2.4.光子晶体光纤

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补充:光子晶体光纤
(PCF)
主要内容
光子晶体
 结构
 原理:光子带隙基础
 优点
光子晶体光纤(PCF)
PCF激光器
1 光子晶体
 E. Yablonovitch 和 S.John 在1987年分别独立地提出了
光子晶体的概念
 光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列形成的人工结
构。所谓晶体就是针对这种“周期性”而言的。
 根据“周期性”的维数,光子晶体也分为一维、二维和三维
的
1.1 结构
 下图是不同维数光子晶体的模型和实例
 光子晶体里重复结构(或称晶胞)的单元尺度是光波长
(μm)量级。通过巧妙的安排和设计光子晶体可以控制
光子流
第一块光子晶体
 1991年,Yablonovich 制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是
在折射率为3.6的材料上用机械方法钻出许多直径为1mm的孔,并呈
周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”,它可以阻止里面
的微波从任何方向传播出去。
自然界中的光子晶体结构
1.2 光子带隙基础
 理解光波在光子晶体中的传播行为的最简单方法,就是把
它与半导体内的电子和空穴的运动作一比较
能量E
导带
禁带
由缺陷或杂质在禁带中引起的能级
在半导体禁带中由缺陷或杂质引起的能级分布图
 当光子穿过一块含有一些排列成晶格结构的细微空气孔的
透明介电材料时,这种光学结构是带有空气孔的低折射率
区域散布在高折射率区中。
 对光子来说,这种折射率的差异,就像是电子穿越硅晶体
的周期电势的经历。如果两个区域的折射率差异较大,那
么光波将被限制在电介质材料或空气孔内。
 这一限制引起了在禁区中容许能量区的形成——称为光子
带隙(photonic band gap, PBG)
 可以通过布拉格反射来理解光子带隙的概念
λ
n  2d sin 
θ
d
当波长和周期结构的尺寸满足布拉格条件λ~2d 时,
该周期结构将反射入射波。其中d为周期常数。
 若有一束平面波入射到晶体上,大多数波长 λ 的光波在
晶体中传播时不被散射,而当 λ ~ 2d 时,由于布拉格反
射,光波无法在晶体中传播。
 即,某个波长范围的光子在这种结构中不能占据一个能量
状态。这些光子在该结构中是被禁止的,不能传播。这就
是光子带隙 PBG。
ω
带隙
k
1.3 优点Ⅰ
光子晶体可控制光子的运动,是光电集成、光子集成、光
通信的一种关键性基础材料。
1. 光子晶体波导具有优良的弯曲效应

一般的光纤波导中,波导拐弯时,全内反射条件不再有效,会
漏掉部分光波能量,使传输效率降低。而光子晶体弯曲波导
中,利用不同方向缺陷模共振匹配原理。原则上只要达到模式
匹配,不管拐多大弯,都能达到很高的传输效率。
1.3 优点Ⅱ
2. 能量传输基本无损失,也不会出现延迟等影响数据传输率
的现象
3. 光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带,可全波段传输
1.4 应用
 光子晶体的光子带隙的存在使它具有很重要的应用背景。
可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件
1. 高性能反射镜
•
频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中转
播,因此,选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反
射从任何方向入射的光,反射率几乎为100%
•
而传统的金属反射镜虽然在较大的波段内可以反射光,但在
红外波段有较大的吸收
•
如果把这种光子晶体反射镜用作平面天线的衬底,可以解决
衬底透射的问题
2. 光子晶体波导
• 传统的介电波导可以支持直线传播光,但在拐角处会损失能量
