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光子晶体光纤的特性及应用发展趋势


光纤在线编辑部  2017-06-22 08:50:04 综合整理 浏览次数
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光子晶体光纤的起源

    1992年P.St.J.Russel首次提出光子晶体光纤PCF的概念光子晶体光纤是指在垂直于光纤纵轴的横截平面内具有二维周期性的折射率结构并且这种二维周期性结构在光纤纵轴方向上不变的光纤光子晶体光纤最显著的特点是在光纤横截面上的周期性结构

    光子晶体光纤的结构与常规光纤迥然不同普通的光纤是由实体的纤芯和包层构成的而光子晶体光纤的包层由空气孔和石英构成空气孔在纤芯的外围以正六边形的样子规则排列石英-空气复合结构的光子晶体光纤大折射率反差高度可控制的周期性折射率变化为光的传导与控制提供了新的机理及途径光子晶体光纤具有许多独特而神奇的物理特性可控的非线性无尽单模特性可调节的奇异色散低弯曲损耗大模场等这些特性是常规石英单模光纤很难或无法实现的因此光子晶体光纤引起了科学工作者的浓厚兴趣并开展了深入的理论与试验研究

    1996年英国南安普顿大学光电子学研究中心J.C.Knight等在Opt.Lett.首次报道了所研制的实芯光子晶体光纤样品并将4个不同波长的光源注入1米长的该光纤中测试其近场与远场特性证实了光在光子晶体光纤中的传导特性1998年J.C.Knight等在Science首次报道光纤中的光子带隙导波效应?#20445;?#21457;现类似电子能带来的光子带隙效应并制备出光子带隙型光子晶体光纤1999年R.F.Cregan等在Science首次报道空气芯单模光子带隙光纤2003年P.St.J.Russel在Science发表光子晶体光纤的论?#27169;?#38416;述了光子晶体光纤的新颖特性与应用前景

光子晶体光纤的奇异特性

1超强的抗弯曲特性


    光子晶体光纤采用空气与石英玻璃复合的材料结构该结构可?#28304;?#24133;度提高纤芯与包层之间较大的折射率反差这种结构可以很好地将光波电磁场严格限制在光纤芯中图1是3种典型的不同结构的FTTH用光子晶体光纤


图1 3种不同结构的抗弯曲光子晶体光纤


    这种空气与石英复合结构的新型光纤具有很强的抗弯性其抗弯能力相比当前的G.657.B3光纤提升100倍以上弯曲半径可以降低到2毫米以下可以用于高端有线制导领域

2灵活的色散裁剪特性

    改变光子晶体光纤中的空气孔大小与间距光子晶体光纤的色散和色散斜率会急剧变化如实心光纤的零色散点在1300nm波长附近?#37096;?#20197;通过设?#24179;?#38646;色散点向长波长移动但是难以获得短波长的零色散光子晶体光纤就可以实现传统实心光纤无法实现的短波长零色散特性宽波段的色散平坦特性如图2以及超大负色散特性

    Huttunen等报道了一种具有高折射率纤芯的双芯光子晶体光纤色散系数为-59000ps/(nm.km)并且能够实现105nm的宽带色散补偿Huttunen还提出了一种有效面积为80m2内芯折射率为1.5外芯折射率为1.3859的双芯光子晶体光纤其1550nm的色散系数为-1600ps/(nm.km)补偿带宽达330nm可实现整个C+L波段1530nm1625nm的色散补偿


图2 不同结构的光子晶体光纤色散裁剪特性


3良好的非线性特性


    高非线性光子晶体光纤的非线性系数是普通石英单模光纤的几十?#33391;?#30334;倍可以高达245W-1.km-1因此在光子晶体光纤中不需要超快飞秒脉冲所用脉冲泵浦的峰值功率可以低到次千瓦量级这比常规光纤所需的功率低12个数量级在此情况下就可以产生较大的非线性频率变换和双倍程(400nm1600nm)的超连续光谱如图3另外光子晶体光纤的色散特性具有较大的设计灵活性保持包层内空气孔间距不变而增大空气的填充比例就可以减小纤芯面积从而增强非线性效应同时纤芯和包层之间极大的折射率差使得波导色散增大结果零色散波长可以移至短波长波段(670nm880nm使得这些光纤特别适合采用掺钛蓝宝石激光或Nd3+泵浦激光光源的超连续光发生器


图3 非线性光子晶体光纤产生的超连续光谱


4独特的光子带隙特性


    更为神奇的是光子晶体光纤还有一神奇的变种如果去除光子晶体光纤的实心纤芯换成空心就形成了类似于宇宙虫洞的时光隧道大大减小了光纤传输的非线性效应色散和损?#27169;?#21487;用于大功率激光传输新型通信及光纤传感图4是一种空心带隙型光子晶体光纤


