光子晶體光纖的特性及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

　　Iccsz訊 起源于1992年的光子晶體光纖具有普通光纖所不具備的新穎特性，如超強(qiáng)抗彎曲、靈活的色散裁剪、良好的非線性和耐輻照特性等，為光通信創(chuàng)新提供了廣闊的想象與創(chuàng)新空間，將在光通信、光器件、光傳感、先進(jìn)激光等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　光子晶體光纖的起源

　　1992年，P.St.J.Russel首次提出光子晶體光纖(PCF)的概念。光子晶體光纖是指在垂直于光纖縱軸的橫截平面內(nèi)具有二維周期性的折射率結(jié)構(gòu)，并且這種二維周期性結(jié)構(gòu)在光纖縱軸方向上不變的光纖，光子晶體光纖最顯著的特點(diǎn)是在光纖橫截面上的周期性結(jié)構(gòu)。

　　光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)與常規(guī)光纖迥然不同，普通的光纖是由實(shí)體的纖芯和包層構(gòu)成的，而光子晶體光纖的包層由空氣孔和石英構(gòu)成，空氣孔在纖芯的外圍以正六邊形的樣子規(guī)則排列。石英-空氣復(fù)合結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖大折射率反差、高度可控制的周期性折射率變化，為光的傳導(dǎo)與控制提供了新的機(jī)理及途徑。光子晶體光纖具有許多獨(dú)特而神奇的物理特性：可控的非線性、無(wú)盡單模特性、可調(diào)節(jié)的奇異色散、低彎曲損耗、大模場(chǎng)等，這些特性是常規(guī)石英單模光纖很難或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此，光子晶體光纖引起了科學(xué)工作者的濃厚興趣，并開(kāi)展了深入的理論與試驗(yàn)研究。

　　1996年，英國(guó)南安普頓大學(xué)光電子學(xué)研究中心J.C.Knight等在《Opt.Lett.》首次報(bào)道了所研制的實(shí)芯光子晶體光纖樣品，并將4個(gè)不同波長(zhǎng)的光源注入1米長(zhǎng)的該光纖中，測(cè)試其近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)特性，證實(shí)了光在光子晶體光纖中的傳導(dǎo)特性。1998年J.C.Knight等在《Science》首次報(bào)道“光纖中的光子帶隙導(dǎo)波效應(yīng)”，發(fā)現(xiàn)類似電子能帶來(lái)的光子帶隙效應(yīng)，并制備出光子帶隙型光子晶體光纖。1999年，R.F.Cregan等在《Science》首次報(bào)道“空氣芯單模光子帶隙光纖”。2003年，P.St.J.Russel在《Science》發(fā)表光子晶體光纖的論文，闡述了光子晶體光纖的新穎特性與應(yīng)用前景。

　　光子晶體光纖的奇異特性

　　1.超強(qiáng)的抗彎曲特性

　　光子晶體光纖采用空氣與石英玻璃復(fù)合的材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以大幅度提高纖芯與包層之間較大的折射率反差，這種結(jié)構(gòu)可以很好地將光波電磁場(chǎng)嚴(yán)格限制在光纖芯中。圖1是3種典型的不同結(jié)構(gòu)的FTTH用光子晶體光纖。

圖1 3種不同結(jié)構(gòu)的抗彎曲光子晶體光纖

　　這種空氣與石英復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型光纖具有很強(qiáng)的抗彎性。其抗彎能力相比當(dāng)前的G.657.B3光纖提升100倍以上，彎曲半徑可以降低到2毫米以下，可以用于高端有線制導(dǎo)領(lǐng)域。

　　2.靈活的色散裁剪特性

　　改變光子晶體光纖中的空氣孔大小與間距，光子晶體光纖的色散和色散斜率會(huì)急劇變化。如實(shí)心光纖的零色散點(diǎn)在1300nm波長(zhǎng)附近，也可以通過(guò)設(shè)計(jì)將零色散點(diǎn)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，但是難以獲得短波長(zhǎng)的零色散。光子晶體光纖就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)心光纖無(wú)法實(shí)現(xiàn)的短波長(zhǎng)零色散特性、寬波段的色散平坦特性(如圖2)，以及超大負(fù)色散特性。

　　Huttunen等報(bào)道了一種具有高折射率纖芯的雙芯光子晶體光纖，色散系數(shù)為-59000ps/(nm.km)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)105nm的寬帶色散補(bǔ)償。Huttunen還提出了一種有效面積為80μm2、內(nèi)芯折射率為1.5、外芯折射率為1.3859的雙芯光子晶體光纖，其1550nm的色散系數(shù)為-1600ps/(nm.km)，補(bǔ)償帶寬達(dá)330nm，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)C+L波段(1530nm～1625nm)的色散補(bǔ)償。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖色散裁剪特性

