光子晶体光纤的特性

光子晶体光纤的诸多特性突破了传统光纤光学的局限，具有许多普通光纤难以实现的特性。

1.无截止波长单模传导

传统的阶跃折射率光纤随波长的减小会变成多模光纤，光子晶体光纤可以在任意波长实现单模传导。普通单模光纤终可以找到一个特定的波长，使得当波长小于这个特定波长时，V值大于2.405，光纤呈现多模。光子晶体光纤的不同在于，在光子晶体光纤中，当波长λ小于空气孔的间距时，包层有效折射率强烈依赖于波长，随着波长的变短，分布在空气孔洞中的场能量减少，相应的，包层的有效折射率随之增大。纤芯和包层纤芯的有效折射率差也相对减小，从而使V值接近一个常数。图1.18显示了不同空气孔直径d/Λ下时V参数的变化。可以看出，当d/Λ小于某一特点的值时，有效归一化频率V始终会低于产生多模的临界数值，这表明所对应的光子晶体光纤具有无截止波长单模传导的特点，而且光子晶体光纤的无截止单模传输特性与光纤绝对尺寸无关，这就成为了实现大模场面积光子晶体光纤的途径。同时，在光子晶体光纤中，小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于需要提高或降低光学非线性的特应用具有极重要的意义［79，80］。

2.色散

色散特性在光纤非线性效应中非常重要。在普通光纤中，色散主要由石英的材料色散决定，通常只有在超过1300nm的区域才能出现反常色散。这就限制了许多非线性效应方面的应用。但是光子晶体光纤的色散具有灵活性，使其在色散控制和非线性光学等诸多领域具有广泛的应用。

图1.18 不同包层空气孔直径d/Λ下光子晶体光纤中V参数的变化，曲线从下向上表示空气孔增大

光子晶体光纤可以在很长的波长范围内得到较大的色散。通过对结构参数的调整，可以制作具有较大色散系数的色散补偿光纤。另外，光子晶体光纤能在很小的波长处获得反常色散且保持单模，这是传统阶跃光纤无法实现的。目前，具有不同色散特性的TIR-PCFs已经研制出来，比如零色散点位于可见光区、具有平坦(三阶色散为零)和超平坦(四阶色散为零)色散的光子晶体光纤，这些光子晶体光纤已经在孤子的产生和传播、孤子激光器、参量放大器、超连续产生和超短脉冲压缩等非线性光纤光学领域和色散补偿等领域得到应用［81-84］。

光子带隙光纤具有非常特殊的色散特性。理论上，其色散主要由波导色散决定，与光子带隙效应密切相关。图1.19(c)展示了几种光子带隙光纤的色散曲线。在三角形结构和蜂窝结构中，色散具有一些共同的特性:①零色散点出现在带隙的中部偏向短波方向;②在带隙的短波边界处，表现大的正常色散，但在长波边界处则表现大的反常色散;③在带隙边缘处存在高三阶色散。光子带隙光纤的色散机制认为是在具有突变的传输特性的波导中，其Kramers-Kronig关系和一维波导所产生反常色散的叠加结果，但尚需深入的研究。光子带隙光纤中的这种色散特性可以应用于低群速度传导、色散补偿、光信号的色散解复用及产生具有超高峰值功率的光脉冲等方面［85］。

3.双折射

通常需要在光纤中人为引入高双折射，目的是避免随机双折射改变光纤中的光偏振方向，此类光纤称为保偏光纤。在保偏光纤中，双折射效应越强，拍长越短，保持光偏振态则越好。利用光纤的几何形状不对称性是实现保偏光纤的主要途径。通过破坏光纤截面的圆对称性，光子晶体光纤容易实现高双折射。

