光子晶体光纤的研究新进展

ｍｅｎｔｓ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｉｎｆｆｏｄｕｃｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ（ＰＣＦ） ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ
ｎｏｎｌｉｎｅａｒ
ｓｏｈｔｏｎ
ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｒａｎｌａｎ ｓｃａｔｃｅｎｎｇ（ＳＲＳ）ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ
万方数据
激光与光电子学进展
质，这些性质主要与光纤的结构有 关，而有效折射率法采取了平均的 方法，忽略了光纤结构。当纤芯与 包层之间的折射率的差值很大的 时候（对于ｄ／Ａ＞Ｏ．５，ｄ为空气孑Ｌ直 径），这种方法就不适用，更精确的 计算则要采用矢量法。
时域有限差分法（ＦＤＴＤ）和有 限元法可计算微结构光纤的一些 性质。时域有限差分法是求解电磁 问题的一种数值方法，时域有限差 分法直接将有限差分式代替麦克 斯韦时域场旋度方程中的微分式， 得到关于场分量的有限差分式，用 具有相同电参量的空间网格去模 拟被研究体．选取合适的场初始值 和边界条件，计算后可得到麦克斯 韦方程的数值解。有限元法是将光 纤分成许多具有相同性质的小块， 对每一小单元运用离散的麦克斯 韦方程。再在这些单元的边界上加 上连续性条件，来计算具有任意结 构的ＰＣＦｓ，这种方法计算量大，计 算效率不高。平面波方法是描述平 面波电磁场．为了与纤芯相适应， 需要建立一个包含纤芯的小单元， 计算量较大【４】。另有一种方法，把其 中的空气孔看成光栅，做一些定性 分析，详细可见参考文献【５】。
ＮБайду номын сангаасｗ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒｓ
ＤＡ Ｎｉｎｇ ＹＡＮＧ Ｌｖｙｕｎ ＸＩＡ Ｊｉｎａｎ ＣＨＥＮ Ｄａｎｐｉｎｇ ＱＩＵ Ｊｉａｎｒｏｎｇ （Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｒａｆｔ Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，
１引言 光纤技术已广泛应用于通信、
图像传输和传感等领域。现在普遍 采用的是石英光纤．普通石英光纤 具有结构简单、传输频带宽、损耗 低、体积小和抗干扰能力强等特 点，但也有连接复杂、弯曲损耗大、 纤芯直径小等不利因素。因此，光 纤科学开始朝着具有更复杂结构 的微结构光纤发展，例如双包层， 纳米光纤和多孔光纤等。光子晶体 光纤（ＰＣＦｓ）也称为多孔光纤（ＨＦｓ）。 是近年来发展起来的新光纤。光子 晶体光纤由纤芯和包含有序排列 的空气柱的包层组成，见图１ｔ“，由 于纤芯材料的不同．存在着两种导 光机制，一种是有效折射率型导光 机制．一种是带隙波导型导光机 制。在有效折射率型光子晶体光纤 （ＴＩＲ）中，纤芯的折射率较高．空气
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光纤了。这种光纤由于模面积大， 在传输高功率能量时，可避免一些 非线性现象的发生１４１。 ４．２反常色散
ＰＣＦｓ不同于传统光纤，其具 有反常色散特性。零色散位置，可 以通过设计不同结构的ＰＣＦｓ来调 整，随着空气填充率的增大．微结 构光纤的零色散点向短波方向移 动，当然零色散点的位置还与芯径 大小和ＪＪ，孑Ｌ结构有关【６Ｊ。传统光纤 为正色散。在有些波长传播中可连 接上设计好在此波长处为负色散 的ＰＣＦｓ，消除色散造成的影响，具 体方法可参阅文献闭。 ４．３非线性性质与受激拉曼散射
