光子晶体光纤

时间：2022-10-18 百科知识版权反馈

【摘要】：光子晶体光纤如图6.4所示，实际上是光纤内有许多排列整齐的孔，由带气孔的微结构包层和纯二氧化硅纤芯组成，光在纤芯中传播。采用光子晶体光纤技术，可以使用相同的材料制作双包层光纤。另外，双包层光子晶体光纤具有高泵浦吸收、高转换效率的特点，和传统的硅双包层光纤相比，具有更高的功率损伤阈值水平。PCF在光纤通信系统中的应用主要有两个方面：传输光纤和光器件。

任务十　光子晶体光纤

◆知识点

¤　光子晶体光纤的特性

¤　光子晶体光纤的应用

¤　光子晶体光纤的技术指标

◆任务目标

¤　了解光子晶体光纤的特性

¤　掌握光子晶体光纤的应用

¤　了解光子晶体光纤的技术指标

任务导入：

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF）如图6.4所示，实际上是光纤内有许多排列整齐的孔，由带气孔的微结构包层和纯二氧化硅纤芯组成，光在纤芯中传播。和传统的光纤相比，光子晶体光纤（PCF）有很多独特的性能，它具有比较强的抗非线性容限，但损失和色散比较大。PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子带隙导光机理。

图6.4　光子晶体光纤结构图

相关知识：

1.空心光子晶体光纤

光子带隙波导型光子晶体光纤（空心光子晶体光纤）由带气孔的微结构包层和中空的纤芯组成；形成周期性结构缺陷的是空气，传输机理是利用包层对一定波长的光形成光子带隙，光波只能在气芯形成的缺陷中存在和传播，叫做光子带隙效应（Photonic Bandgap Effect）。

光子带隙波导的机理和传统的纤芯内全反射导光机理有本质的不同，因此空心光子晶体光纤和传统的实芯硅光纤相比有很多独特的性能：空心光子晶体光纤可以用来传输更高的激光功率，不产生非线性效应，光纤的损伤阈值也更高。

（1）空心光子晶体光纤特点

①超过97%的光在中空纤芯光波导或者包层的气孔中传输；

②中空纤芯和包层的气孔可以填充气体以改变光纤的非线性特性或者衰减特性；

③低的弯曲损耗；

④光纤端面菲涅耳反射（Fresnel Reflection）估计小于10^-4；

⑤从光纤截面看大约有65%的部分由二氧化硅材料组成，方便和传统光纤的熔接等处理；

⑥光纤的材料由单一的纯二氧化硅组成，有利于提高光纤的温度稳定性；

⑦空心纤芯可以填充气体、粒子等。

（2）空心光子晶体光纤的主要应用

①高功率低损耗近红外激光传输；

②脉冲整形，脉冲压缩；

③非线性光学；

④光纤传感领域。

2.双包层高数值孔径光子晶体光纤

双包层光子晶体光纤作为一种高效率的有源增益光纤，可以使用多模泵浦激光抽运，在单模纤芯中可以产生或者放大高质量的信号激光。传统的双包层光纤通常采用不同的材料，利用折射率阶越设计，外包层的典型材料为聚酯。采用光子晶体光纤技术，可以使用相同的材料制作双包层光纤。

双包层光子晶体光纤是一种“空气包层（Air Cladding）”光纤，采用光子晶体光纤技术，一个由空气孔形成的环可以有效地限制泵浦光在一个纯硅的多模纤芯（内包层）中传输。光子晶体光纤的空气内包层设计和传统的硅内包层光纤相比有更多的好处，例如可以产生极高的内包层或者泵浦光纤芯的数值孔径（因为硅和空气孔之间有很大的折射率差），有利于高效率应用低成本大发光面积的多模半导体泵浦激光器。大模场面积的单模信号纤芯便于高功率水平的激光产生和传输，同时避免非线性效应。另外，双包层光子晶体光纤具有高泵浦吸收、高转换效率的特点，和传统的硅双包层光纤相比，具有更高的功率损伤阈值水平。

（1）双包层光子晶体光纤特性

①高数值孔径泵浦芯（内包层）；

②高功率处理能力（空气／硅）；

③圆泵浦芯（Circular Pump Core）；

④高效率泵浦吸收；

⑤大模场面积信号纤芯；

⑥单模光纤。

（2）双包层光子晶体光纤应用

①高脉冲能量光纤放大器；

②光纤激光器。

3.光子晶体光纤的技术指标

如表6.15所示。