• 光子晶体波导不仅对直线路径,而且对转角都有很高的效率
• 这对于光学器件的集成非常有意义
3. 光子晶体微腔
• 在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态
• 这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子,这种光子晶体制成
的微腔比传统的微腔优异得多
• 用它制作的微腔激光器的体积可以非常小
4. 光子晶体光纤
• 在传统的光纤中,光在中心的氧化硅纤芯里传播
• 通常采取掺杂的办法提高其折射系数,以增加传输效率,但不
同的掺杂物只能对一种频率的光有效
• 英国Bath大学的研究人员用几百个传统氧化硅棒和氧化硅毛
细管一次绑在一起组成六角阵列,在 2000 度高温下烧结后制
成了二维光子晶体光纤。在光纤的中心可以人为地引入空气孔
作为导光通道,也可以用固体硅作为导光介质 —— PCF
• 光子晶体光纤在两个方面明显优于传统的光纤
– 在很宽的频率范围内支持单模运行
– 可以传输更大功率
5. 光子晶体超棱镜
• 常规的棱镜难以分开波长相近的光
• 用光子晶体制成的超棱镜,分光的能力比常规棱镜大100 到
1000 倍,而体积只有常规棱镜的百分之一大小
• 这对光通信中的信息处理有很重要的意义
6. 光子晶体偏振器
• 用二维光子晶体制作的偏振器具有传统的偏振器没有的优点
– 工作频率范围大
– 体积小
– 易于集成,很容易在硅片上集成或在硅基上制成
 光子晶体还有许多其它应用背景,如无阈值激光器、
光开关、光放大、滤波器等新型器件
 随着对光子晶体的许多新的物理现象的深入了解和光
子晶体制作技术的改进,光子晶体更多的用途将会被
发现
2 光子晶体光纤(PCF)
一些研究者将光子晶体用于光波导,并在1992年
提出了光子晶体光纤的概念
在1996年光纤通信会议(OFC)上,发布了实用样
品“无限长的单模光子晶体光纤”
其制作是用具有内部周期结构的充满空气的毛细
管拉制而成光纤,最终形成六角形晶格
2.1 特性
将光纤和光子晶体的特性相结合,可以得到传统
光纤达不到的一系列独特性质
具有非常严格的设计原则:
 为了得到单模运转,要受到限定芯径,模的截止波
长,有限的材料选择(芯材玻璃与包层材玻璃的热特
性必须相同)等方面的限制
有两个基本特性与传统光纤十分不同
两个基本特性
1. 微结构的二维特性
2. 两种物质相(石英和空气)的折射率对比度比传
统光纤技术中的对比度高约2个数量级
 传统光纤局限于非常小的芯区与包层的折射率差(约
1.48:1.46);而PCF中,这种折射率差非常大(约
1.00:1.46),并且可以任意组合以适应特殊应用
2.2 两种光子晶体光纤结构
中心缺一个气孔,为实芯
中心为大的气孔
 高折射率导波光纤
 类似于标准的全内反射传导,根据修正的全内反射原理,在实心
中传导光波
 低折射率导波光纤——光子带隙型光纤
 由光子带隙效应传导光波
 光子带隙效应使光波不可能在微结构包层区传播,只能沿低折射
率的芯传播
 由于有一定角度的光子带隙结构阻止了其他模的传输,所以可以
得到单模传输
红色区域:高折射率介质
蓝色区域:低折射率介质
白色区域:空气
2.3 PCF的制作
1mm
20mm
1800℃
0.1mm
SEM micrographs of PCF
4μm
直径5μm
from en.wikipedia.org
PCF制作的技术难题
 因为要控制温度和拉伸速度等宏观参数来得到微观尺寸的
结构,制作满足所要求的传输特性的PCF是一个相当困难
的技术问题
 变形气孔的存在
 多余孔的出现
 结构对称性的偏离
2.4 光子晶体光纤特性
光子晶体光纤具有新颖而有趣的光学特性,其新
颖性包括:
 可见光波段的反常色散
 全波段的单模传输
 很高的光学非线性
下面分别讨论两种光子晶体光纤的性质
Ⅰ 折射率导波型PCF的特性
 可以用有效折射率模型定性地理解折射率导波型PCF的基本性质,如图
实心的光子晶体光纤结构
等价的传统光纤结构
