光子晶体光纤的导光原理和制作

传统的光纤是根据全内反射机制传导光。因此它要求光纤的纤芯必须具有高于包层的折射率。这种光纤已经在光通信中起到了重要作用。但很难向大容量和远距离通信的方向发展。其主要原因是光纤中的光能损耗和色散。因此。消除色散和降低损耗成为光纤技术努力的方向。色散可以分为模式色散-材料色散和波导色散。其中。模式色散可以通过单模光纤来克服；材料色散是由所用介质材料引起的；单模光纤的波导色散取决于波导的结构。如光纤剖面的折射率分布-纤芯直径等。

在光纤长距离传输光信息的过程中。要求损耗尽可能少。光纤中光能损耗主要来源于吸收损耗和散射损耗。其中。吸收损耗包括本征吸收和杂质（如氢氧根离子）引起的选择吸收；散射损耗包括瑞利散射。光纤结构不完善和材料中缺陷引起的散射。从硅玻璃光纤的光学损耗和波长关系得到了在；1.3μm和；1.55μm处分别有损耗极小值。目前已经作为通信的两个窗口。因此。研制能够克服传统光纤弱点的新一代光纤成为目前光电子器件发展的主要方向之一。

图1.传统光波导

经过数十年的研究和探索。光子禁带的概念终于在1987年被提出。光子禁带是直接类比电子禁带的结果，它是指通过人工设计作出类比于电子禁带结构的材料来阻止光子的传播。这种类比电子禁带结构的人工合成材料在某一能量范围内光子不能通过光子禁带晶体（简称光子晶体），或者说在光子晶体内部产生的光不能传播。换句话说，光子晶体就是通过人工制造方法，使其晶体材料具有类似于半导体硅和其他半导体中相邻原子所具备的周期性结构，只不过光子晶体的周期性结构的尺度远远大于电子禁带晶体，其大小为波长数量级。如果破坏光子晶体的周期性结构，便使光子晶体成为不完全的光子晶体。光子晶体光纤就是应用这种不完全二维光子晶体延展为不完全三维光子晶体而成的。光子晶体具有光子带隙和相应于带隙区域的那些频率的光波不能在这种晶体中传播，而被全部反射出去，这是因为折射率的周期性变化起到了多维衍射光栅的作用。由于布拉格衍射偏转了光波的传播方向，在二维光子晶体光纤中引入一个“缺陷”作为光纤的核心，其目的是无光能损耗地将光陷获在光纤核心中。

1光子晶体光纤的导光原理

目前已经报道的光子晶体光纤是由晶格常数为波长数量级的二维光子晶体构成的，即规则排列的空气孔的硅光纤阵列构成光纤的包层。光纤的核心由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成。这个缺陷可以是固体硅，也可以是空气孔。对于核心为空气孔的情况，通过作为包层的二维光子晶体的布拉格衍射，一定波长的光被陷获在作为核心的空气孔中。这种光子晶体光纤的导光机制是布拉格衍射，如图2和图3所示。光子带隙导光使光纤设计更灵活。由于光子带隙条件只依赖于包层的性质，纤芯折射率可以自由选择，有能力将光波限制在空纤芯中。对于核心为固体硅的情况，包层不存在光子带隙，它的有效折射率是硅和空气的体平均，它小于核心硅的折射率，所以这种光纤的导光机制一定是全内反射。只要满足全反射的条件，光完全可以局限在“纤芯”范围内传播。

与全内反射光纤相比，光子带隙导向给予了额外的自由度。这种带隙出现的条件有两个：一是空气孔的孔径与孔间距的比值不小于0.4；二是精确控制气孔的排列。因此，制作这种光子晶体在工艺上有较大难度。目前所报道的传统的、低耗的光子晶体光纤都以全内反射作为导光机制。

图2.隧道被破坏的光子带隙波导

图3.布拉格光子晶体波导

2光子晶体光纤的制作

根据目前的报道，光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程，如KnightJC等的制作方法：

（1）取一根直径为30mm的石英棒，沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔，随后将石英棒研磨成一个正六棱柱；

（2）把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中，将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱丝；

（3）把正六棱柱丝切成适当长度的若干段，然后堆积成需要的晶体结构，再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸，使内部空气孔的间距减小到50μm左右，形成更细的石英丝；

（4）在以上工作的基础上，把上述石英丝高温拉伸，形成最后的光子晶体光纤。

4结束语

光子晶体光纤的潜在应用包括超宽色散补偿、短波长光孤子传输/发生、光纤传感、极短拍长的偏振保持光纤、光子晶体天线、光学集成电路、超短脉冲激光器/放大器和光开关；当掺进非线性介质时，还可望用于光开关、光限幅、光双稳和光倍频等等。通过设计更加复杂的结构和使用不同的材料，还会发现更多的用途。

光子晶体光纤的出现，使光电子技术进入了一个新的发展阶段。可以预言，光子晶体光纤是有巨大潜力的产业。
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