折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)類型與機理

折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)類型與機理

前言：光子晶體光纖（photonic crystal Fiber，PCF）的概念。與普通光纖是由包層與纖芯兩種介質(zhì)組成向類比，光子晶體光纖通常是由單一介質(zhì)構(gòu)成的，其包層周期性地規(guī)則對稱分布著具有波長量級的空氣孔陣列，包層外為涂覆層。因此，也可以稱其為“多孔光纖”（Holey Fiber）或“微結(jié)構(gòu)光纖”（Microstructure Fiber）。光纖的中心，即被空氣孔陣列包層包圍的纖芯部位，可以視為周期結(jié)構(gòu)陣列中存在的“缺陷”。

光子晶體光纖的微結(jié)構(gòu)特性主要由三個參量決定，即空氣孔的直徑d，相鄰兩孔之間的距離Δ，以及纖芯的直徑D。光子晶體光纖的這種微結(jié)構(gòu)特定決定了它與傳統(tǒng)光纖的特性有很大差異。

一、光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)類型、機理與特性

根據(jù)纖芯缺陷部位的介質(zhì)情況，可以將光子晶體光纖區(qū)分為兩類：纖芯可以是實心的，即與包層介質(zhì)相同，稱其為折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖。這種光子晶體光纖可視為由許多石英芯的細微管按照設(shè)計要求的六角形等做規(guī)則排列，纖芯缺陷處插入實心細石英棒，而后在高溫下通過數(shù)次復(fù)絲拉伸獲得；纖芯也可以是空心的（即為空氣孔），稱其為光子帶隙引導(dǎo)型光子晶體光纖。

圖1.折射率引導(dǎo)型光纖晶體光纖

折射率引導(dǎo)型PCF的傳光機理，與傳統(tǒng)階躍光纖的纖芯與包層界面處全反射的傳光機理類似。纖芯為石英材料，其折射率為n1；包層則為由石英材料和空氣孔構(gòu)成的二維光子晶體，其多孔的陣列結(jié)構(gòu)有效地降低了包層的平均折射率（包層折射率可視為石英與空氣折射率的平均，并以空氣填充率加權(quán)），因而包層材料的有效折射率neff低于纖芯n1,即neff＜n1，其折射率差構(gòu)成了與傳統(tǒng)階躍光纖類同的內(nèi)反射傳光機理。為此，又稱之為內(nèi)全反射（Total Internal Reflection）PCF，簡稱TIR-PCF。

圖2.折射率引導(dǎo)型光纖晶體光纖特征參數(shù)

由于PCF的特殊結(jié)構(gòu)，使之具有一些常規(guī)光纖難以具有的特性。對于普通的階躍折射率光纖，滿足單模傳輸?shù)臈l件是對于給定的光纖，對應(yīng)著一個特定的波長，只有當(dāng)工作波長時，才能保證單模傳輸；而對于光子晶體光纖，V參數(shù)同樣可以用來判斷PCF中的模式。但不同的是，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，如調(diào)節(jié)占空比，孔徑大小等可以使包層的有效折射率neff在一個很大的變化范圍內(nèi)得到改變，而不再是常數(shù)。例如，可以獲得較大的相對折射率差Δ，其值甚至可超過常規(guī)光纖（約0.01）一個數(shù)量級以上。另一方面隨著波長的減小，光場越來越集中在折射率高（n1）的纖芯中，這相當(dāng)于等效地提高了包層折射率neff，從而有效地減小了纖芯與包層之間的折射率差Δ，使得歸一化頻率V趨于恒定值，因而使之能在更大的波長范圍內(nèi)滿足單模傳輸條件。這表明，當(dāng)空氣孔直徑d與空氣孔間距Δ之比d/Δ＜0.15時，光子晶體光纖對任意波長的光（從紫外到紅外的全波長范圍內(nèi)），均可保證單模傳輸。此即重要的PCF無截止的單模傳輸特性。這一特性具有重要的意義。

二、具體應(yīng)用

例如，由于上述結(jié)論中不涉及PCF的纖芯直徑D，即與光子晶體光纖的纖芯直徑無關(guān)。這就意味著當(dāng)我們將光子晶體光纖用于激光，特別是飛秒激光的產(chǎn)生、放大和傳輸時，可以將纖芯做得較大。從而在保證單模傳輸和光束質(zhì)量的情況下，不僅大大提高其能夠承受的平均功率，而且大大減小了因非線性效應(yīng)對飛秒激光峰值功率的限制。此即高功率非低線性的應(yīng)用。正因為如此，用大模場光子晶體光纖研制的飛秒激光振蕩級可輸出高達10 W的平均功率而沒有脈沖分裂，放大器輸出功率高達數(shù)百瓦而能保持高質(zhì)量的單模輸出。

結(jié)語：目前，大模場光子晶體光纖的纖芯直徑已經(jīng)接近100 um，平均功率數(shù)百瓦的單模高光束質(zhì)量的飛秒激光放大系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)；也可將纖芯面積做得很小，從而可以極大地提高泵浦效率。

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