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制作时，要注意超净．否则若光纤 中存在杂质的话．会对光产生散 射，影响光的传输。另一种方法为 挤压法。把融化的玻璃挤入一个模 子，而这个模子中已为预制棒设计 好合适的孔径和形状的小孔，这种 方法可以将块状玻璃直接拉成光 纤。适用于多种材料诸如硫系玻 璃、聚合体、复合玻璃等，其缺点是 不易在特定区域。例如只在纤芯， 掺人稀土离子或引入玻璃光敏材 料ｆｌ】ｎ
Ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｏｍｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＰＣＦｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｆｉｂｅｒ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐ－
受激拉曼散射（ＳＲＳ）是非线性 光学中应用比较多的一种性质．可 由材料的这个性质转换波长．往往 ＳＲＳ需要高功率抽运，但如在光子 晶体光纤空气孔中加入活性气体，
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可避免高功率激发源问题，这是因 为在光纤中降低了气体产生ＳＲＳ 的能量阈值，严格的计算表明在单 程通过过程中其阈值降低了１００ 倍左右。还有一直存在的难点是一 般情况下气体被抽运激发的是更 高频的拉曼频移，并不是我们所需 要的低频率位移，在光子晶体光纤 中掺入这种气体可得到低频率位 移。例如，一般情况下气体分子纯 转动拉曼再生很难实现，因为分子 的振动跃迁（约频移～１２５ＴＨｚ）增益 Ｑ。，要远大于转动跃迁（２９频移～ ｌＳＴＨｚ）Ｓ０，，结果大多数关于氢的受 激拉曼散射的实验结果都是得到 的振动ＳＲＳ．如在ＰＣＦｓ中压入氢 气［２５１，用圆偏振激光束可产生高效
３光子晶体光纤的制备方法
目前制备光子晶体光纤主要 有两种方法。一种是堆拉法。先设 计出ＰＣＦｓ的截面结构，按此结构 制备出相应的毛细管．再将这些毛 细管按照设计的结构形状有规则 地排列起来．同时根据需要引入缺 陷，制成预制棒，拉出光纤。英国的 Ｂａｔｈ大学用这种方法在１９９６年制 成了世界上第一根光子晶体光纤。 这种方法很实用。只要设计好正确 的尺寸和形状就可以了。但是在制 备过程中，温度和材料本身的应力 都会影响拉制出的光纤质量。而且
和反斯托ｌ地克１斯 ２＝强 ｃｏｔ度２０比ｐ—ｒｄ４）
在光子晶体光纤空气孔中加入气 体，可使其非线性系数比传统光纤
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增大了好几个量级。上面也提到了 拉曼光孤子．光孤子主要是由材料
二次非线性）ｆ魄作用，二者又是由
拉曼跃迁产生的两个不同频率的 电磁波来调谐的，因此要获得较好 的光孤子传输，这种内在的多频耦 合问题就要仔细考虑。现在也由这 个问题做出两色光孤子．所需的功 率为１０ｋＷ，远低于材料自身非线 性系数所需要的兆瓦功率［９，１０】。由高 非线性材料制备的ＰＣＦｓ，通过受 激拉曼散射、四波混频、色散效应 等可以产生超连续光谱，抽运光的 偏振性也会影响连续谱，连续谱可 以用分频计产生频率梳，这样就可 以制成波分多路复用器［１１，１２】。另一 种方法是在掺杂的多芯ＰＣＦｓ中， 不同的孔有不同的掺杂比，由四波 混频直接产生频率梳。当抽运光 ∞。进入ＰＣＦｓ中时，产生上转换信 号光（【，。和下转换闲置光ｃ【，。。多芯 ＰＣＦｓ产生的闲置光频率随着纤芯 的掺杂比率变化，为得到高效的转 换，需满足相位匹配： ｋ＝ｆｌ（（ｇｓ）弗＠Ｉ）＋２嘞∞。ＰＡｃＡ越）一