图4 空心带隙型光子晶体光纤端面


5良好的?#22836;?#29031;特性


    光子晶体光纤的纤?#31350;?#20197;不掺杂实现纯二氧化硅的纤芯因此该光纤可以具有很强的?#22836;?#29031;性在航空航天和光纤陀螺等领域有诸多应用其中掺铒?#22836;?#29031;光子晶体光纤采用空气包层进行设计纤芯中掺铒但是不引入具备色心特性的金属锗元素大大提升了其在太空中应用的?#22836;?#29031;可靠性图5是一种掺铒光子晶体光纤其在1530nm的吸收为2.5dB/m内包层数值孔径0.50


图5 掺铒?#22836;?#29031;光子晶体光纤端面


6大模场特性


    采用光子晶体光纤技术制造双包层掺镱光纤可以解决大有效面积与单模传输的矛盾它可以根据激光器件的要求设计制造纤芯掺杂浓度高模场面积大内包层数值孔径大同时维持纤芯单模传输的高要求

    双包层掺镱光子晶体光纤的基本原理就是内包层采用小占空比的空气微孔点阵实现纤芯的单模传输既能够实现较大的模场面积减小高功率激光传输形成的非线性效应又能够实现高光束质量的激光输出外包层采用较大的空气孔形成较大的折射率反差从而增大内包层的数值孔径提高泵浦光耦合效率其内包层975nm的数值孔径可?#28304;?#21040;0.9而且外包层中分布着较大的空气孔没有光辐射到光纤的涂层上大大地提高了该光纤激光器的散热性能和耐热性能

    C.D.Brooks等对纤芯直径为100m内包层直径290m外包层直径1.5mm掺镱双包层光子晶体光纤如图6进?#24615;?#30410;阶段的主振荡功率放大MOPA试验获得了峰值功率4.5MW的单横模激光输出光谱线宽20GHz光束质量因子M21.3该光纤是迄今为止报道的纤芯直径最大的双包层掺镱光子晶体光纤


图6 超大模场的双包层掺镱光子晶体光纤的端面扫描


7空分复用特性


    光子晶体光纤具有灵活的空间排布工艺技术可利用光子晶体复用光纤技术制造空分多芯光纤如双芯光纤7芯光纤19芯光纤等如图7Jun Sakaguchi等利用长16.8km的7芯光纤97路100GHz间隔的WDM波分复用通道2路PDM传输86-Gb/s的QPSK信号总速率达到109Tb/s7芯光纤传输串扰很低可以忽略不计该实验首次突破了以往100Tbit/s的单纤传输容量限制打破了原有的世界纪录显现出作为未来大容量传输媒质的多芯光纤巨大潜力该研究团队采用19芯光纤传输高达305TB/s的信号


图7 3种多芯光子晶体光纤


光子晶体光纤的应用前景

1光子晶体光纤激光器


    光纤激光器已经广泛应用于激光切割激光?#38468;ӡ?#28608;光钻孔激光雕刻激光打标激光雷达传感技术和空间技术以及激光医学等领域国际上掺镱光纤激光器单根光纤已经实现了9600W的单模激光功率输出2016年我国掺镱光纤激光器的单纤输出激光功率达到5kW常规掺镱双包层光纤利用掺杂实现光纤包层与纤芯之间的折射率差使得维持单模传输的纤芯面积难以增加限制了双包层掺镱光纤激光器性能的进一步提高

    双包层掺镱光子晶体光纤的诞生可以解决大有效面积与单模传输的矛盾它可以根据激光器件的要求设计制造纤芯掺杂浓度高模场面积大内包层数值孔径大同时维持纤芯单模传输的高要求大大地提高了该光纤激光器的散热性能和耐热性能2005年德国Jena公司采用双包层掺镱光子晶体光纤单纤获得了1530W的激光输出

2光子晶体光纤放大器

    铒镱共掺光子晶体光纤放大器是近年来光纤放大器的研究热点国外在该方面进行了大量的基础应用研究Akira等将0.7nJ700fs47MHz32mW的1557nm种子光注入到9?#26368;?#38257;共掺双包层光子晶体光纤在7.1W的975nm泵浦光功率作用下在1550nm获得了100fs74nJ350mW的放大激光输出光束质量因子M2小于1.05表现出单横模特性该铒镱共掺双包层光子晶体光纤的参数为晶格常数22m占空比d/0.54空气外包层直径222m纤芯Er3+和Yb3+的浓度分别为140ppm和2000ppm模场直径26m纤芯数值孔径为0.04内包层数值孔径为0.58976nm泵浦吸收系数为1.6dB/m

