光子晶体光纤发展动向

   04/13/2005，作者：苏方宁，华南理工大学材料学院光通信材料研究所

1.引言
  光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987年分别由S. John和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。
  光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。可以预见，光子晶体将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革，极有可能在21世界扮演更为重要的角色。1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。
  1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。
  1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纤通信和光学研究领域中，PCF引起了全世界的普遍兴趣。
目前，有关光子晶体光纤（PCF）的研究重点有：理论模型、制造工艺、性能测量、实验室实验和工程应用技术探讨等。

2.光子晶体光纤的结构及其导光原理
  就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。
  PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。
  折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。
  光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条件,其结果就是光子能隙导光理论。如图1 所示,中心为空芯,虽然空芯的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。当小孔间的距离和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播,光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明,这种HF 中可传输99 %以上的光能,而空间光衰减极低,因此光纤衰减可能只有标准光纤的1/ 2～1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙导光。
  空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用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。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，但包层中的小孔点阵结构就像一面镜子，这样光就在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。


3.PCF的特性
  PCF 有如下特点:结构设计很灵活,具有各种各样的小孔结构;芯和包层的折射率差可以很大;芯可以制成各种各样;“包层折射率”是强烈依波长而变的函数,包层性能可以反映在波长尺度上。正因为有以上特点, PCF 有着以下许多奇异特性:
(1)无截止单模( Endlessly Single Mode) 
  传输普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。而对于PCF ,只要其空气孔径与孔间距之比小于0. 2 ,无论什么波长都能单模传输,似乎不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性。这种光纤可在从蓝光到2μm 的光波下单模传输。更为奇特的是这种特性与光纤的绝对尺寸无关,因此通过改变空气孔间距可调节模场面积。在1 550 nm可达1～800 μm2 ,实际上已制成了680 μm2 的大模场PCF ,大约是常规光纤的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。
(2)不同寻常的色度色散
  真空中材料色散为零,空气中的材料色散也非常小。这使得空气芯PCF 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,从而导致在1 300 nm 实现光弧子传输;具有优良性质的色散平坦光纤(数百nm 带宽范围接近零色散) ;各种非线性器件以及色散补偿光纤(可达2 000 ps/ nm·km) 都应运而生。
(3)极好的非线性效应双折射效应
  G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤的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。然而，在光子能隙导光PCF中，我们可以通过增加PCF纤芯空气孔直径（即PCF的有效面积）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的有效面积的PCF奠定了技术基础。
(4)优良的双折射效应
对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态越好。在PCF中，只需要破坏PCF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，可以制造出比常用的熊猫牌保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤。

4.光子晶体光纤在光纤通信的应用
  PCF在光纤通信系统中的潜在应用主要有两个方面：传输光纤和光器件。PCF作为传输光纤的研究要点是改进制造工艺、降低光纤损耗。PCF作为光器件的研究要点是通过调整PCF的结构尺寸来实现PCF器件所需要的性能。
  众所周知，作为光信号传输介质，无论是G.652光纤还是PCF都应该满足低损耗、小色散和低非线性效应。与G.652损耗机理相同，PCF损耗主要来源于吸收和散射。此外，由于PCF结构的特殊性，也自然带来了一些特殊的损耗来源，如模式泄漏损耗和结构缺陷损耗。表1给出了PCF的损耗来源。


