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应用光学
vk6UU‘NQ^wUXNO]
u,+u
文章编号
!"##$%$#&$’$##()#*%##+,%#+
光子晶体光纤的原理
结构
-
制作及潜在应用
-
李启成
黑龙江科技学院 数力系
’
黑龙江 哈尔滨
.
"(##$/)
摘 要
!
传统光纤中的光能损耗和色散是阻碍其进 一 步 向 大 容 量 和 远 距 离 通 信 方 向 发 展 的 主 要 原 因
因 此 制 造
.
具有低色散和低损耗的光子晶体光纤成为光纤技术努力的方向
在介绍光子晶体光纤的制作
导光原理和特点的
基础上
研究了普通光纤不具备
.
而光子晶体光纤 所 具 有 的 无 休 止 的 单 模 特 性
.
-
可 控 的 非 线 性 和
-
易于实现的多芯传输等特点
研究结果表明
0
光 子 晶 体 光 纤 在 光 纤 传 感 器
.
光 子 晶 体 天 线
-
超 宽 色 散 补 偿
-
光 学 集
-
0
-
奇 异 的 色 散 特 性
成电路等多方面具有广泛的应用前景
关键词
!
光子晶体光纤
光纤
1
中图分类号
!23$(45,
色散
1
0
非线性效应
1
文献标识码
!6
789:;9<=>.;?:@9AB8CD9?:.EC:B@C;DB8>C:F:D9C=
C<<=9;CD9?:?@8
KLMN4OPQRS
’TQUVWXYQRXZ[\VXPQYVXNO]VR^\QOPVRNO]._QN‘ZRSaNVRSLR]XNXbXQZ[cONQROQVR^2QOPRZ‘ZSd._VWeNR"(##$/.fPNRV)
gJID8C;D!2PQYVNRWQV]ZRXPVXe‘ZOh]XWV^NXNZRV‘[NeQWXZ^QiQ‘ZUXZjVW^]eNSOVUVONXdVR^‘ZRS^N]XVROQOZYYbRNOVXNZRN]
XPQ‘Z]]Z[‘NSPXQRQWSdVR^^N]UQW]NZR.]ZXPQYVRb[VOXbWQZ[UPZXZRNOOWd]XV‘[NeQWjNXP‘ZjQW‘Z]]VR^^N]UQW]NZRjN‘‘eQ
XPQ^NWQOXNZRZ[[NeQW^QiQ‘ZUYQRXklV]Q^ZRXPQNRXWZ^bOXNZRZ[XPQYVRb[VOXbWQ.UWNRONU‘QVR^OPVWVOXQWN]XNO]Z[UPZXZRNO
OWd]XV‘[NeQW.VR^OZYUVWN]ZRjNXPXPQOZYYZR[NeQW.XPQOPVWVOXQWN]XNO]Z[mQR^‘Q]]n]NRS‘Q4YZ^Q.]XWVRSQ^N]UQW]NZR.
OZRXWZ‘‘Ve‘QRZR‘NRQVWVR^YZWQOZWQ]oXWVR]YN]]NZRZ[XPQUPZXZRNOOWd]XV‘[NeQWVWQNRiQ]XNSVXQ^k2PQWQ]b‘X]PZj]XPVXXPQ
UPZXZRNOOWd]XV‘[NeQWjN‘‘PViQVeWZV^VUU‘NOVXNZRNRUPZXZRNOOWd]XV‘[NeQW]QR]ZW.UPZXZRNOOWd]XV‘VRXQRRVQ.^N]UQW]NZR
OZYUQR]VXNZRVR^ZUXNOV‘NRXQSWVXQ^ONWObNXk
p>Hq?8FI!UPZXZRNOOWd]XV‘[NeQW1[NeQW1^N]UQW]NZR1RZR‘NRQVWQ[[QOX
引言
传统的光纤是根据全内反射机制传导光
.
它要求光纤的纤芯必须具有高于包层的折射率
因此
这
.
种光纤已经在光通信中起到了重要作用
但很难向
.
大容量和远距离通信的方向发展
其主要原因是光
.
纤中的光能损耗和色散
因此
0
消除色散和降低损
.
耗成为光纤技术努力的方向
色散可以分为模式色
散
材料色散和波导色散
-
0
模式色散可以通过
.
单模光纤来克服
材料色散是由所用介质材料引起
1
的
单模 光 纤 的 波 导 色 散 取 决 于 波 导 的 结 构
1
如 光
.
纤剖面的折射率分布
纤芯直径等
-
0
在光纤长距离
0
其中
传输光信息的过程中
要求损耗尽可能少
.
