折射率導(dǎo)引型光子晶體光纖特性及應(yīng)用

1、無(wú)截止單模

第一根實(shí)心光子晶體光纖與圖1.1非常相似，由一個(gè)三角形晶格的空氣孔構(gòu)成，其中空氣孔的直徑d≈300nm，孔間距=2.3μm。這種光纖在實(shí)驗(yàn)中似乎從未顯示出多模特性，即使對(duì)于短波長(zhǎng)也是如此。Ressell已經(jīng)解釋了可以通過(guò)將光纖中這些空氣孔晶格比作模式濾波器或“篩子”用來(lái)理解光子晶體光纖所具有的這種獨(dú)特的無(wú)截止單模特性。對(duì)于三角形光子晶體光纖的深入研究表明：當(dāng)d/Λ《0.4時(shí)，三角形光子晶體光纖就成為無(wú)截止單模光纖，即光纖對(duì)于任意波長(zhǎng)均呈現(xiàn)單模特性。在該條件下，纖芯尺寸或空氣孔的間距決定了光纖的零色散波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑（MFD）和數(shù)值孔徑（NA）。

2、大模場(chǎng)面積大數(shù)值孔徑

大模場(chǎng)面積光纖是解決光纖激光器功率提升面臨的非線性效應(yīng)及光纖損傷的一種最直接有效的途徑。然而，為保證輸出激光的光束質(zhì)量，在要求大模場(chǎng)面積（LMA）的同時(shí)，必須使光纖能夠單模運(yùn)轉(zhuǎn)。而傳統(tǒng)的單模光纖的纖芯直徑很小，難以實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)面積；增大纖芯直徑則不可避免地會(huì)造成多橫模競(jìng)爭(zhēng)，影響輸出光束質(zhì)量。光子晶體光纖無(wú)截止單模的特性使得光子晶體光纖被制作成大模場(chǎng)光纖成為可能，在保證單模傳輸?shù)那疤嵯拢m當(dāng)改變纖芯尺寸或空氣孔的間距即可得到更大的模場(chǎng)直徑（MFD）和數(shù)值孔徑（NA）。因此，光子晶體光纖可實(shí)現(xiàn)單模大模場(chǎng)面積，在保證激光傳輸質(zhì)量的同時(shí)，顯著降低光纖中的激光功率密度，減小光纖中的非線性效應(yīng)，提高光纖材料的損傷閾值；其次，光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)較大的內(nèi)包層數(shù)值孔徑，從而提高抽運(yùn)光的耦合效率，可采用長(zhǎng)度相對(duì)較短的光纖實(shí)現(xiàn)高功率輸出。

如圖1.2所示為空氣包層光子晶體光纖，由于光纖中具有較大的硅脊寬度和空氣包層，這些特點(diǎn)導(dǎo)致光纖的纖芯和包層之間的折射率差極大地提高，這也就決定了光纖具有很大的數(shù)值孔徑。

圖1.2空氣包層光子晶體光纖橫截面顯微圖

3、色散控制

在光子晶體光纖中，光纖色散可以被控制和以空前的自由度進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果不斷增大光子晶體光纖的空氣孔，其纖芯就會(huì)變得越來(lái)越孤立，如果將整個(gè)光纖的結(jié)構(gòu)做的非常小，其零色散波長(zhǎng)就會(huì)被轉(zhuǎn)移到可見(jiàn)光波段；相反的，在空氣孔較小的光子晶體光纖中，光纖具有較低的空氣填充比，此光纖可在一些特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有非常平坦的光纖色散曲線。

4、超高非線性特性

實(shí)心光子晶體光纖的重要特點(diǎn)是通過(guò)增大光纖的空氣孔，或者減小纖芯的尺寸，光纖中可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)光纖大的多的有效折射率差，此時(shí)，光波會(huì)被約束在光纖的硅纖芯中，這樣可以起到對(duì)導(dǎo)波模式很強(qiáng)的限制作用。如此可在光纖的纖芯中聚集很高的光場(chǎng)強(qiáng)，這樣就增強(qiáng)了光纖的非線性效應(yīng)。而且，光子晶體光纖可用來(lái)制作具有所需色散特性的非線性光纖器件。目前這是光子晶體光纖最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1.4適用于產(chǎn)生超連續(xù)譜的光子晶體光纖橫截面顯微圖

一個(gè)重要的例子是產(chǎn)生超連續(xù)譜，即通過(guò)高功率的光脈沖在非線性介質(zhì)中傳輸來(lái)產(chǎn)生寬帶超連續(xù)譜。超連續(xù)譜并非指某種特別的現(xiàn)象，實(shí)際上是指各種非線性效應(yīng)，它們共同導(dǎo)致了非常大的光頻譜展寬。超連續(xù)譜產(chǎn)生的決定因素是非線性介質(zhì)的色散，通過(guò)適當(dāng)?shù)纳⑻匦栽O(shè)計(jì)能夠明顯的降低超連續(xù)譜的功率要求。

5、高雙折射

光子晶體光纖與傳統(tǒng)的保偏光纖（蝴蝶結(jié)形、橢圓形、熊貓形）不同，這些傳統(tǒng)保偏光纖中至少使用了兩種不同的玻璃材料，而每種材料的熱膨脹系數(shù)不同，因此存在溫度敏感的問(wèn)題；而光子晶體光纖所能獲得的雙折射特性對(duì)溫度極不敏感，這是許多領(lǐng)域都需的一個(gè)重要特征。

圖1.5保偏光子晶體光纖橫截面顯微圖