光子晶體光纖的起源
1992年，P.St.J.Russel首次提出光子晶體光纖(PCF)的概念。光子晶體光纖是指在垂直于光纖縱軸的橫截平面內具有二維周期性的折射率結構，并且這種二維周期性結構在光纖縱軸方向上不變的光纖，光子晶體光纖最顯著的特點是在光纖橫截面上的周期性結構。
光子晶體光纖的結構與常規光纖迥然不同，普通的光纖是由實體的纖芯和包層構成的，而光子晶體光纖的包層由空氣孔和石英構成，空氣孔在纖芯的外圍以正六邊形的樣子規則排列。石英-空氣復合結構的光子晶體光纖大折射率反差、高度可控制的周期性折射率變化，為光的傳導與控制提供了新的機理及途徑。光子晶體光纖具有許多獨特而神奇的物理特性：可控的非線性、無盡單模特性、可調節的奇異色散、低彎曲損耗、大模場等，這些特性是常規石英單模光纖很難或無法實現的，因此，光子晶體光纖引起了科學工作者的濃厚興趣，并開展了深入的理論與試驗研究。
1996年，英國南安普頓大學光電子學研究中心J.C.Knight等在《Opt.Lett.》首次報道了所研制的實芯光子晶體光纖樣品，并將4個不同波長的光源注入1米長的該光纖中，測試其近場與遠場特性，證實了光在光子晶體光纖中的傳導特性。1998年J.C.Knight等在《Science》首次報道“光纖中的光子帶隙導波效應”，發現類似電子能帶來的光子帶隙效應，并制備出光子帶隙型光子晶體光纖。1999年，R.F.Cregan等在《Science》首次報道“空氣芯單模光子帶隙光纖”。2003年，P.St.J.Russel在《Science》發表光子晶體光纖的論文，闡述了光子晶體光纖的新穎特性與應用前景。
光子晶體光纖的奇異特性
1.超強的抗彎曲特性
光子晶體光纖采用空氣與石英玻璃復合的材料結構，該結構可以大幅度提高纖芯與包層之間較大的折射率反差，這種結構可以很好地將光波電磁場嚴格限制在光纖芯中。圖1是3種典型的不同結構的FTTH用光子晶體光纖。
圖1 3種不同結構的抗彎曲光子晶體光纖
這種空氣與石英復合結構的新型光纖具有很強的抗彎性。其抗彎能力相比當前的G.657.B3光纖提升100倍以上，彎曲半徑可以降低到2毫米以下，可以用于高端有線制導領域。
2.靈活的色散裁剪特性
改變光子晶體光纖中的空氣孔大小與間距，光子晶體光纖的色散和色散斜率會急劇變化。如實心光纖的零色散點在1300nm波長附近，也可以通過設計將零色散點向長波長移動，但是難以獲得短波長的零色散。光子晶體光纖就可以實現傳統實心光纖無法實現的短波長零色散特性、寬波段的色散平坦特性(如圖2)，以及超大負色散特性。
Huttunen等報道了一種具有高折射率纖芯的雙芯光子晶體光纖，色散系數為-59000ps/(nm.km)，并且能夠實現105nm的寬帶色散補償。Huttunen還提出了一種有效面積為80μm2、內芯折射率為1.5、外芯折射率為1.3859的雙芯光子晶體光纖，其1550nm的色散系數為-1600ps/(nm.km)，補償帶寬達330nm，可實現整個C+L波段(1530nm～1625nm)的色散補償。
圖2 不同結構的光子晶體光纖色散裁剪特性
3.良好的非線性特性
高非線性光子晶體光纖的非線性系數是普通石英單模光纖的幾十至幾百倍，可以高達245W-1.km-1。因此，在光子晶體光纖中不需要超快飛秒脈沖，所用脈沖泵浦的峰值功率可以低到次千瓦量級，這比常規光纖所需的功率低1～2個數量級，在此情況下就可以產生較大的非線性頻率變換和雙倍程(400nm～1600nm)的超連續光譜(如圖3)。另外，光子晶體光纖的色散特性具有較大的設計靈活性，保持包層內空氣孔間距不變而增大空氣的填充比例就可以減小纖芯面積從而增強非線性效應，同時纖芯和包層之間極大的折射率差使得波導色散增大，結果零色散波長可以移至短波長波段(670nm～880nm)，使得這些光纖特別適合采用摻鈦藍寶石激光或Nd3+泵浦激光光源的超連續光發生器。
圖3 非線性光子晶體光纖產生的超連續光譜
4.獨特的光子帶隙特性
