光子晶体光纤(PCF)由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性,吸引了学术界和产业界的广泛关注,在短短的十年内PCF的研究取得了很大的进展。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法,介绍了PCF的发展以及最新成果。

建材发展导向 2 1 O 00年 8月

气象 防雷 通信 电子

新型光纤一子晶体及光子晶体光纤研究光现状发展趋势简介 肖文标 (江苏省南京 200) 10 7

摘要：光子晶体光纤 ( C ) P F由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，短短的十年内 P F的在 C 研究取得了很大的进展。本文阐述了 P F的一些独特光学性质、 C制作技术及其理论研究方法，介绍了 P F C的发展以及最新成果。 关键词：光子晶体；光子晶体光纤；光子晶体光纤激光器

1前言 光子晶体光纤 (htn rs l b rP F, p ooi cyt e,C )又称多孔光纤或 c af i

空芯 P F光子能隙传光机理具体解释为： C在空芯 P F中形 C成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光

形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯 P F中不能发生全内反射， C包层中的小孔点阵结构起 到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。 当光束从介质 1进入介质 2时，光纤中光束传输常数 B保

微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微 小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传

导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得 P F与常规光纤相 C 比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。

持不变，如果 B。,≤n o其中 k为真空波矢量。而 g nk, k 0> 2o则光束 只能在介质 1中传输，而不能传输到介质 2中，这就是全反射情 况。

在光纤激光器这一领域内，C P F经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了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，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了 P F的一 C些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了 P F的 C发展以及最新成果。

3光子晶体光纤的参

数特性 31空心光子晶体光纤 . 空心光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的硅材料空气

孔围成的空心中传输。因为只有很少一部分光在硅材料中传输， 所以相对于常规光纤来说，材料的非线性效应明显降低，损耗也 大为减少。预测，据空心光子晶体光纤最有可能成为下一代超低损耗传输光纤，在不久的将来，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。目前，已开发出多种商用空心光子带隙光纤，波长覆盖 4 0 2 0 n 4~ 00 m。

2光子晶体光纤的导光原理 按导光机理来说， C P F可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。

21折射率导光机理 . 周期性缺陷的纤芯折射率 (石英玻璃)和周期性包层折射率 (空气)间有一定差别，之从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的 P F导光机理依然是全内反射，但与常规 G6 2光纤有所不 C .5

32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 色散波长可以选定在可见光和近红外波长范围 (7— 8 n, 6 0 8 0 m) 使得这些光纤特别适合于采用掺钛蓝宝石激光或 N b泵浦激光光源的超连续光发生器。 l ep￣ nc的光子晶体光纤非线性 Ba h o i z s

同，由于包层包含空气，以这种机理称为改进的全内反射，所这是因为空芯 P F中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。 C

效应可达 2 5 k 1 4 W m一可用于频率度量学、,光谱学或光学相干摄 影学中超连续光发生器。

22光子能隙导光机理 . 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 P F的传导条件， C即光子能隙导光理论。光纤中心为空芯，

33宽带单模光子晶体光纤 . 常规单模光纤实际上是波长 L- L -次模截止波长小的多模光

虽然空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。当小孔间距和小孔

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。Baep o nc lz h￣ i s的宽带单模光子晶体光纤的损耗低于 08Bk .d/ m,主要用于空间

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。最近有研究表明，这种 P F可 C传输 9%以上的光能， 9而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光 纤的 1 ,。/ l 2 4

单模场宽带辐射传输，短波长光传输，传感器和干涉仪。

3保偏光子晶体光纤 - 4 传统保偏光纤双折射现象由纤芯附近差异热扩张的合成材 3 1