成为20世纪90年代初期光子学领域的研究热点。他们的研究设想是通过建立合适的波导结构,从而有选择性地阻止部分具有特定能级(相对光子带隙而言是指波长)的光子传输,而让其他波长的光子自由通过。此外,波导周期性折射率的微小变化会在光子带隙中引入新的能级,犹如在传统半导体的带隙中产生新的能级。然而,此时建立这种合适的波导结构已被证明是相当困难的,直到1991年,Yablono-vitch等通过在一块折射率为3.6的材料中钻出多个直径为1mm的小孔,实现了世界上第一个光子带隙材料。此后Philip RusselYablono-vitch的研究基础上通过在光纤包层中制作二维的光子晶体,并成功地将光限制在空心光子晶体光纤的纤芯中,这种二维的光子晶体实际上就是玻璃中光波长尺度的周期微空气孔晶格,因为这种新型光纤是依赖光子晶体的不寻常特性来导光的,所以称为光子晶体光纤。

 

在光子晶体光纤中,只要选用的纤芯材料折射率高于包层的有效折射率,采用二维光子晶体作为光纤的包层是有可能的。具有该结构的光子晶体光纤的一个例子是硅固体纤芯被具有三角形晶格空气孔的光子晶体包层包围,如图1.1所示。这些光纤的导光是通过全内反射(TIR),称为改进TIR进行的,因而称为折射率导引型光子晶体光纤。导引机理被定义为“改进”,是由于包层的折射率不像传统的光纤是一常数,而是会随波长变化。

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1.1 实心三角形光子晶体光纤显微图像


二、折射率导引型光子晶体光纤特性及应用

1、无截止单模

第一根实心光子晶体光纤与图1.1非常相似,由一个三角形晶格的空气孔构成,其中空气孔的直径d300nm,孔间距=2.3μm。这种光纤在实验中似乎从未显示出多模特性,即使对于短波长也是如此。Ressell已经解释了可以通过将光纤中这些空气孔晶格比作模式滤波器或“筛子”用来理解光子晶体光纤所具有的这种独特的无截止单模特性。对于三角形光子晶体光纤的深入研究表明:当d/Λ<0.4时,三角形光子晶体光纤就成为无截止单模光纤,即光纤对于任意波长均呈现单模特性。在该条件下,纤芯尺寸或空气孔的间距决定了光纤的零色散波长、模场直径(MFD)和数值孔径(NA)。

 

2、大模场面积大数值孔径

大模场面积光纤是解决光纤激光器功率提升面临的非线性效应及光纤损伤的一种最直接有效的途径。然而,为保证输出激光的光束质量,在要求大模场面积(LMA)的同时,必须使光纤能够单模运转。而传统的单模光纤的纤芯直径很小,难以实现大模场面积;增大纤芯直径则不可避免地会造成多横模竞争,影响输出光束质量。光子晶体光纤无截止单模的特性使得光子晶体光纤被制作成大模场光纤成为可能,在保证单模传输的前提下,适当改变纤芯尺寸或空气孔的间距即可得到更大的模场直径(MFD)和数值孔径(NA)。因此,光子晶体光纤可实现单模大模场面积,在保证激光传输质量的同时,显著降低光纤中的激光功率密度,减小光纤中的非线性效应,提高光纤材料的损伤阈值;其次,光子晶体光纤可以实现较大的内包层数值孔径,从而提高抽运光的耦合效率,可采用长度相对较短的光纤实现高功率输出。

 

如图1.2所示为空气包层光子晶体光纤,由于光纤中具有较大的硅脊宽度和空气包层,这些特点导致光纤的纤芯和包层之间的折射率差极大地提高,这也就决定了光纤具有很大的数值孔径。

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1.2 空气包层光子晶体光纤横截面显微图

 

3、色散控制

在光子晶体光纤中,光纤色散可以被控制和以空前的自由度进行调节。如果不断增大光子晶体光纤的空气孔,其纤芯就会变得越来越孤立,如果将整个光纤的结构做的非常小,其零色散波长就会被转移到可见光波段;相反的,在空气孔较小的光子晶体光纤中,光纤具有较低的空气填充比,此光纤可在一些特定的波长范围内具有非常平坦的光纤色散曲线。

 

4、超高非线性特性

实心光子晶体光纤的重要特点是通过增大光纤的空气孔,或者减小纤芯的尺寸,光纤中可以实现比传统光纤大的多的有效折射率差,此时,光波会被约束在光纤的硅纤芯中,这样可以起到对导波模式很强的限制作用。如此可在光纤的纤芯中聚集很高的光场强,这样就增强了光纤的非线性效应。而且,光子晶体光纤可用来制作具有所需色散特性的非线性光纤器件。目前这是光子晶体光纤最重要的应用领域。

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  1.4 适用于产生超连续谱的光子晶体光纤横截面显微图


一个重要的例子是产生超连续谱,即通过高功率的光脉冲在非线性介质中传输来产生宽带超连续谱。超连续谱并非指某种特别的现象,实际上是指各种非线性效应,它们共同导致了非常大的光频谱展宽。超连续谱产生的决定因素是非线性介质的色散,通过适当的色散特性设计能够明显的降低超连续谱的功率要求。

 

5、高双折射

光子晶体光纤与传统的保偏光纤(蝴蝶结形、椭圆形、熊猫形)不同,这些传统保偏光纤中至少使用了两种不同的玻璃材料,而每种材料的热膨胀系数不同,因此存在温度敏感的问题;而光子晶体光纤所能获得的双折射特性对温度极不敏感,这是许多领域都需的一个重要特征。

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     1.5 保偏光子晶体光纤横截面显微图


三、 光子带隙导引型光子晶体光纤(空心光子晶体光纤)

当光子晶体光纤的纤芯区域具有比外围的光子晶体包层小的折射率,光的导引传输机理不同于全内反射,而是基于存在的光子带隙(PBG)。事实上,构成光子晶体光纤包层的空气孔微结构是二维光子晶体,它是一种具有光子带隙特征的周期性电介质材料,特定波长范围的光是不能传输的。光可以在光子晶体光纤空心的空气中被导引传输,因而可提供很多有前途的应用,如低损耗波导、高功率传输、对光纤弯曲引入的损耗不敏感。空气导引的光子晶体光纤几乎对弯曲不敏感,具有极端的色散特性、高度依赖波导元件。最后,如将合适的气体、液体填充在空心中,光子晶体光纤可用于传感应用和非线性光学。

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1.6光子带隙导引型光子晶体光纤(空心光子晶体光纤)

 

上海亚美游光电设备有限公司目前供应上述所有类型的光纤,并且可以根据客户要求进行各种光子晶体光纤定制。同时亚美游光电还推出一系列用于高功率超快激光器传输的空心光子晶体光纤,主要用于:

(一)脉冲压缩

(二)频率转换

(三)光谱和传感

(四)超短激光脉冲传输

(五)光和气体作用相关实验


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