光子晶體光纖

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光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)

　　光子晶體光纖又稱為多孔光纖(Holey Fiber，HF)或微結構光纖(Micro—Structured Fiber，MSF)，它是在石英光纖的包層中沿軸向均勻地排列空氣孔，併在纖芯端面存在一個破壞了周期性結構的缺陷所構成，從而使入射光能被控制在光纖纖芯中傳輸。光子晶體光纖由於包層中的二維光子晶體結構，可以作為更加優異的光傳輸介質，在新一代光纖通信系統和激光技術等重要領域具有極其廣闊的應用範圍。

　　光子晶體光纖具有周期性的排列結構．它同傳統的光纖在傳輸機理上有很大的不同．根據PCF的導光原理．光子晶體光纖可分為兩種，一種是全內反射光子晶體光纖(TIR—PCF)．另一種是光子帶隙光子晶體光纖(PBGF)。

　　1.全內反射型，TIR—PCF

　　全內反射光子晶體光纖是依賴全內反射效應導光．纖芯折射率比包層的有效折射率高．光束在纖芯中按照改進的全內反射原理進行傳輸，它對包層的空氣孔排列的周期性要求不是十分嚴格全內反射型PCF中心有纖芯．外面空氣孔呈周期性緊密排列空氣包層的有效折射率由空氣和石英的比率決定，因此，可以製成不同折射率剖面的光纖。由於包層有效折射率低於纖芯折射率．光以全內反射方式在PCF中傳輸。由於纖芷：、包層間的有效折射率差是波長的函數．歸一化的傳輸頻率可以在很寬的範圍內保持不變．從而保證寬頻範圍內的單模傳輸和不同的色散特性。

　　2.光子帶隙型光纖(PBG—PCF)

　　光子帶隙光子晶體光纖是按照光子帶隙效應(PBG1導光，即光纖包層結構由周期性排列的空氣孔產生光子帶隙．對頻率在帶隙內的光子存在帶隙效應．使光只能在纖芯中傳導而不能在包層中傳播．它對包層中空氣孔排列的周期性要求比較嚴格光子帶隙型光纖是由中心空氣導孔和包層空氣孔排列形成的周期性晶格光纖口結構上與TIR—PCF恰好相反，空氣孔構成的纖芯折射率小於包層折射率．導光特性也有明顯差別．PBF—PCF利用包層微結構產生的光子帶隙特性實現導光。

　　1.色散補償光纖

　　普通色散補償光纖的纖芯和包層之間的折射率差較小．所以其色散補償能力差．而PCF的纖芯和包層之間的折射率差較大．所以具有很強的色散補償能力。由於PCF的優良的色散補償性能．使其有望代替普通的色散補償光纖成為新一呆色散補償光纖。

　　2.作為光信號傳輸媒介

　　目前PCF已進入實驗室的光纖通信系統傳輸試驗階段．K．Tajima等人於2003年通過改進PCF的製作工藝．製成了在1550nIn波長處衰減為0．3dB／Km長度超過10Km的超低衰減的PCF．並利用他們所設計出的超低衰減的PCF成功的進行了810Gbit／s的波分復用傳輸試驗，證明瞭PCF在實際的通信系統中使用的可行性。2004年．K．Nakajima等人利用他們所研製的A=5．6um．d／A=0．5的零色散波長在850—1550nm的超低衰減的60孔PCF進行了19"lOGbids的波分復用傳輸實驗．證實了這種PCF可以在850nm波段實現單模傳輸．並且沒有明顯的模式延遲。

　　3.光纖激光器和光纖放大器

　　通過調整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設計出模場面積範圍為11000um的PCF．使得PCF在光纖激光器和光放大器研製中比G．652光纖具有更大的優勢。2000年，英國Bath大學的Wadsworth和Knight等第一個試驗報道了連續的摻鐿光子晶體光纖激光器．實驗中泵浦功率為300row．耦合效率為40％時．最大實現了18mw的激光輸出．激光閾值小宇lOmw。除此之外．已經取得研究進展的光子晶體光纖與光纖通信的相關應用還有連續譜發生器、拉曼放大器、光纖光柵等。在光纖通信領域中．光子晶體光纖具有傳統光纖無法比擬的優越性．尤其是在長途通信系統中。