光纤中
0
光能损耗主要来源于吸收损耗和散射损耗
其中
.
0
吸 收损耗包括本征吸收 和 杂 质
如 氢 氧 根 离 子
’
引
)
起的选择 吸 收
散 射 损 耗 包 括 瑞 利 散 射
1
光 纤 结 构
.
不完善和材料中缺陷引起的散射
从硅玻璃光纤的
0
光学损耗和波长关系得到了在
和
"k((rY
目前已经作为通信的两个窗
"k5rY
处分别有损耗极小值
.
口
0
因此
研制能够克服传统光纤弱点的新一代光
.
纤成为目前光电子器件发展的主要方向之一
0
经 过 数 十 年 的 研 究 和 探 索
光 子 禁 带 的 概
.
念 s"5t终于在
年被提出
",&/
0
光子禁带是直接类比
收稿日期
作者简介
!$##+%#&%$*1
万方数据
李启成
修回日期
!$##(%#/%#"
!
’",*5%).
.
男
辽宁朝阳人
硕士
讲师
.
.
主要从事光子晶体和光纤激光器的研究工作
.
0
V?TV
应用光学
?T!
结构
A
制作及潜在应用
A
电子禁带的结果
它是指通过人工设计作出类比于
控制气孔的排列
因此
制作这种光子晶体在工艺
电子禁带结构的材料来阻止光子的传播
这种类比
上有较大难度
"
电子禁带结构的 人 工 合 成 材 料 在 某 一 能 量 范 围 内
晶体光纤都以全内反射作为导光机制
"
目前所报道的传统的
!
"
!
低耗的光子
A
"
光子不能通过光子禁带晶体
简称光子晶体
或者
#
$!
说在光子晶体内部产生的光不能传播
换句话说
"
!
光子晶体就是通过人工制造方法
使其晶体材料具
!
有类似于半导体 硅 和 其 他 半 导 体 中 相 邻 原 子 所 具
图
%
传统光波导
&’()% *+,-’.’/0,12,34(5’-4
图
<
隧道被破坏的光子带隙波导
&’()< B,0-(,C2,34(5’-42’.D-4E.+/F4-.50041
"
!
!
"
备的周期性结构
只不过光子晶体的周期性结构的
尺 度 远 远 大 于 电 子 禁 带 晶 体
其 大 小 为 波 长 数 量
级
如果破坏光子晶体的周期性结构
便使光子晶
!
!
体成为不完全的光子晶体
光子晶体光纤就是应用
这种不完 全二 维 光 子 晶 体 延 展 为 不 完 全 三 维 光 子
晶体而 成的 6%78"
带隙区域 的那些 频 率 的 光 波 不 能 在 这 种 晶 体 中 传
光 子晶体 具有光子带隙和相应于
播
而被 全 部 反 射 出 去
这 是 因 为 折 射 率 的 周 期 性
变化起到了多维衍射光栅的作用
由于布拉格衍射
偏转了光波的传播方向
在二维光子晶体光纤中引
"
!
!
入一个
缺陷
作为光纤的核心
9
:
其目的是无光能损
!
耗地将光陷获在光纤核心中
"
%
光子晶体光纤的导光原理
目 前 已 经 报 道 的 光 子 晶 体 光 纤 是 由 晶 格 常 数
为波长数量级的二维光子晶体构成的
!
的空气孔的硅光纤阵列构成光纤的包层
图
=
布拉格光子晶体波导
&’()= B+,((CD/./0’G/C.’G,1G+FE.,12,34(5’-4
<
光子晶体光纤的制作
根据目前的报道
!
堆积和熔 合等过程
光子晶体的制作都要经过拉
如
!
HIJKLMNO
等 的 制 作 方
A
伸
法 6%8>
取 一 根 直 径 为
#%$
线方 向 上 钻 一 条 直 径 为
=?PP
%QPP
的 石 英 棒
沿 其 轴
!
的 孔
随 后 将 石 英
!
@
把 该 石 英 棒 放 在
??R
的 光 纤 拉 丝 塔
#7$
在以上工作的基础上
!
形 成 最 后 的 光 子 晶 体 光 纤
把上述石英丝高温
如 图
!
和 图
7
所
T
个 阶 段 的 拉 伸 过 程 中
晶 胞 减 少 了
最后形成 的光 子 晶 体 的 孔 间 距 在
光 子 晶 体 光 纤 沿 着 石 英 丝 的 轴 向 均 匀 排 列 着
空气孔
从 光 子 晶 体 光 纤 的 横 切 面 看
存 在 着 周 期
!
