光子晶体光纤论文

李显业  201141801069  青岛大学光信息科学与技术03

王浩   201141801080  青岛大学光信息科学与技术03

引言：光子晶体光纤是一种新颖光纤,用光子晶作的新型光纤较传统光纤具有显著的优势。本文主要介绍了光子晶体光纤的一些特性及分类，展望了光子晶体光纤的未来发展前景。

摘要：光子晶体   光子晶体光纤

正文：          一，光子晶体和光子晶体光纤简介

近年来，国家大力推动了信息化改革，光纤到户等一系列信息惠民工程得以逐渐实施，光纤也逐渐的走进了平常百姓的生活。

光纤技术目前被广泛用于通信，传感等领域，但是，目前广泛应用的均是单模石英光纤，光纤中心为石英玻璃构成的纤芯，周围为折射率稍低的皮层，也由石英玻璃构成，其传输机理为全反射。由于其具有传输宽带宽，低损耗，小体积，抗干扰等特点，目前已经被广泛应用。但是，石英光纤连接复杂，弯曲损耗大，纤芯直径小等原因，使其进一步发展面临很多局限性。

因此，早在上世纪90年代初，光子晶体光纤就被提出。光子晶体是一种具有周期性调制介电函数，且具有光子能带和带隙结构的一类人工材料。它具有奇特的光子传播状态的本领。在光子晶体中，具有和固体电子晶体相似的特性，表现出光禁带特性以及光局域特性，处于光禁带中的光不能在光子晶体中传播。利用禁带内光子不能在晶体内传播的性质可以制成光子晶体光纤，传统的光纤主要利用电磁波在介质交界处的全反射机制，在光纤转弯的地方出现一个很大的问题：当波导的曲率大于一定值时，会出现很大的能量损失，只有当转角的曲率半径远大于光波波长时，才能避免过多的能量损失。而在光子晶体中引入一线缺陷，如果线缺陷的频率落在光子带隙中，就会在其中引入一个光通道：光波导，当线缺陷为直线时，光波导也是直的，当线缺陷成一定角度时，光波导也成一定的角度。利用这一性能设计的光子晶体光纤能极大地减少光纤传输中能量的损失。

光子晶体光纤是在光子晶体的特性上发展出来的，它在外观上与普通光纤非常类似，但是它的内部结构却非常独特。它由一系列的细微的空气小孔组成，这种小孔贯穿了整根光纤，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。

二，光子晶体光纤的导光原理

第一种传输方式类似于传统的全反射方式，叫做膜筛。之所以叫做膜筛，是因为这个光导方式很容易让人联想到传统的筛子。中心的光子晶体光芯折射率大于旁边的空气小孔的折射率，所以光路可以发生全反射，由于小孔的大小比传导光的波长还小，光线并不能溢出，使光路被完全的在光芯中传播，进而达到传输信息的目的。

第二种传输方式是依靠的光发生连续散射返回纤芯。这种光纤的芯可以是中空的。虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播，光被在中心空芯之内传输。虽然在空芯光子晶体光纤中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。这种光子晶体光纤可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4。

三，光子晶体光纤的特性

1，无截止单模

普通单模光纤随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。而对于光子晶体光纤只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，便可在从蓝光到2μm的光波下单模传输，不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1550nm可达1～800μm2，目前已制成了680μm2的大模场光子晶体光纤，大约为常规光纤的10倍。小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器（利用高非线性光纤），低非线性通信用光纤，高光功率传输等。

2，不同的色度色散,

    真空中材料色散为零，空气中的材料色散也非常小，空气芯光子晶体光纤的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活，只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态，如零色散波长可移到短波长，从而在1300nm实现光弧子传输，因此具有优良性质的色散平坦光纤；各种非线性器件以及色散补偿光纤等应运而生。

3，极好的非线性效应双折射效应

普通光纤中出现的非线性效应是由于光纤单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。而在光子能隙导光光子晶体光纤中，可以通过增加光子晶体光纤纤芯空气孔直径来降低单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的。光子能隙导光的这个特性为制造大有效面积光子晶体光纤奠定了技术基础。

4，优良的双折射效应

在普通保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。在光子晶体光纤中，只需要破坏光子晶体光纤剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制成比普通保偏光纤高几个数量级的高双折射率光子晶体光纤保偏光纤。