3超连续光?#23376;?#26032;型光源
   
    超连续谱(SC)是高功率密度脉冲激光通过非线性介质产生的强烈光谱展宽利用光脉冲在光子晶体光纤中的自相位调制(SPM)受激喇曼散射(SRS)以及四波混频(FWM)等非线性效应可使输入脉冲展宽得到超连续谱在超连续光谱中取出特定波长的激光就可以制造不同波长的新型光源超连续谱光源在飞秒激光脉冲的相位稳定光学相干层析(OCT)超短脉冲压缩激光光谱学和传感技术等领域具有广泛的应用

4光开关与传感器

光子晶体光纤由于具有较高的非线性效应包括自相位调制交叉相位调制等利用该非线性效应可以研制高速偏振无关的高性能集成化微型全光开关光开关是波长路由全光网络和下一代光网络的核心部件P.Petropolous等提出基于光子晶体光纤自相位调制效应的全光开关方案J.E.Sharping等提出基于光子晶体光纤的交叉相位调制效应的全光开关方案

光子晶体光纤中分布着许多空气微孔将不同的液体气体固体材料填充到空气微孔中就可以制造出各?#25351;?#26679;的传感器Thomas Tanggaard等将液晶填充到PBG型光子晶体光纤的空气微孔中制造出一种全光传感器件该器件对温度非常敏感0.4的温度变化就可以产生60dB的消光比是一种较好的温度传感器件或光开关

5光刹车与全光通信
 
    为了实现高速全光通信首先必须实现能够光速控制与光的存储2005年1月美国?#30340;?#23572;Cornell大学的Yoshitomo Okawachi等首次利用光纤中受激布里渊散射SBS非线性效应实现了可调谐的慢光时延通过调整泵浦激光波长可以调节被时延的波长通过调节泵浦光的光强可以实现时延的大小变化试验中实现了25ns的时延

    光纤中实现慢光是慢光研究历史上的里程碑它直接将慢光技术推向?#23548;?#24037;程化应用充分发挥了光?#25442;?#30340;快速高效特性2007年12月美国杜克(Duke)大学的Daniel J. Gauthier等在Science上发表论?#27169;?#21033;用光纤中的受激布里渊散射SBS非线性效应成功进行了慢光的?#21015;?#35797;验实现了慢光的全光缓存技术这是全光通信史上的重大技术突破并且实现了6个归一化脉冲时延这是目前光纤SBS慢光的最大归一化时延

    展望未来光子晶体光纤将在如下几个领域取得突破性应用

    高速大容量长途传输光子晶体光纤具有灵活可裁剪色散特性可以制造出色散平坦大有效面积同时具备无尽单模特性的光子晶体光纤并且可以制造出少模光纤和多芯光纤少模与多芯光子晶体光纤可望在Tbit/s超大容量的高速光纤通信领域实现应用

    宽带光源与波长变换器件超高非线性光子晶体光纤非线性系数是常规单模光纤的100倍以上能够实现1000nm的超连续光谱可以为光通信DWDM?#20302;?#25552;供光源节省大量激光光源成本同时利用非线性实现的波长变化器件其灵活性是其它非线性光纤器件无法比拟的可以实现超跨度波长变换

    光载微波保密通信采用非线性光子晶体光纤与差频技术其保密功能非常强可以实现ROF通信

    高功率光纤激光器采用光子晶体光纤技术制造的大模场掺稀土光子晶体光纤具备良好的抗热损伤能力同时激光光束质量好空气形成的内包层数值孔径较大大大提高激光二极管与光纤的耦合效率实现kW级激光输出在大功率切割?#38468;?#20197;及激光打标等领域具有广泛应用

    慢光与光存储利用光子晶体光纤的超高非线性效应可以实现光速减慢与光速控制这为未来的光存储与光?#25442;?#22880;定了技术基础也为全光通信提供了技术实现的新路径

    光子晶体光纤具有普通光纤所不具备的各?#20013;?#39062;特性其在光器件领域应用远远不止这些光子晶体光纤灵活而善变的新奇特性给科研工作者提供了更为广阔的想象与创新的空间预示着微结构光纤将会在光通信光器件光传?#23567;?#20808;进激光等领域具有广泛的应用前景

作者?#33322;?#33487;亨通光纤科技有限公司 陈伟
来源通信世界全媒体
编辑Ray        

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