　　3.良好的非線性特性

　　高非線性光子晶體光纖的非線性系數(shù)是普通石英單模光纖的幾十至幾百倍，可以高達(dá)245W-1.km-1。因此，在光子晶體光纖中不需要超快飛秒脈沖，所用脈沖泵浦的峰值功率可以低到次千瓦量級(jí)，這比常規(guī)光纖所需的功率低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，在此情況下就可以產(chǎn)生較大的非線性頻率變換和雙倍程(400nm～1600nm)的超連續(xù)光譜(如圖3)。另外，光子晶體光纖的色散特性具有較大的設(shè)計(jì)靈活性，保持包層內(nèi)空氣孔間距不變而增大空氣的填充比例就可以減小纖芯面積從而增強(qiáng)非線性效應(yīng)，同時(shí)纖芯和包層之間極大的折射率差使得波導(dǎo)色散增大，結(jié)果零色散波長(zhǎng)可以移至短波長(zhǎng)波段(670nm～880nm)，使得這些光纖特別適合采用摻鈦藍(lán)寶石激光或Nd3+泵浦激光光源的超連續(xù)光發(fā)生器。

圖3 非線性光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續(xù)光譜

　　4.獨(dú)特的光子帶隙特性

　　更為神奇的是，光子晶體光纖還有一神奇的“變種”。如果去除光子晶體光纖的實(shí)心纖芯，換成“空心”就形成了類似于宇宙“蟲(chóng)洞”的時(shí)光隧道，大大減小了光纖傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)、色散和損耗，可用于大功率激光傳輸、新型通信及光纖傳感，圖4是一種空心帶隙型光子晶體光纖。

圖4 空心帶隙型光子晶體光纖端面

　　5.良好的耐輻照特性

　　光子晶體光纖的纖芯可以不摻雜，實(shí)現(xiàn)純二氧化硅的纖芯，因此該光纖可以具有很強(qiáng)的耐輻照性，在航空航天和光纖陀螺等領(lǐng)域有諸多應(yīng)用。其中摻鉺耐輻照光子晶體光纖采用空氣包層進(jìn)行設(shè)計(jì)，纖芯中摻鉺，但是不引入具備色心特性的金屬鍺元素，大大提升了其在太空中應(yīng)用的耐輻照可靠性。圖5是一種摻鉺光子晶體光纖，其在1530nm的吸收為2.5dB/m，內(nèi)包層數(shù)值孔徑0.50。

圖5 摻鉺耐輻照光子晶體光纖端面

　　6.大模場(chǎng)特性

　　采用光子晶體光纖技術(shù)制造雙包層摻鐿光纖可以解決大有效面積與單模傳輸?shù)拿?，它可以根?jù)激光器件的要求，設(shè)計(jì)制造纖芯摻雜濃度高、模場(chǎng)面積大、內(nèi)包層數(shù)值孔徑大，同時(shí)維持纖芯單模傳輸?shù)母咭蟆?/p>

　　雙包層摻鐿光子晶體光纖的基本原理就是：內(nèi)包層采用小占空比的空氣微孔點(diǎn)陣，實(shí)現(xiàn)纖芯的單模傳輸，既能夠?qū)崿F(xiàn)較大的模場(chǎng)面積，減小高功率激光傳輸形成的非線性效應(yīng)，又能夠?qū)崿F(xiàn)高光束質(zhì)量的激光輸出;外包層采用較大的空氣孔，形成較大的折射率反差，從而增大內(nèi)包層的數(shù)值孔徑，提高泵浦光耦合效率，其內(nèi)包層975nm的數(shù)值孔徑可以達(dá)到0.9。而且外包層中分布著較大的空氣孔，沒(méi)有光輻射到光纖的涂層上，大大地提高了該光纖激光器的散熱性能和耐熱性能。

　　C.D.Brooks等對(duì)纖芯直徑為100μm、內(nèi)包層直徑290μm、外包層直徑1.5mm摻鐿雙包層光子晶體光纖(如圖6)，進(jìn)行增益階段的主振蕩功率放大(MOPA)試驗(yàn)，獲得了峰值功率4.5MW的單橫模激光輸出，光譜線寬20GHz，光束質(zhì)量因子M2～1.3。該光纖是迄今為止報(bào)道的纖芯直徑最大的雙包層摻鐿光子晶體光纖。