更為神奇的是，光子晶體光纖還有一神奇的“變種”。如果去除光子晶體光纖的實心纖芯，換成“空心”就形成了類似于宇宙“蟲洞”的時光隧道，大大減小了光纖傳輸的非線性效應、色散和損耗，可用于大功率激光傳輸、新型通信及光纖傳感，圖4是一種空心帶隙型光子晶體光纖。
圖4 空心帶隙型光子晶體光纖端面
5.良好的耐輻照特性
光子晶體光纖的纖芯可以不摻雜，實現純二氧化硅的纖芯，因此該光纖可以具有很強的耐輻照性，在航空航天和光纖陀螺等領域有諸多應用。其中摻鉺耐輻照光子晶體光纖采用空氣包層進行設計，纖芯中摻鉺，但是不引入具備色心特性的金屬鍺元素，大大提升了其在太空中應用的耐輻照可靠性。圖5是一種摻鉺光子晶體光纖，其在1530nm的吸收為2.5dB/m，內包層數值孔徑0.50。
圖5 摻鉺耐輻照光子晶體光纖端面
6.大模場特性
采用光子晶體光纖技術制造雙包層摻鐿光纖可以解決大有效面積與單模傳輸的矛盾，它可以根據激光器件的要求，設計制造纖芯摻雜濃度高、模場面積大、內包層數值孔徑大，同時維持纖芯單模傳輸的高要求。
雙包層摻鐿光子晶體光纖的基本原理就是：內包層采用小占空比的空氣微孔點陣，實現纖芯的單模傳輸，既能夠實現較大的模場面積，減小高功率激光傳輸形成的非線性效應，又能夠實現高光束質量的激光輸出;外包層采用較大的空氣孔，形成較大的折射率反差，從而增大內包層的數值孔徑，提高泵浦光耦合效率，其內包層975nm的數值孔徑可以達到0.9。而且外包層中分布著較大的空氣孔，沒有光輻射到光纖的涂層上，大大地提高了該光纖激光器的散熱性能和耐熱性能。
C.D.Brooks等對纖芯直徑為100μm、內包層直徑290μm、外包層直徑1.5mm摻鐿雙包層光子晶體光纖(如圖6)，進行增益階段的主振蕩功率放大(MOPA)試驗，獲得了峰值功率4.5MW的單橫模激光輸出，光譜線寬20GHz，光束質量因子M2～1.3。該光纖是迄今為止報道的纖芯直徑最大的雙包層摻鐿光子晶體光纖。
圖6 超大模場的雙包層摻鐿光子晶體光纖的端面掃描
7.空分復用特性
光子晶體光纖具有靈活的空間排布工藝技術，可利用光子晶體復用光纖技術制造空分多芯光纖，如雙芯光纖、7芯光纖、19芯光纖等(如圖7)。Jun Sakaguchi等利用長16.8km的7芯光纖、97路100GHz間隔的WDM波分復用通道、2路PDM傳輸86-Gb/s的QPSK信號，總速率達到109Tb/s。7芯光纖傳輸串擾很低，可以忽略不計。該實驗首次突破了以往100Tbit/s的單纖傳輸容量限制，打破了原有的世界紀錄，顯現出作為未來大容量傳輸媒質的多芯光纖巨大潛力。該研究團隊采用19芯光纖傳輸高達305TB/s的信號。
圖7 3種多芯光子晶體光纖
光子晶體光纖的應用前景
1.光子晶體光纖激光器
光纖激光器已經廣泛應用于激光切割、激光焊接、激光鉆孔、激光雕刻、激光打標、激光雷達、傳感技術和空間技術以及激光醫學等領域。國際上，摻鐿光纖激光器單根光纖已經實現了9600W的單模激光功率輸出。2016年，我國摻鐿光纖激光器的單纖輸出激光功率達到5kW。常規摻鐿雙包層光纖利用摻雜實現光纖包層與纖芯之間的折射率差，使得維持單模傳輸的纖芯面積難以增加，限制了雙包層摻鐿光纖激光器性能的進一步提高。
雙包層摻鐿光子晶體光纖的誕生，可以解決大有效面積與單模傳輸的矛盾，它可以根據激光器件的要求，設計制造纖芯摻雜濃度高、模場面積大、內包層數值孔徑大，同時維持纖芯單模傳輸的高要求，大大地提高了該光纖激光器的散熱性能和耐熱性能。2005年德國Jena公司采用雙包層摻鐿光子晶體光纖，單纖獲得了1530W的激光輸出。
2.光子晶體光纖放大器
鉺鐿共摻光子晶體光纖放大器是近年來光纖放大器的研究熱點，國外在該方面進行了大量的基礎應用研究。Akira等將0.7nJ、700fs、47MHz、32mW的1557nm種子光注入到9米鉺鐿共摻雙包層光子晶體光纖，在7.1W的975nm泵浦光功率作用下，在1550nm獲得了100fs、74nJ、350mW的放大激光輸出，光束質量因子M2小于1.05，表現出單橫模特性。該鉺鐿共摻雙包層光子晶體光纖的參數為：晶格常數Λ=22μm，占空比d/Λ=0.54，空氣外包層直徑222μm，纖芯Er3+和Yb3+的濃度分別為140ppm和2000ppm，模場直徑26μm，纖芯數值孔徑為0.04，內包層數值孔徑為0.58，976nm泵浦吸收系數為1.6dB/m。
