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光子晶体光纤特性及应用 【摘要】光子晶体光纤以其特殊的传输机理和优异的性能，其应用领域正不断扩大，本文介绍了光子晶体光纤的概念、原理和分类，说明两种光子晶体光纤的结构，并讨论了光子晶体光纤的特性及相应的应用。 【关键词】光子晶体光纤；微结构光纤；光子带隙 1 概述 光子晶体可以认为是一种由折射率周期性变化而产生光子能带和带隙的物质。频率处于禁带范围内的光子不能在这种物质中传播，如在光子晶体中引入缺陷以破坏其周期性结构时，光子带隙就会形成具有一定频带宽度的缺陷区，与其对于的特定频率的光波可以在其中传播。这就是光子晶体概念的来源。 光子晶体光纤又称为微结构光纤是一种二维光子晶体，通常的结构为光纤的横截面内存在着很多按一定规律周期性排列的空气孔，这些孔的尺寸和光波的波长相当。如在周期性的结构中引入线缺陷，如改变孔径的大小，或以玻璃代替空气孔，便形成了光子晶体光纤结构，光可以沿着缺陷在光纤中传输。缺陷构成光子晶体光纤的纤芯，缺陷外的周期性结构便是光子晶体光纤的包层，光在缺陷内传播。光子晶体光纤是具有空洞的微列阵结构的光纤，被称为多孔光纤或微结构光纤。 光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应。 2 光子晶体光纤的结构 根据传光机制，光子晶体光纤可以分为两大类，全反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。 2.1全反射型光子晶体光纤的结构。全反射型光子晶体光纤和传统光纤的传光原理相似，利用光纤内部全反射（TIR）原理，使被传送的光能量在高折射率实体的“芯”中传播，周围规则排列的微结构做为低折射率的光学皮层，如图1和图2所示。 2.2光子带隙型光子晶体光纤结构。这种类型的光纤不是光的全反射原理，而是利用光子晶体的光子带隙效应（PBG），被传送的光被光子带隙限定在“芯”中，沿微结构方向传输。如图3和图4所示，光子带隙型光子晶体光纤的结构，中间空的部分是“芯”，周围规则排列的微结构区域是光纤的包层。 3 光子晶体光纤的特性 全反射型光子晶体光纤的传光机理和传统的光纤传光机理相同。是通过光纤内部的全反射原理在高折射率的“芯”区域进行光的传播。但与传统的光纤不同，光纤的皮层是空气，再加上光子晶体光纤中的小孔尺寸和传导光的波长相当或更小，这种机理称为修正的全内反射。光子带隙型光子晶体光纤的传光机理和传统光纤的传光机理不同，为光子带隙导光。虽然空孔中的空气的折射率比包层石英玻璃低，不能发生全内反射，但光子晶体中的光子带隙如同反射镜，使光在空气和石英的界面发生反射现象，使光在空心内传播。光子晶体光纤最显著的特性就是结构合理的光子晶体光纤具备在很宽的波长范围内，特别是短波长区，支持单模传输的能力，只要满足空气导孔足够小的条件，空气导孔孔径与孔间距之比不大于0.2，就具备宽带单模特性，其宽带单模特性与绝对尺寸无关，可以根据特定需要来设计光纤有效截面积。 由于光子晶体光纤可以由一种材料制成，因此光纤的纤芯和包层在力学和热学性能上可以做到完全匹配，从而可以在非常宽的波长范围内获得较大或稳定的色散。其主要特性是具有无截止单模特性、灵活的色度色散、良好的非线性效应、高双折射效应。 由于光子带隙型光子晶体光纤的芯是空的，其传输介质是空气，因此理论上它具有非常小的传输损耗，而且光在空气重传播可以大大降低非线性效应，从而提高拉曼散射、布里渊散射等非线性效应的激发阈值。若打破纤芯的对称结构，光子带隙型光子晶体光纤也可以产生非常高的双折射效应，可以制成保偏光纤。 4 光子晶体光纤的应用 光子晶体光纤的研究已取得重要进展，并逐步开始实用化。作为一种新型的功能光纤，目前光子晶体光纤的应用研究目前主要集中在光纤传输和光器件。光纤传输方面主要致力于降低光纤损耗、改进制造工艺，主要应用到光通信技术领域；光器件方面主要在于通过设计不同结构参数的光子晶体光纤，利用其无截止单模特性、色散特性、高非线性效应和高双折射率特性来设计制造不同性能的光学器件，如：高功率光纤激光器、光纤放大器、超连续光谱、色散补偿、光开关、光倍频、滤波器、波长变换器、孤子发生器、模式转换器、光纤偏振器、医疗、生物传感、光纤光栅等领域。 根据增益介质不同，基于光子晶体光纤的激光器件可分为两类，一类是采用活性介质，利用激发辐射实现光能放大，掺杂不同的稀土离子，可以实现不同的受激发辐射频谱，可实现不同波段的放大。另一类是基于光纤的非线性效应，利用受激色散机制实现光能的直接放大，光纤拉曼器件就属于此类。 光子晶体光纤其全新的结构和传光机制，具有优越的设计自由度和优异的传输性能为光纤应用提供了广阔的发展平台，也必将促进光子晶体光纤制造技术的进步。 本文来源：https://www.dywdw.cn/451a05d94593daef5ef7ba0d4a7302768e996f8a.html
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2022-12-15