降低二维结构的对称性可以形成很强的双折射。例如，通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制备出比普通的熊猫保偏光纤高几个量级的高双折射光纤。实验证明这种不对称结构的高双折射光子晶体光纤对压力和应变的灵敏度比普通的高双折射光纤明显提高，此外实验数据与理论模拟结果吻合。这种高双折射性质使其在传感领域具有应用前景。此外，可以在空气孔中加入聚合物调控光纤的折射率，通过采用外界施加的电场或者温度常来调节填充在空气孔中聚合物的折射率，进而制造出可调谐的高双折射光纤［86-89］。

图1.19 光子晶体光纤的色散特性

(a)TIR-PCFs短波长获得反常色散;(b)TIR-PCFs高负色散;(c)光子带隙光纤的色散

4.非线性效应

在折射率传导的光子晶体光纤中，光场主要分布在石英纤芯中，其非线性效应的产生机制与普通光纤相似，主要由石英的三阶电极化率χ(3)引起。这些非线性效应包括自相位调制(SPM)、三次谐波产生(3HG)、交叉相位调制(XPM)、受激拉曼散射(SRS)、四波混频(FWM)、受激布里渊散射(SBS)等。光子晶体光纤具有小模场面积、可设计的色散曲线、高双折射等特点，为非线性现象的研究提供了条件。光子晶体光纤的高非线性效应可被用于基于交叉相位调制(XPM)或自相位调制(SPM)的再生全光开关、光调制器、拉曼放大器、WDM波长转换器、产生波长可调谐飞秒孤子脉冲等非线性器件的研究。采用高非线性光子晶体光纤，可使器件更加紧凑，且功率水平也大为降低。此外，超宽带连续谱产生是光子晶体光纤非线性效应的一个重要应用［90-93］。在空气传导光子带隙光纤中，光被限制在空气纤芯中，而空气的非线性效应比石英低3个数量级，因此可以在这种光纤中实现高功率、低非线性的光传输。利用这一性质，D.G.Ouzounov等人［94］在充入氙气的光子禁带光纤中实现了峰值功率为5.5MW的孤子脉冲传导。如果在光子带隙光纤的空气纤芯中充入特殊气体，则可以观察到受激拉曼散射、四波混合和高次谐波等以前很难观察到的气体非线性现象。

5.损耗特性

折射率引导型光子晶体光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗、泄漏损耗等。而对于空气传导的光子带隙光纤，由于光功率主要集中在空气孔中，从而极大减小了由于石英吸收造成的损耗，光子带隙光纤有可能实现超低损耗传导。但是目前这种光纤的损耗仍然高于普通光纤，其损耗主要源于结构缺陷损耗、泄漏损耗、表面模耦合以及表面粗糙造成的散射。

在光子带隙光纤中，理想的光子带隙效应只会出现在空气孔层数无限多的时候，但当空气孔环数比较小时，光子带隙会出现泄漏，这就带来了泄漏损耗。这种损耗主要与空气孔的层数有关，理论分析认为，随着空气孔层数的增加，泄漏损耗将降低。此外增加包层中空气填充率也可以降低泄漏损耗，为此，可以在包层中采用蛛网结构用以制造低损耗的光子带隙光纤［95］。

光子带隙与包层结构关系密切，如果由于制造工艺的原因不能保证包层中空气孔的排列和大小具有完全周期分布，光子带隙就会变窄甚至于消失。同时，如果环境参数在拉制过程中发生变化，长度方向上横截面就会发生变化，将导致光纤中不同位置的光子带隙区域存在差别，使某一段光纤可以传导光，但在另一段出现泄漏。

表面模式是影响光子带隙光纤损耗的又一个重要因素。表面模式是一种缺陷模式，出现在光子晶体的截面上，在光子带隙光纤中，纤芯和包层的截断面上都会出现表面模式，通过表面模式会导致纤芯传导模式的能量耦合在包层中，进而产生损耗。通过纤芯结构的合理设计，可以避免表面模式出现［96-98］，此外，空气孔表面粗糙也会导致光子带隙光纤的散射损耗［99］。