折射率導(dǎo)引型光子晶體光纖特性及應(yīng)用

1、無截止單模

第一根實心光子晶體光纖與圖1.1非常相似，由一個三角形晶格的空氣孔構(gòu)成，其中空氣孔的直徑d≈300nm，孔間距=2.3μm。這種光纖在實驗中似乎從未顯示出多模特性，即使對于短波長也是如此。Ressell已經(jīng)解釋了可以通過將光纖中這些空氣孔晶格比作模式濾波器或“篩子”用來理解光子晶體光纖所具有的這種獨特的無截止單模特性。對于三角形光子晶體光纖的深入研究表明：當(dāng)d/Λ《0.4時，三角形光子晶體光纖就成為無截止單模光纖，即光纖對于任意波長均呈現(xiàn)單模特性。在該條件下，纖芯尺寸或空氣孔的間距決定了光纖的零色散波長、模場直徑（MFD）和數(shù)值孔徑（NA）。

2、大模場面積大數(shù)值孔徑

大模場面積光纖是解決光纖激光器功率提升面臨的非線性效應(yīng)及光纖損傷的一種最直接有效的途徑。然而，為保證輸出激光的光束質(zhì)量，在要求大模場面積（LMA）的同時，必須使光纖能夠單模運轉(zhuǎn)。而傳統(tǒng)的單模光纖的纖芯直徑很小，難以實現(xiàn)大模場面積；增大纖芯直徑則不可避免地會造成多橫模競爭，影響輸出光束質(zhì)量。光子晶體光纖無截止單模的特性使得光子晶體光纖被制作成大模場光纖成為可能，在保證單模傳輸?shù)那疤嵯拢m當(dāng)改變纖芯尺寸或空氣孔的間距即可得到更大的模場直徑（MFD）和數(shù)值孔徑（NA）。因此，光子晶體光纖可實現(xiàn)單模大模場面積，在保證激光傳輸質(zhì)量的同時，顯著降低光纖中的激光功率密度，減小光纖中的非線性效應(yīng)，提高光纖材料的損傷閾值；其次，光子晶體光纖可以實現(xiàn)較大的內(nèi)包層數(shù)值孔徑，從而提高抽運光的耦合效率，可采用長度相對較短的光纖實現(xiàn)高功率輸出。

如圖1.2所示為空氣包層光子晶體光纖，由于光纖中具有較大的硅脊寬度和空氣包層，這些特點導(dǎo)致光纖的纖芯和包層之間的折射率差極大地提高，這也就決定了光纖具有很大的數(shù)值孔徑。

圖1.2空氣包層光子晶體光纖橫截面顯微圖

3、色散控制

在光子晶體光纖中，光纖色散可以被控制和以空前的自由度進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果不斷增大光子晶體光纖的空氣孔，其纖芯就會變得越來越孤立，如果將整個光纖的結(jié)構(gòu)做的非常小，其零色散波長就會被轉(zhuǎn)移到可見光波段；相反的，在空氣孔較小的光子晶體光纖中，光纖具有較低的空氣填充比，此光纖可在一些特定的波長范圍內(nèi)具有非常平坦的光纖色散曲線。

4、超高非線性特性

實心光子晶體光纖的重要特點是通過增大光纖的空氣孔，或者減小纖芯的尺寸，光纖中可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)光纖大的多的有效折射率差，此時，光波會被約束在光纖的硅纖芯中，這樣可以起到對導(dǎo)波模式很強(qiáng)的限制作用。如此可在光纖的纖芯中聚集很高的光場強(qiáng)，這樣就增強(qiáng)了光纖的非線性效應(yīng)。而且，光子晶體光纖可用來制作具有所需色散特性的非線性光纖器件。目前這是光子晶體光纖最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1.4適用于產(chǎn)生超連續(xù)譜的光子晶體光纖橫截面顯微圖

一個重要的例子是產(chǎn)生超連續(xù)譜，即通過高功率的光脈沖在非線性介質(zhì)中傳輸來產(chǎn)生寬帶超連續(xù)譜。超連續(xù)譜并非指某種特別的現(xiàn)象，實際上是指各種非線性效應(yīng)，它們共同導(dǎo)致了非常大的光頻譜展寬。超連續(xù)譜產(chǎn)生的決定因素是非線性介質(zhì)的色散，通過適當(dāng)?shù)纳⑻匦栽O(shè)計能夠明顯的降低超連續(xù)譜的功率要求。

5、高雙折射

光子晶體光纖與傳統(tǒng)的保偏光纖（蝴蝶結(jié)形、橢圓形、熊貓形）不同，這些傳統(tǒng)保偏光纖中至少使用了兩種不同的玻璃材料，而每種材料的熱膨脹系數(shù)不同，因此存在溫度敏感的問題；而光子晶體光纖所能獲得的雙折射特性對溫度極不敏感，這是許多領(lǐng)域都需的一個重要特征。

圖1.5保偏光子晶體光纖橫截面顯微圖