普通光纤的芯区和包层折射率之差对于不同频率是常数;但对于
PCF,短波长的光能够更有效地避开气孔,因此其包层有效折射率在
短波长极限处更接近于基质材料的折射率。
对于上图所示的石英光纤,如果气孔直径和气孔间距的比值小于0.4,
则光纤对于所有波长都是单模的,这一点在常规光纤中是无法实现
 宽波长范围的单模运转
 普通光纤,导模数目由V 参数决定,在长波长是单模运转的光纤,
在短波长事实上是多模的
 PCF可以在337~1555nm的范围内实现单模运转
 这是因为,有效折射率可以看作是包层的平均折射率,同时要考
虑光在包层中的强度分布;在短波长光场较集中于SiO2区,避开
了气孔区,这样就提高了有效折射率,降低了V对波长的依赖关系,
从而有可能扩展单模运转的波长范围
 对前面的例子,只要 d/Λ<0.45,就能在所有波长下单模运转
 PCF的色散控制
 由于石英和空气的折射率对比度很大,气孔的大小和排列方式可
以灵活地变化,和普通光纤相比,PCF能够在更大的范围内对色
散进行控制
 例如,小心控制光纤中的气孔大小和空间距离,可设计出令人惊
异的色散曲线,使光纤在通信频带中几百纳米波长范围内,色散
D<0.5ps/(nm·km),从而大大减小由色散造成的脉冲展宽
 高非线性PCF
 加大气孔和(或)减小光纤直径,迫使光进入气孔中,可获得比
常规光纤大很多的有效折射率对比
 用这种方法可以获得很强的模式限制,使芯区的强场导致非线性
效应的增强
 因为非线性实验对光纤色散有特定的要求,因此,PCF特别适合
于制作非线性光纤器件
 大模面积PCF
 通常的光纤如果要运转在单模区,对芯的直径和数值孔径有很强
的限制;对任意波长和芯径大小存在一个最大的N.A.,低于这个
最大值,光纤的单模运转才成为可能
N . A.  n12  n22  n1 2
 PCF芯和包层之间的折射率差很大,使得有可能制造出大芯径的
单模光纤;通过增加光子晶体中包层晶格的大小、减小气孔的半
径或增大包层中缺陷的大小,可以控制大的模面积;可能比传统
光纤大十几倍,达到150μm2
 这种光纤的优点在于非常低的非线性因子和非常高的损伤阈值,
可用于高功率传输或对于线性要求非常高的电信领域
 高数值孔径PCF
N . A.  nc2  ncl2
 SiO2和空气的折射率之比很大,因而有可能制造出N.A.>0.7的大
数值孔径多模光子晶体光纤,可用于对信号失真要求不严格的高
功率的聚光和传输
 一个非常重要的应用是制造双包层光纤激光器和放大器
 超连续谱的产生
 超连续谱的产生是一个复杂的非线性效应
 当超短高功率脉冲在材料中传输时,由于一系列的非线性效应,
其频谱有巨大的展宽
 超连续包含有上百万个单独频率,
频率间隔由泵浦激光器的重复率精
确分开。形成的频率阶梯可用作进
行频率测量的高精度标尺,称为光
学频率梳。用这种“频率梳”对光
频的测量精度高达 5.1×10-16
Ⅱ 光子带隙型PCF的特性
 在一个二维散射体阵列(如空气孔)中,如果散射体和基
体材料的折射率之比足够大,由于干涉效应,在一定的频
率范围内,在该平面的所有方向的传播将被禁止,这些频
率窗口即光子带隙(PBG)。光子带隙结构可能将辐射陷
在散射中心晶格的点或线缺陷上
 在这里,石英和空气的折射率之比还是太小,导致至少在
周期结构中平面内传播的波不能产生光子带隙效应
 但是在PCF中,如果纵向波矢(即光纤中的传播常数)足
够大时,在横向上即使很小的折射率阶跃也能成为有效的
散射中心
 因此,对于给定的足够大的传播常数,在石英/空气结构
中可能存在禁止频率范围——光子带隙
 或者说,对于给定的频率,某些传播常数是不允许的
与折射率导波型PCF相比的不同
1. PBG光纤是在低折射率材料中传导光波
2. 折射率导波型光子晶体光纤通常对所有频率有导
模,而PBG光纤只在特定频带中传导,而且当
基模不传导时,可能存在某些传导高阶模的频率
参考资料:
 宋菲君,羊国光,余金中. 信息光子学物理. 北京:北京大
学出版社. 2006.
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