光子晶体光纤

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光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)

　　光子晶体光纤又称为多孔光纤(Holey Fiber，HF)或微结构光纤(Micro—Structured Fiber，MSF)，它是在石英光纤的包层中沿轴向均匀地排列空气孔，并在纤芯端面存在一个破坏了周期性结构的缺陷所构成，从而使入射光能被控制在光纤纤芯中传输。光子晶体光纤由于包层中的二维光子晶体结构，可以作为更加优异的光传输介质，在新一代光纤通信系统和激光技术等重要领域具有极其广阔的应用范围。

　　光子晶体光纤具有周期性的排列结构．它同传统的光纤在传输机理上有很大的不同．根据PCF的导光原理．光子晶体光纤可分为两种，一种是全内反射光子晶体光纤(TIR—PCF)．另一种是光子带隙光子晶体光纤(PBGF)。

　　1.全内反射型，TIR—PCF

　　全内反射光子晶体光纤是依赖全内反射效应导光．纤芯折射率比包层的有效折射率高．光束在纤芯中按照改进的全内反射原理进行传输，它对包层的空气孔排列的周期性要求不是十分严格全内反射型PCF中心有纤芯．外面空气孔呈周期性紧密排列空气包层的有效折射率由空气和石英的比率决定，因此，可以制成不同折射率剖面的光纤。由于包层有效折射率低于纤芯折射率．光以全内反射方式在PCF中传输。由于纤芷：、包层间的有效折射率差是波长的函数．归一化的传输频率可以在很宽的范围内保持不变．从而保证宽带范围内的单模传输和不同的色散特性。

　　2.光子带隙型光纤(PBG—PCF)

　　光子带隙光子晶体光纤是按照光子带隙效应(PBG1导光，即光纤包层结构由周期性排列的空气孔产生光子带隙．对频率在带隙内的光子存在带隙效应．使光只能在纤芯中传导而不能在包层中传播．它对包层中空气孔排列的周期性要求比较严格光子带隙型光纤是由中心空气导孔和包层空气孔排列形成的周期性晶格光纤口结构上与TIR—PCF恰好相反，空气孔构成的纤芯折射率小于包层折射率．导光特性也有明显差别．PBF—PCF利用包层微结构产生的光子带隙特性实现导光。

　　1.色散补偿光纤

　　普通色散补偿光纤的纤芯和包层之间的折射率差较小．所以其色散补偿能力差．而PCF的纤芯和包层之间的折射率差较大．所以具有很强的色散补偿能力。由于PCF的优良的色散补偿性能．使其有望代替普通的色散补偿光纤成为新一呆色散补偿光纤。

　　2.作为光信号传输媒介

　　目前PCF已进入实验室的光纤通信系统传输试验阶段．K．Tajima等人于2003年通过改进PCF的制作工艺．制成了在1550nIn波长处衰减为0．3dB／Km长度超过10Km的超低衰减的PCF．并利用他们所设计出的超低衰减的PCF成功的进行了810Gbit／s的波分复用传输试验，证明了PCF在实际的通信系统中使用的可行性。2004年．K．Nakajima等人利用他们所研制的A=5．6um．d／A=0．5的零色散波长在850—1550nm的超低衰减的60孔PCF进行了19"lOGbids的波分复用传输实验．证实了这种PCF可以在850nm波段实现单模传输．并且没有明显的模式延迟。

　　3.光纤激光器和光纤放大器

　　通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为11000um的PCF．使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G．652光纤具有更大的优势。2000年，英国Bath大学的Wadsworth和Knight等第一个试验报道了连续的掺镱光子晶体光纤激光器．实验中泵浦功率为300row．耦合效率为40％时．最大实现了18mw的激光输出．激光阈值小宇lOmw。除此之外．已经取得研究进展的光子晶体光纤与光纤通信的相关应用还有连续谱发生器、拉曼放大器、光纤光栅等。在光纤通信领域中．光子晶体光纤具有传统光纤无法比拟的优越性．尤其是在长途通信系统中。