圖6 超大模場(chǎng)的雙包層摻鐿光子晶體光纖的端面掃描

　　7.空分復(fù)用特性

　　光子晶體光纖具有靈活的空間排布工藝技術(shù)，可利用光子晶體復(fù)用光纖技術(shù)制造空分多芯光纖，如雙芯光纖、7芯光纖、19芯光纖等(如圖7)。Jun Sakaguchi等利用長(zhǎng)16.8km的7芯光纖、97路100GHz間隔的WDM波分復(fù)用通道、2路PDM傳輸86-Gb/s的QPSK信號(hào)，總速率達(dá)到109Tb/s。7芯光纖傳輸串?dāng)_很低，可以忽略不計(jì)。該實(shí)驗(yàn)首次突破了以往100Tbit/s的單纖傳輸容量限制，打破了原有的世界紀(jì)錄，顯現(xiàn)出作為未來(lái)大容量傳輸媒質(zhì)的多芯光纖巨大潛力。該研究團(tuán)隊(duì)采用19芯光纖傳輸高達(dá)305TB/s的信號(hào)。

圖7 3種多芯光子晶體光纖

　　光子晶體光纖的應(yīng)用前景

　　1.光子晶體光纖激光器

　　光纖激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光切割、激光焊接、激光鉆孔、激光雕刻、激光打標(biāo)、激光雷達(dá)、傳感技術(shù)和空間技術(shù)以及激光醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。國(guó)際上，摻鐿光纖激光器單根光纖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了9600W的單模激光功率輸出。2016年，我國(guó)摻鐿光纖激光器的單纖輸出激光功率達(dá)到5kW。常規(guī)摻鐿雙包層光纖利用摻雜實(shí)現(xiàn)光纖包層與纖芯之間的折射率差，使得維持單模傳輸?shù)睦w芯面積難以增加，限制了雙包層摻鐿光纖激光器性能的進(jìn)一步提高。

　　雙包層摻鐿光子晶體光纖的誕生，可以解決大有效面積與單模傳輸?shù)拿?，它可以根?jù)激光器件的要求，設(shè)計(jì)制造纖芯摻雜濃度高、模場(chǎng)面積大、內(nèi)包層數(shù)值孔徑大，同時(shí)維持纖芯單模傳輸?shù)母咭?，大大地提高了該光纖激光器的散熱性能和耐熱性能。2005年德國(guó)Jena公司采用雙包層摻鐿光子晶體光纖，單纖獲得了1530W的激光輸出。

　　2.光子晶體光纖放大器

　　鉺鐿共摻光子晶體光纖放大器是近年來(lái)光纖放大器的研究熱點(diǎn)，國(guó)外在該方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)應(yīng)用研究。Akira等將0.7nJ、700fs、47MHz、32mW的1557nm種子光注入到9米鉺鐿共摻雙包層光子晶體光纖，在7.1W的975nm泵浦光功率作用下，在1550nm獲得了100fs、74nJ、350mW的放大激光輸出，光束質(zhì)量因子M2小于1.05，表現(xiàn)出單橫模特性。該鉺鐿共摻雙包層光子晶體光纖的參數(shù)為：晶格常數(shù)Λ=22μm，占空比d/Λ=0.54，空氣外包層直徑222μm，纖芯Er3+和Yb3+的濃度分別為140ppm和2000ppm，模場(chǎng)直徑26μm，纖芯數(shù)值孔徑為0.04，內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.58，976nm泵浦吸收系數(shù)為1.6dB/m。

　　3.超連續(xù)光譜與新型光源

　　超連續(xù)譜(SC)是高功率密度脈沖激光通過(guò)非線性介質(zhì)產(chǎn)生的強(qiáng)烈光譜展寬，利用光脈沖在光子晶體光纖中的自相位調(diào)制(SPM)、受激喇曼散射(SRS)以及四波混頻(FWM)等非線性效應(yīng)，可使輸入脈沖展寬得到超連續(xù)譜，在超連續(xù)光譜中取出特定波長(zhǎng)的激光就可以制造不同波長(zhǎng)的新型光源。超連續(xù)譜光源在飛秒激光脈沖的相位穩(wěn)定、光學(xué)相干層析(OCT)、超短脈沖壓縮、激光光譜學(xué)和傳感技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