5，较高的入射功率

    光子晶体光纤的全波长单模特性与光纤绝对尺寸无关，放大或缩小光纤照样可以保持单模传输，这表明可以根据需要来设计纤芯面积。据资料介绍，英国巴斯大学研究人员已经制作了工作在458nm，纤芯直径是23μｍ的单模光子晶体光纤。其纤芯面积大约是传统光纤纤芯面积10倍左右，用于高功率传输时，不会出现非线性效应。

6，光子晶体光纤的非线性现象,

    减小光纤模场面积，可增强非线性效应，从而使光子晶体光纤同时具有强非线性和快速响应特性。常规光纤有效截面积在50－100μｍ量级，而光子晶体光纤可以做到1μｍ量级，所以各种典型非线性光纤器件如科尔光闸、非线性环形镜等就可以做成比普通光纤短100倍。通过改变孔间距可以调节有效模场面积，调节范围在1.5μｍ波长处约为1－800μｍ。在孔中可以装载气体，也可以装载低折射率液体，从而使光子晶体光纤具有可控制的非线性。

 7，易于实现多芯传输,

    多芯传输有以下两个优点：一是提高了信道通信的容量，二是解决了单芯难以胜任的复杂通信网络、矢量弯曲传感、光纤耦合等问题。光子晶体光纤使得多芯的结构能被精确定位且具有良好的轴向均匀性，无须附加其他工艺。

三，光子晶体光纤的发展前景

1，极大膜场光纤

单模光子晶体光纤可以把纤芯区域做的很大。在传统光纤中，怎样控制纤芯和包层之间的大小了单模光纤纤芯的大小。但是在光子晶体光纤中，无论整个结构的尺寸有多大，只要保证孔直径和间隔比率足够小就可以了！因此，可以制作极大模场的光子晶体光纤。

2，偏振控制

通过合理的对纤芯周围的尺寸和分布状态进行调整，传输模式发生双折射，也使光因为偏振态的不同以不同的速度进行传播。光线在光纤中传播保持其偏振状态不变，根据此原理可以进行偏振控制。

3，无损光纤

空芯光子晶体光纤在所有光纤中最具备突破现在运用的电讯信号的潜能。在一条空芯光子晶体光纤中，没有任何固体物质意味着非线性的效应被完全消除了，这就表示更高的能量可以在无干扰的情况下传导。这样基本上完全消除非线性效应的影响使得横跨大西洋的信号传输可以不再需要放大器，同时还能获得很高的系统可靠性并且很大地降低了设备和安装成本。

四，光子晶体光纤目前存在的问题

光子晶体光纤全新的结构和导光机制，优越的光导等一系列给光纤通信及相关领域提供了一个广阔的发展平台，光子晶体光纤技术必将为光子技术带来深刻的变化。然而光子晶体光纤的研究才刚刚起步，许多方面还不成熟，有许多问题尚待解决。 

首先，目前光子晶体光纤的损耗还比较高，虽然在理论上光子晶体光纤的损耗值可以降到低于普通单模光纤的水平，即在1 55Ohm处低于0.2dB／km，但目前光子晶体光纤的损耗水平被在了ldB／km左右或更高的水平上。因此光子晶体光纤在实际用于长距离光纤通信之前还有许多工艺上的问题必须解决。 

其次，由于光子晶体光纤一些比较奇异的参数，使得它的耦合的方法与传统的光纤有着极大的不同，并且光子晶体光纤的尾端需要进行密封，否则由于毛细管效应，光纤会吸人液体或者气体。因此，在光子晶体光纤大规模使用之前，需要解决光子晶体光纤器件和普通单模光纤耦合的问题。

五，结语

光子晶体光纤拥有传统光纤所不具备的特性预示了它具有广泛的应用前景，作为新兴的技术，光子晶体光纤正处于迅速发展之中。相信随着科学技术的迅速发展，光子晶体光纤也能进入到大家的生活中，为大家的学习，生活和工作提供更好地信息化保障。光子晶体的研究发展，也将会推动电到光的过度，光的世界，指日可待！

参考文档：光子晶体光纤及其应用研究     南开大学  刘艳格

          光子晶体光纤的特性和应用，发展前景   《科技视野》2009年15期

          光子晶体光纤的研究与进展   刘彤  《硅酸盐通报》2004年2期

          电动力学       郭硕鸿       高等教育出版社