折射率引導型光子晶體光纖的結構類(lèi)型與機理

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(lèi)比，光子晶體光纖通常是由單一介質(zhì)構成的，其包層周期性地規則對稱(chēng)分布著(zhù)具有波長(cháng)量級的空氣孔陣列，包層外為涂覆層。因此，也可以稱(chēng)其為“多孔光纖"（Holey Fiber）或“微結構光纖"（Microstructure Fiber）。光纖的中心，即被空氣孔陣列包層包圍的纖芯部位，可以視為周期結構陣列中存在的“缺陷"。

光子晶體光纖的微結構特性主要由三個(gè)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構特定決定了它與傳統光纖的特性有很大差異。

一、光子晶體光纖的結構類(lèi)型、機理與特性

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

圖1.折射率引導型光纖晶體光纖

折射率引導型PCF的傳光機理，與傳統階躍光纖的纖芯與包層界面處全反射的傳光機理類(lèi)似。纖芯為石英材料，其折射率為包層則為由石英材料和空氣孔構成的二維光子晶體，其多孔的陣列結構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），因而包層材料的有效折射率低于纖芯即其折射率差構成了與傳統階躍光纖類(lèi)同的內反射傳光機理。為此，又稱(chēng)之為內全反射（Total Internal Reflection）PCF，簡(jiǎn)稱(chēng)TIR-PCF。

圖2.折射率引導型光纖晶體光纖特征參數

由于PCF的特殊結構，使之具有一些常規光纖難以具有的特性。對于普通的階躍折射率光纖，滿(mǎn)足單模傳輸的條件是對于給定的光纖，對應著(zhù)一個(gè)特定的波長(cháng) ，只有當工作波長(cháng)時(shí)，才能保證單模傳輸；而對于光子晶體光纖，V參數同樣可以用來(lái)判斷PCF中的模式。但不同的是，通過(guò)適當的結構設計，如調節占空比，孔徑大小等可以使包層的有效折射率在一個(gè)很大的變化范圍內得到改變，而不再是常數。例如，可以獲得較大的相對折射率差Δ，其值甚至可超過(guò)常規光纖（約0.01）一個(gè)數量級以上。另一方面隨著(zhù)波長(cháng)的減小，光場(chǎng)越來(lái)越集中在折射率高的纖芯中，這相當于等效地提高了包層折射率，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(cháng)范圍內滿(mǎn)足單模傳輸條件。這表明，當空氣孔直徑d與空氣孔間距Δ之比d/Δ＜0.15時(shí)，光子晶體光纖對任意波長(cháng)的光（從紫外到紅外的全波長(cháng)范圍內），均可保證單模傳輸。此即重要的PCF無(wú)截止的單模傳輸特性。這一特性具有重要的意義。

二、具體應用

例如，由于上述結論中不涉及PCF的纖芯直徑D，即與光子晶體光纖的纖芯直徑無(wú)關(guān)。這就意味著(zhù)當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(shí)，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(xiàn)性效應對飛秒激光峰值功率的限制。此即高功率非低線(xiàn)性的應用。正因為如此，用大模場(chǎng)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(méi)有脈沖分裂，放大器輸出功率高達數百瓦而能保持高質(zhì)量的單模輸出。

結語(yǔ)：目前，大模場(chǎng)光子晶體光纖的纖芯直徑已經(jīng)接近100 um，平均功率數百瓦的單模高光束質(zhì)量的飛秒激光放大系統已經(jīng)實(shí)現；也可將纖芯面積做得很小，從而可以極大地提高泵浦效率。

昊量光電公司推出低損耗（<4 dB/Km@1060/1550 nm）、全波段（350-1750 nm）單模、純硅纖芯光子晶體光纖（寬帶單模光纖），芯徑為9 um；包層直徑為125 um；同時(shí)我們可提供不同芯徑產(chǎn)品系列(6-20 um 可選)，zui高可達20 um，利于傳輸更高功率；主要應用于光纖傳輸。

上述參數均為標準品，我們還可以根據客戶(hù)的實(shí)際需求實(shí)現產(chǎn)品定制化服務(wù)！

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產(chǎn)品專(zhuān) 業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類(lèi)激光器、光電調制器、光學(xué)測量設備、光學(xué)元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫療、科學(xué)研究、國 防、量 子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客 戶(hù)提 供完整的設備安裝，培訓，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)，系統集成等服務(wù)。