!
即规则排列
棒研磨成一个正六棱柱
心由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成
这个
中
将它拉成直径为
的细长正六棱柱丝
缺陷可以是固体硅
也可以是空气孔
对于核心为
把正六棱柱丝切成适当长度的若干段
空气孔的情况
通过作为包层的二维光子晶体的布
后堆积成需要的晶体结构
再把它们放到拉丝塔中
光纤的核
"
"
"
!
#<$
#=$
!
!
拉格衍射
一定波长的光被陷获在作为核心的空气
熔合
拉伸
使内部空 气孔的间距减小 到
A
!
这 种 光 子 晶 体 光 纤 的 导 光 机 制 是 布 拉 格 衍
右
形成更细的石英丝
@
然
!
左
T?UP
?)SPP
!
@
!
孔 中
"
射 6;8!
如图
更灵活
"
和图
所示
光子带隙导光使光纤设计
<
由于光子带隙条件只依赖于包层的性质
=
"
纤芯折射率可以自由选择
有能力将光波限制在空
纤芯中
子带隙
"
!
对于核心为固体硅的情况
包层不存在光
!
它 的 有 效 折 射 率 是 硅 和 空 气 的 体 平 均
小于核心硅的折射率
所以这种光纤的导光机制一
定是全内反射
以局限在
纤芯
9
"
只要满足全反射的条件
范围内传播 6=8"
:
光完全可
!
!
!
它
!
!
!
!
!
拉 伸
示
"
在 以 上
=
%?7 数量级以 上
?)7@
缺陷
9
作为核心
:
图
"
!
Q
应用光学
L##9%L;K;Q
李启成
光子晶体光纤的原理
I
结构
‘
制作及潜在应用
‘
b"9b
所 示 为 典 型 的 光 子 晶 体 结 构 图 !"#$%
一个空气孔而形成
纤端面的扫描电子显微镜照片 !""$’
有一个空气孔而形成
纤芯
纤芯
&’
图
(
&
)
&’
它 的 中 心 缺 少
究全反射型光子晶体光纤的特点
所示为光子晶体光
永无休止的单模传输特性
它的中心因为
虽 然 这 种 光 子 晶 体 光 纤 导 光 机 制 和 普 通 光 纤
却有普通光纤不具备的特点
光子晶体光纤在所有频率范围内支持单模
G."
一样
%
G."."
特性
’
’
图
*
光子晶体光纤结构图
+,-.* /012302145678+
图
9
光子晶体光纤截面示意图
+,-.9 /430,5:5678+
图
;
中间无空气孔的典型
结构
<=>
+,-.; /0123021456?0@A,3?B78+
C,0D520?,1D5B4,:E,FFB4
图
(
中间有空气孔的
结构
<=>
+,-.( /012302145678+C,0D?,1D5B4,:E,FFB4
光子晶体的特点及应用
对于标准的阶跃单模光纤
下式决定
I
其归一化频率
%
由
H
式中
HJKLMNOPQKRL
%RST
RSV
和
STURL
"
L
SVQ
分别表示光纤纤芯与包层的折射率
为纤芯半径
N
才是单模的
WP
对应于
为光波长
当
’
时
光纤
HXL.#*9
的波长就称为光纤
%
HJL.#*9
的截止波长
只有当工作波长大于截止波长时
’
PS’
才能实现单模传输
而光子晶体光纤不存在截止波
’
长
如果设计合理
光子晶体光纤具备在所有波长
上支持单模传输的能力
性 !*$’
论上已经证明
也就是说
%
光子晶体光纤不存在截止波长
%
只要满足空气孔径与孔间距之比不
理
’
即所说的无休止的单模特
’
%
W
%
%
’
’
小于
就会有无休止的单模出现
’
可以有较高的入射功率
#.L%
G.".L
这种单模传输特性与光纤的绝对尺寸无关
只
%
取决于光纤的相对尺寸
光纤放大或缩小依然可以
保持单模传输
这种单模传输特性使光子晶体光纤
’
非常有用
当传输高功率时无须担心出现非线性效
应
这增大了利用光子晶体光纤制作光放大器和激
I
光器的可能性
当需要强的非线性时
通过改变光
%
子晶体光纤的空气孔间距便可调节有效模场面积
英 国
大 学 的 研 究 人 员 已 经 制 作 了 工 作 在
YZ[\
*9]^_‘)
纤 芯
纤
其
)
&
&
纤 芯
直 径 是
的 单 模 光 子 晶 体 光
LGa_
面 积 大 约 是 传 统 光 纤 纤 芯 面 积 的
倍