　　4.光開(kāi)關(guān)與傳感器

　　光子晶體光纖由于具有較高的非線性效應(yīng)，包括自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制等，利用該非線性效應(yīng)可以研制高速、偏振無(wú)關(guān)的高性能集成化微型全光開(kāi)關(guān)。全光開(kāi)關(guān)是波長(zhǎng)路由全光網(wǎng)絡(luò)和下一代光網(wǎng)絡(luò)的核心部件，P.Petropolous等提出基于光子晶體光纖自相位調(diào)制效應(yīng)的全光開(kāi)關(guān)方案，J.E.Sharping等提出基于光子晶體光纖的交叉相位調(diào)制效應(yīng)的全光開(kāi)關(guān)方案。

　　光子晶體光纖中分布著許多空氣微孔，將不同的液體、氣體、固體材料填充到空氣微孔中就可以制造出各種各樣的傳感器。Thomas Tanggaard等將液晶填充到PBG型光子晶體光纖的空氣微孔中，制造出一種全光傳感器件，該器件對(duì)溫度非常敏感，0.4℃的溫度變化就可以產(chǎn)生60dB的消光比，是一種較好的溫度傳感器件或光開(kāi)關(guān)。

　　5.光剎車(chē)與全光通信

　　為了實(shí)現(xiàn)高速全光通信，首先必須實(shí)現(xiàn)能夠光速控制與光的存儲(chǔ)。2005年1月，美國(guó)康奈爾(Cornell)大學(xué)的Yoshitomo Okawachi等首次利用光纖中受激布里淵散射(SBS)非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的慢光時(shí)延，通過(guò)調(diào)整泵浦激光波長(zhǎng)可以調(diào)節(jié)被時(shí)延的波長(zhǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦光的光強(qiáng)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)延的大小變化，試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了25ns的時(shí)延。

　　光纖中實(shí)現(xiàn)慢光是慢光研究歷史上的里程碑，它直接將慢光技術(shù)推向?qū)嶋H工程化應(yīng)用，充分發(fā)揮了光交換的快速高效特性。2007年12月，美國(guó)杜克(Duke)大學(xué)的Daniel J. Gauthier等在《Science》上發(fā)表論文，利用光纖中的受激布里淵散射(SBS)非線性效應(yīng)，成功進(jìn)行了慢光的讀寫(xiě)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了慢光的全光緩存技術(shù)，這是全光通信史上的重大技術(shù)突破，并且實(shí)現(xiàn)了6個(gè)歸一化脈沖時(shí)延，這是目前光纖SBS慢光的最大歸一化時(shí)延。

　　展望未來(lái)，光子晶體光纖將在如下幾個(gè)領(lǐng)域取得突破性應(yīng)用。

　　高速大容量長(zhǎng)途傳輸：光子晶體光纖具有靈活可裁剪色散特性，可以制造出色散平坦、大有效面積，同時(shí)具備無(wú)盡單模特性的光子晶體光纖，并且可以制造出少模光纖和多芯光纖，少模與多芯光子晶體光纖可望在Tbit/s超大容量的高速光纖通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

　　寬帶光源與波長(zhǎng)變換器件：超高非線性光子晶體光纖非線性系數(shù)是常規(guī)單模光纖的100倍以上，能夠?qū)崿F(xiàn)1000nm的超連續(xù)光譜，可以為光通信DWDM系統(tǒng)提供光源，節(jié)省大量激光光源成本;同時(shí)利用非線性實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)變化器件，其靈活性是其它非線性光纖器件無(wú)法比擬的，可以實(shí)現(xiàn)超跨度波長(zhǎng)變換。

　　光載微波保密通信：采用非線性光子晶體光纖與差頻技術(shù)，其保密功能非常強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)ROF通信。

　　高功率光纖激光器：采用光子晶體光纖技術(shù)制造的大模場(chǎng)摻稀土光子晶體光纖，具備良好的抗熱損傷能力，同時(shí)激光光束質(zhì)量好，空氣形成的內(nèi)包層數(shù)值孔徑較大，大大提高激光二極管與光纖的耦合效率，實(shí)現(xiàn)kW級(jí)激光輸出，在大功率切割焊接以及激光打標(biāo)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

　　慢光與光存儲(chǔ)：利用光子晶體光纖的超高非線性效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)光速減慢與光速控制，這為未來(lái)的光存儲(chǔ)與光交換奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也為全光通信提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新路徑。

　　光子晶體光纖具有普通光纖所不具備的各種新穎特性，其在光器件領(lǐng)域應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，光子晶體光纖靈活而善變的新奇特性給科研工作者提供了更為廣闊的想象與創(chuàng)新的空間，預(yù)示著微結(jié)構(gòu)光纖將會(huì)在光通信、光器件、光傳感、先進(jìn)激光等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

        （作者：江蘇亨通光纖科技有限公司 陳偉）