3.超連續光譜與新型光源
超連續譜(SC)是高功率密度脈沖激光通過非線性介質產生的強烈光譜展寬，利用光脈沖在光子晶體光纖中的自相位調制(SPM)、受激喇曼散射(SRS)以及四波混頻(FWM)等非線性效應，可使輸入脈沖展寬得到超連續譜，在超連續光譜中取出特定波長的激光就可以制造不同波長的新型光源。超連續譜光源在飛秒激光脈沖的相位穩定、光學相干層析(OCT)、超短脈沖壓縮、激光光譜學和傳感技術等領域具有廣泛的應用。
4.光開關與傳感器
光子晶體光纖由于具有較高的非線性效應，包括自相位調制、交叉相位調制等，利用該非線性效應可以研制高速、偏振無關的高性能集成化微型全光開關。全光開關是波長路由全光網絡和下一代光網絡的核心部件，P.Petropolous等提出基于光子晶體光纖自相位調制效應的全光開關方案，J.E.Sharping等提出基于光子晶體光纖的交叉相位調制效應的全光開關方案。
光子晶體光纖中分布著許多空氣微孔，將不同的液體、氣體、固體材料填充到空氣微孔中就可以制造出各種各樣的傳感器。Thomas Tanggaard等將液晶填充到PBG型光子晶體光纖的空氣微孔中，制造出一種全光傳感器件，該器件對溫度非常敏感，0.4℃的溫度變化就可以產生60dB的消光比，是一種較好的溫度傳感器件或光開關。
5.光剎車與全光通信
為了實現高速全光通信，首先必須實現能夠光速控制與光的存儲。2005年1月，美國康奈爾(Cornell)大學的Yoshitomo Okawachi等首次利用光纖中受激布里淵散射(SBS)非線性效應實現了可調諧的慢光時延，通過調整泵浦激光波長可以調節被時延的波長，通過調節泵浦光的光強可以實現時延的大小變化，試驗中實現了25ns的時延。
光纖中實現慢光是慢光研究歷史上的里程碑，它直接將慢光技術推向實際工程化應用，充分發揮了光交換的快速高效特性。2007年12月，美國杜克(Duke)大學的Daniel J. Gauthier等在《Science》上發表論文，利用光纖中的受激布里淵散射(SBS)非線性效應，成功進行了慢光的讀寫試驗，實現了慢光的全光緩存技術，這是全光通信史上的重大技術突破，并且實現了6個歸一化脈沖時延，這是目前光纖SBS慢光的最大歸一化時延。
展望未來，光子晶體光纖將在如下幾個領域取得突破性應用。
高速大容量長途傳輸：光子晶體光纖具有靈活可裁剪色散特性，可以制造出色散平坦、大有效面積，同時具備無盡單模特性的光子晶體光纖，并且可以制造出少模光纖和多芯光纖，少模與多芯光子晶體光纖可望在Tbit/s超大容量的高速光纖通信領域實現應用。
寬帶光源與波長變換器件：超高非線性光子晶體光纖非線性系數是常規單模光纖的100倍以上，能夠實現1000nm的超連續光譜，可以為光通信DWDM系統提供光源，節省大量激光光源成本;同時利用非線性實現的波長變化器件，其靈活性是其它非線性光纖器件無法比擬的，可以實現超跨度波長變換。
光載微波保密通信：采用非線性光子晶體光纖與差頻技術，其保密功能非常強，可以實現ROF通信。
高功率光纖激光器：采用光子晶體光纖技術制造的大模場摻稀土光子晶體光纖，具備良好的抗熱損傷能力，同時激光光束質量好，空氣形成的內包層數值孔徑較大，大大提高激光二極管與光纖的耦合效率，實現kW級激光輸出，在大功率切割焊接以及激光打標等領域具有廣泛應用。
慢光與光存儲：利用光子晶體光纖的超高非線性效應，可以實現光速減慢與光速控制，這為未來的光存儲與光交換奠定了技術基礎，也為全光通信提供了技術實現的新路徑。
光子晶體光纖具有普通光纖所不具備的各種新穎特性，其在光器件領域應用遠遠不止這些，光子晶體光纖靈活而善變的新奇特性給科研工作者提供了更為廣闊的想象與創新的空間，預示著微結構光纖將會在光通信、光器件、光傳感、先進激光等領域具有廣泛的應用前景。 （作者：江蘇亨通光纖科技有限公司 陳偉）
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