用于传输高功率的光时不会出现非线性效应
’
%
%
G.L
光子晶体光纤的色散性质
光子晶体光纤具有良好的色散特性
与传统光
’
纤不同
光 子 晶 体 光 纤 完 全 可 以 由 单 一 材 料 制 成
和
包层
的力 学 和 热 学 性 质 是 完 全 匹
%
纤芯
因 此
配的
)
’
&
)
也就是说
&
纤芯
%)
和
&
)
包层
的折射率差不会
&
%
’
%
因材料的不相容性而受到影响
从而可以在很长的
波长范围内得到较大的色散
纤中产生正常色散的波长上
在石英及普通单模光
光子晶体光纤中都可
以实现 反 常 色 散
%
偿及超短脉压缩等
因 此 容 易 实 现 孤 子 传 输
色 散 补
‘
另外
光子晶体光纤的零色散
’
%
点可以大幅度地向短波处推移
目前报道的单模光
’
"#
’
%
子晶体光纤的零色散点已达到
’
(##^_
]9#^_
左右 !]$’
的 光 孤 子
%
G
由 于 光 子 禁 带 导 光 机 制 的 光 子 晶 体 光 纤 制 作
在光子晶体 中己成功产 生
工艺的复杂性
使得人们目前制造和研究最多的是
将来波长还可以降低
这就为制造可见光波段的光
全内反射型导光机制的光子晶体光纤
本文重点研
’
孤子光纤激光器提供了可能
我们还可以通过改变
’
万方数据
%
’
b,1b
应用光学
,))1",<:<;
李启成
光子晶体光纤的原理
?
结构
@
制作及潜在应用
@
光子晶体中空气 孔 的 分 布 和 大 小 来 剧 烈 地 改 变 它
振保持光纤
光子晶体天线
光学集成电路
超短脉
的色散和色散斜率
目前
只能针对某种设计通过
冲激光器
放大器和光开关
当掺进非线性介质时
!
"
数 值 模 拟 得 到 其 色 散 特 性
!#$%&’
设计合理的光子晶体光纤可以获得
等 的 分 析 表 明
还可望用于光开关
光限幅
光双稳和光倍频等等
())*+
带宽和
通过设计更加复杂的结构和使用不同的材料
还会
@
"
!
"
@
H
@
@
.
@
!
超过
的色散值
可补偿
倍于自
发现更多的用途
,)))-’.*+/&+
身长度的标准光纤引起的色散
"
这预示着光子晶体
01
!
"
"
光纤 在 未 来 超 宽
到重要作用 567!
机理的认识还需进一步提高
234
现在
"
的 平 坦 色 散 补 偿 中 可 以 起
对光子晶体光纤的色散内在
光子晶体光纤的非线性现象
0/0
减 小 光 纤 的 模 场 面 积
可 以 增 强 非 线 性 效 应
!
"
从而使光子晶体 光 纤 同 时 具 备 强 非 线 性 和 快 速 响
目前的常规光纤有效截面积在
!
应的特性
9+, 量 级
所 以各种 典 型非 线形 光 纤 器 件
"
而 光 子 晶 体 光 纤 可 以 做 到
如 克 尔 光 闸
(9+, 量 级
的 非
"
1)8())
线性环形镜等就可以比普通光纤短
())
在
变孔间距 可 以 调 节 有 效 模 场 面 积 5<7"
长处调节范围约 为
(8 =))9+,!
"
"
也 可 以 装 载 低 折 射 率 液 体
气体
光纤具有可控的非线性 517!
0/>
易于实现多芯传输
:
;
通过改
倍
!
(/19+
在孔中可以装载
从 而 使 光 子 晶 体
多芯传输有以下两个优点
一是提高了信道通
信容量
二是解决了单芯传输难以胜任的复杂通信
网络
矢量弯曲传感
光纤耦合等问题
光子晶体光
"
@
纤是通过堆积的方法制造的
使得多芯的结构能被
精确地定位且具有良好的轴向均匀性
而无须附加
@
?
"
!
"
现在有的科学家已在这方面做了一些有
其它工艺
益地探索
!
如
"
A*$BCDEF
等人进行了该方面的理论
发现改变空气孔的比重或改变纤芯的位置可
"
研究
以获得具有不同耦合度的多芯光纤 5,7!
0/1
高的双折射特性
改 变 光 子 晶 体 光 纤 的 包 层 结 构 可 以 制 作 出 具
有高双折射效应的光子晶体光纤
只要破坏光子晶
体光纤截 面 的圆 对 称 使 其 成 为 二 维 结 构 就 可 以 实
现
例如
通过减少一些空气孔
或者改变一些空气
"
"
孔的尺寸都可以获得高的双折射特性
!
