光子晶體光纖的導(dǎo)光原理和制作

傳統(tǒng)的光纖是根據(jù)全內(nèi)反射機(jī)制傳導(dǎo)光。因此它要求光纖的纖芯必須具有高于包層的折射率。這種光纖已經(jīng)在光通信中起到了重要作用。但很難向大容量和遠(yuǎn)距離通信的方向發(fā)展。其主要原因是光纖中的光能損耗和色散。因此。消除色散和降低損耗成為光纖技術(shù)努力的方向。色散可以分為模式色散-材料色散和波導(dǎo)色散。其中。模式色散可以通過(guò)單模光纖來(lái)克服；材料色散是由所用介質(zhì)材料引起的；單模光纖的波導(dǎo)色散取決于波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。如光纖剖面的折射率分布-纖芯直徑等。

在光纖長(zhǎng)距離傳輸光信息的過(guò)程中。要求損耗盡可能少。光纖中光能損耗主要來(lái)源于吸收損耗和散射損耗。其中。吸收損耗包括本征吸收和雜質(zhì)（如氫氧根離子）引起的選擇吸收；散射損耗包括瑞利散射。光纖結(jié)構(gòu)不完善和材料中缺陷引起的散射。從硅玻璃光纖的光學(xué)損耗和波長(zhǎng)關(guān)系得到了在；1.3μm和；1.55μm處分別有損耗極小值。目前已經(jīng)作為通信的兩個(gè)窗口。因此。研制能夠克服傳統(tǒng)光纖弱點(diǎn)的新一代光纖成為目前光電子器件發(fā)展的主要方向之一。

圖1.傳統(tǒng)光波導(dǎo)

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究和探索。光子禁帶的概念終于在1987年被提出。光子禁帶是直接類(lèi)比電子禁帶的結(jié)果，它是指通過(guò)人工設(shè)計(jì)作出類(lèi)比于電子禁帶結(jié)構(gòu)的材料來(lái)阻止光子的傳播。這種類(lèi)比電子禁帶結(jié)構(gòu)的人工合成材料在某一能量范圍內(nèi)光子不能通過(guò)光子禁帶晶體（簡(jiǎn)稱(chēng)光子晶體），或者說(shuō)在光子晶體內(nèi)部產(chǎn)生的光不能傳播。換句話(huà)說(shuō)，光子晶體就是通過(guò)人工制造方法，使其晶體材料具有類(lèi)似于半導(dǎo)體硅和其他半導(dǎo)體中相鄰原子所具備的周期性結(jié)構(gòu)，只不過(guò)光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子禁帶晶體，其大小為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)。如果破壞光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)，便使光子晶體成為不完全的光子晶體。光子晶體光纖就是應(yīng)用這種不完全二維光子晶體延展為不完全三維光子晶體而成的。光子晶體具有光子帶隙和相應(yīng)于帶隙區(qū)域的那些頻率的光波不能在這種晶體中傳播，而被全部反射出去，這是因?yàn)檎凵渎实闹芷谛宰兓鸬搅硕嗑S衍射光柵的作用。由于布拉格衍射偏轉(zhuǎn)了光波的傳播方向，在二維光子晶體光纖中引入一個(gè)“缺陷”作為光纖的核心，其目的是無(wú)光能損耗地將光陷獲在光纖核心中。

1光子晶體光纖的導(dǎo)光原理

目前已經(jīng)報(bào)道的光子晶體光纖是由晶格常數(shù)為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的二維光子晶體構(gòu)成的，即規(guī)則排列的空氣孔的硅光纖陣列構(gòu)成光纖的包層。光纖的核心由一個(gè)破壞了包層結(jié)構(gòu)周期性的缺陷構(gòu)成。這個(gè)缺陷可以是固體硅，也可以是空氣孔。對(duì)于核心為空氣孔的情況，通過(guò)作為包層的二維光子晶體的布拉格衍射，一定波長(zhǎng)的光被陷獲在作為核心的空氣孔中。這種光子晶體光纖的導(dǎo)光機(jī)制是布拉格衍射，如圖2和圖3所示。光子帶隙導(dǎo)光使光纖設(shè)計(jì)更靈活。由于光子帶隙條件只依賴(lài)于包層的性質(zhì)，纖芯折射率可以自由選擇，有能力將光波限制在空纖芯中。對(duì)于核心為固體硅的情況，包層不存在光子帶隙，它的有效折射率是硅和空氣的體平均，它小于核心硅的折射率，所以這種光纖的導(dǎo)光機(jī)制一定是全內(nèi)反射。只要滿(mǎn)足全反射的條件，光完全可以局限在“纖芯”范圍內(nèi)傳播。

與全內(nèi)反射光纖相比，光子帶隙導(dǎo)向給予了額外的自由度。這種帶隙出現(xiàn)的條件有兩個(gè)：一是空氣孔的孔徑與孔間距的比值不小于0.4；二是精確控制氣孔的排列。因此，制作這種光子晶體在工藝上有較大難度。目前所報(bào)道的傳統(tǒng)的、低耗的光子晶體光纖都以全內(nèi)反射作為導(dǎo)光機(jī)制。

圖2.隧道被破壞的光子帶隙波導(dǎo)

圖3.布拉格光子晶體波導(dǎo)

2光子晶體光纖的制作

根據(jù)目前的報(bào)道，光子晶體的制作都要經(jīng)過(guò)拉伸、堆積和熔合等過(guò)程，如KnightJC等的制作方法：

（1）取一根直徑為30mm的石英棒，沿其軸線(xiàn)方向上鉆一條直徑為16mm的孔，隨后將石英棒研磨成一個(gè)正六棱柱；

（2）把該石英棒放在2000℃的光纖拉絲塔中，將它拉成直徑為0.8mm的細(xì)長(zhǎng)正六棱柱絲；

（3）把正六棱柱絲切成適當(dāng)長(zhǎng)度的若干段，然后堆積成需要的晶體結(jié)構(gòu)，再把它們放到拉絲塔中熔合、拉伸，使內(nèi)部空氣孔的間距減小到50μm左右，形成更細(xì)的石英絲；

（4）在以上工作的基礎(chǔ)上，把上述石英絲高溫拉伸，形成最后的光子晶體光纖。

4結(jié)束語(yǔ)

光子晶體光纖的潛在應(yīng)用包括超寬色散補(bǔ)償、短波長(zhǎng)光孤子傳輸/發(fā)生、光纖傳感、極短拍長(zhǎng)的偏振保持光纖、光子晶體天線(xiàn)、光學(xué)集成電路、超短脈沖激光器/放大器和光開(kāi)關(guān)；當(dāng)摻進(jìn)非線(xiàn)性介質(zhì)時(shí)，還可望用于光開(kāi)關(guān)、光限幅、光雙穩(wěn)和光倍頻等等。通過(guò)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和使用不同的材料，還會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的用途。

光子晶體光纖的出現(xiàn)，使光電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段?？梢灶A(yù)言，光子晶體光纖是有巨大潛力的產(chǎn)業(yè)。
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