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光子晶体光纤硇研穷新进展
达宁杨旅云夏金安陈丹平邱建荣
（中国科学院上海光学精密机械研究所中日合作光子技术实验室，上海２０１８００）
、
摘要 综述了光子晶体光纤（ＰＣＦ）不同于传统光纤的各种性质，并详细讨论了光子晶体光纤在通信和光纤激光等领域 的新发展。 关键词 光子晶体光纤 非线性 孤子 受激拉曼散射 偏振性 光开关 激光器
４ ＰＣＦｓ的性质及其应用
光子晶体光纤结构与普通光 纤相比，其结构要复杂得多。光子 晶体光纤横截面可以是三角形、蜂 窝状、网状，小孔的大小和孔间距 和排布方法都可以变化，小孔中还 可以填充气体或者液体等便于改 性。光纤可以是双包层，也可以是 三包层，多包层等。这些使得光子 晶体光纤具有不同于普通光纤的 很多特性。 ４．１大模面积
孔降低了包层的有效折射率．因而 光能够被全反射机制限制在折射 率相对较高的纤芯中传播。这种光 子晶体光纤具有普通光纤所不具 备的许多性质，比如，无休止波段 范围单模传输，大模面积，反常色 散等。所谓无休止波段范围单模传
输是指在光波长范围内的任意波 长的光在光子晶体光纤中传输时 保持单模。无休止波段范围单模传 输和大模面积使得有源掺杂光子 晶体光纤可以很方便地被应用到 高功率单模光纤激光器和光纤放 大器中去。带隙波导型光子晶体光
的受激拉曼散射，获得有效的回
选择的转动ＳＲＳ。上述过程信号转 换情况也与光纤的长度有关，抽运 光为１０６４ｎｍ．一级斯托克斯波长 １１３５ｎｍ的情况下，２．９ｍ的光子晶 体光纤能量阈值较高，为２０ｎＪ，但 转换效率有８６％。长光纤阈值能量 为～３±２ｎＪ（。３．７５±２．５Ｗ峰值功率， 比传统的转动ＳＲＳ阈值低ｌｘｌｏｅ 倍），转换效率只有３５％。入射光的 偏正角度也影响ＳＲＳ的斯托克斯
模式面积较大的光纤可用来 传输大功率光束。目前的普通单模 光纤可采用ＭＣＶＤ方法改变折射 率差以增大模面积，但这种方法对 折射率的改变还是有限的。ＰＣＦｓ 技术可制得大模面积光子晶体光 纤，孑Ｌ间距较大（Ａ＞５斗ｍ），ｄ／Ａ＜０．３ 可做得大模面积光子晶体光纤 （ＬＭＨＦｓ）．而且由ＰＣＦｓ易于做单 模，就可做成单模ＬＭＨＦｓ。普通光 纤也可实现单模传输，但它有几个 局限性．一是传播波长有限， １５５０ｎｍ波长的光的传输，芯径要 小于９．５¨ｍ；另一个是光纤的弯曲 能量损耗较大．且损耗与光波长成 正比．而ＰＣＦｓ的损耗与光波长成 反比，本质上包层中的空气孑Ｌ也可 减小弯曲损耗。现在已经生产出在 １５５０ｎｍ处模面积达到６８０ｔ上ｍ２的
非线性是光纤的一个重要性 质，ＰＣＦｓ在近红外区域有着新颖 的非线性过程，且表现出零色散与 非正常群速度色散，由此效应产生 脉冲展宽。避免脉尖峰强度大，幅 度降低。Ｆｒｅｄｅｒｉｃ等利用Ｙｂ：ＳＹＳ 二极管抽运的脉冲振荡激光器作 为抽运源和Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ａ／Ｓ生 产的光纤．产生中心波长为 １０６８ｎｍ的１１０ｆｓ的脉冲激光，频 率１０８ＭＨｚ，平均功率１１０ｍＷ，采 用的光纤长度为９５ｃｍ，芯径是 ２．６±０．２¨ｍ，孔间距为２．０±０．３¨ｍ， ｄ／Ａ为０．３５，光纤在９５０ｎｍ处为零 色散，１０６０ｎｍ处是一负群速度色 散２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ，当耦合人光纤的 能量较高时，由色散效应与非线性 效应共同作用．产生新的拉曼光孤 子。由图２ｆ８ｌ可以看出，功率不同可 以产生不同数目的光孤子．拉曼光 孤子还可发生自频移，可用于产生 低于１００ｆｓ的从１到１．３斗ｍ的可 调光。