"
"
明
纤 5(,7!
的无孔纤芯
可 以 设 计 出 双 折 射 度 达
这样的双折射光子晶体光纤
入双 折 射
增大这
,
"
需 缩 小 中 心 附 近 的
"
个孔的孔间距
,
!
!
理论分析表
()G 0的 光 子 晶 体 光
采用高折射率
"
个 孔 的 孔 径
同 时
!
"
>
结束语
光子晶体光纤的潜在应用包括超宽色散补偿
短波长光孤子传输
万方数据
发生
.
光纤传感
@
@
极短拍长的偏
@
波
507
蒋铭
池灏
"
究进展
/
半导体光电
光子晶体光纤的出现
使光电子技术进入了一
"
可以预言
光子晶体光纤是有巨
"
个新的发展阶段
大潜力的产业
!
!
参考文献
?
5(7 A*$BCDEF"#$%&’I J"KL’’MNNOPDE"QRST/JNN’$U
N$VW’$*BNMU+XYMX-D$VWNZ$[M%\$DC -CXDX*$VV%]’DWN
VNWYY$*B5E7/^-D$V’_MDDM%’"(‘‘<",(:(‘;?(1>6G
(1>‘/
廖 先 炳
5,7
光 子 晶 体 技 术
/
一
aa :
光 子 晶 体 光 纤
;
5E7/
半导体光电
",))0",>:,;?(01G(0=/
光 子 晶 体 光 纤 的 非 线 形 效 应 及 其 应 用 研
姚培军
5>7
光子晶体光纤
/
光 电 子 技 术 与 信 息
5E7/
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",))0",>:1;?,‘6G,‘‘/
5E7/
明海
"
,)),"(1:<;?G106/
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NM’’N] ’$*BNMU+XYM-CXDX*$VV%]’DWNZ$[M%5E7/ ^-D
_MDD"(‘‘6",,:(0;?‘<(G‘<0/
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’DWNZ$[M%5E7/OCXDX*$V’IMVC*XNXB]_MDDM%’",)))"
(,:=;?=)6G=)‘/
5=7 ^%D$BX’W#J"A*$BCDEF"2WY’\X%DC2 E"QRST/
d$BCN] [$%MZ%$*BM*D -CXDX*$V V%]’DWNZ$[M%’ 5E7/
^-D$V’_MDDM%’",)))",1:(=;?(0,1G(0,6/
曹辉
光子晶体光纤及在光纤光栅 中 的 应 用
",))0"(:,;?,>G,‘/
池 灏
曾 庆 济
光 子 晶 体 光 纤 的 色 散 特 性 分 析
光 学
5E7/
红
5E7/
/
与光电技术
5‘7
5()7
"
/
外与毫米波学报
刘 思 敏
5((7
/
光 子 晶 体 光 纤 和 波 导
",))0",,:,;?(>‘G(10/
物 理
5E7/
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:((;?<61G<=)/
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DL%WNNX*BU-M%$XYB%WD$*B’$*-CXDX*$VV%]’DWNZ$[M%’
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J*Y%M\ E/ ^-D$VWN-%X-M%D$M’ XZC$BCUYMNDW W$%U
’$N$VW +$V%X’D%LVDL%M X-D$VWNZ$[M%’5E7/ ^-D$V’
_MDDM%’",)))",1:((;?6‘7 4W*BW* # E" #$%&’ I J" A*$BCDE F" QRST/
gL*YW+M*DWNU+XYM VLDXZZ $* W -CXDX*$V V%]’DWN
Z$[M% \$DC W YM-%M’’MYU$*YMh VX%M5E7/ ^-D$V’
_MDDM%’",))(",<:(‘;?(><‘G(>6(/
包层的周围是周期性多孔结构
要引
5(07 KW*&W E$*M*Y%W A" 2$*YMNM% KX[M%DP" PDM*De
光子晶体光纤的原理、结构、制作及潜在应用
作者:
李启成, LI Qi-cheng
作者单位:
刊名:
黑龙江科技学院,数力系,黑龙江,哈尔滨,150027
应用光学
英文刊名:
JOURNAL OF APPLIED OPTICS
年,卷(期):
2005,26(6)
9次
被引用次数:
参考文献(14条)
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引用本文格式:李启成.LI Qi-cheng 光子晶体光纤的原理、结构、制作及潜在应用[期刊论文]-应用光学
2005(6)