  人们采取了一系列措施来降低PCF的损耗，主要有（1）提高芯/包层材料的纯度；（2）采用减少污染包层材料管的工艺；（3）通过合理设计空气填充比/空气孔数量来降低泄漏模式。
PCF具有的低损耗、小色散、低非线性效应特性，使得其在光纤通信领域的应用是非常有前途的，尤其对于长途通信系统。随着PCF设计方法和制造工艺的不断改进，PCF性能正日趋完善。特别是K.Tajima等人通过合理设计结构参数，如空气孔直径d和空气孔间距r，以及d/r比值，大道理既减少PCF的衰减，又改善PCF的色散和色散效率的目的。现在，PCF已经进入实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段。
  2003年初的世界光纤通信会议（OFC）上，日本电报电话公司（NTT）接入网业务系统实验室的K.Tajima等人报道了他们研制出的衰减为0.37 dB/km 的超低衰减、长长度的PCF。PCF具有完全的单模特性，可用工作波长范围为0.458—1.7μm。
  C.Peucheret等人的研究小组利用5.6 km 的PCF线路进行工作波长为1550 nm的40Gbit/s的传输实验。这个实验系统所用的PCF的有效面积是72平方μm、衰减为1.7dB/ km、色散系数为32 ps/（km. nm）。实验表明，PCF作为光信号传输介质时，系统的性能没有劣化，与G.652光纤相比，PCF最大优势是在保证很小的偏振模色散系数的前提下，色散系数、有效面积和非线性系数可以灵活设计。
  如上所述，PCF本身就是一种良好的色散补偿光纤。通过灵活设计PCF的3个特征结构参数：纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔间距，我们就可以获得很大的正色散，或者很大的负色散，或极宽波段的平坦色散PCF。特别是PCF的灵活色散、色散效率补偿带宽管理能量比G.652光纤大几倍，故PCF具有优良的色散补偿性能，有希望代替普通的色散补偿光纤，成为新一代色散补偿光纤。
  由于普通色散补偿光纤的芯/包层折射率差小（1.45/1.3），所以其色散补偿能力差。而PCF的芯/包层差大（1.45/1），因此PCF具有很强的色散补偿能力。清华大学的研究人员从理论上计算了PCF的色散值，在计算中所选择的PCF结构参数是：空气孔间距为0.8μm,空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。计算得到，在1.55μm PCF的色散值可以达到-2050 ps/（km. nm），可以补偿120倍长度的G.652光纤（17 ps/（km. nm））,可以补偿240倍长度的G.655光纤（8.2 ps/（km. nm））,从而大大缩短了色散补偿光纤的长度。因此，PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。
  PCF可以构成光纤激光器和光纤放大器，究其理由是通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为1--1000μm2的 PCF，使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G.652光纤更具有优势。
已经取得研究进展的PCF与光纤通信相关应用还有：光波长变换、拉曼放大器、光孤子激光器、光纤光栅和连续谱发生器等。

5.OFC-2004看光子晶体光纤的发展
  从OFC2在今年2月21日至27日召开的世界光纤通信会议（即OFC’2004）上，光子晶体 光纤也是报道的重点课题之一。从本次会议上可以看出，国际上关于光子晶体光纤的研究主要集中在拓展PCF的应用领域和改善PCF的性能两方面。下面就OFC’2004上有关PCF的报道做一简单介绍，重点强调了PCF的最新应用和高性能PCF的研究进展。
5.1   PCF的新应用
(1) 超连续产生
    利用飞秒脉冲在PCF中产生超连续谱已经广泛应用于光学相干层析、计量学等领域，但大部分实验采用工作在800nm波长的Ti:sapphire激光器作为泵浦源，因为这种激光器能产生能量达几个nJ的超短飞秒脉冲，只有个别实验利用1560nm波长附近的基于掺铒光纤激光器的飞秒脉冲。采用掺铒光纤激光器作为泵浦光源不但可以将飞秒超连续技术应用于1560nm附近的通信窗口，而且它比Ti:sapphire激光系统更小巧、更稳定。在OFC’2004上，H.Hundertmar等报道了一种全光纤二极管泵浦的铒光纤激光－放大系统，并利用PCF进行了超连续实验。其实验装置如图2所示：激光器环路由铒光纤（正色散）和两段负色散光纤SMF1528、Flexcor1060构成，整个环长3.4m，对应基频59.1MHz，利用非线性偏振旋转效应实验被动锁模。当980nm泵浦的输出功率为150mW时，在1560nm波长可得到输出功率14mW、脉宽65fs的锁模脉冲。放大系统由铒光纤、SMF1528和Flexcor1060构成，这些光纤的长度经过优化，以使放大器的二阶色散最小，从而使激光脉冲的线性啁啾最小。该激光－放大系统产生的脉冲入射到一段长30cm、芯径2.6mm、零色散波长1.3mm的PCF中，通过强非线性作用产生750~1750nm的超连续镨。


  与以往的基于PCF的超连续产生系统相比，该系统的最大特色在于它是一个全光且利用最小的脉冲能量（200PJ）在1550nm附近得到了最好的展宽效果。
  另外，S.C. Buchter等采用二极管泵浦的Q开关激光器作为泵浦光源，零色散波长~1550nm的PCF作为非线性介质，获得了700nm带宽、平坦的纳米红外超连续镨。
(2) 脉冲压缩
  超短光脉冲是未来超高速光通信系统所必不可少的，为此通常采用孤子效应压缩方案来获取超短脉冲，压缩用的非线性介质一般是色散位移光纤（DSF）。若想得到重复率10GHz的脉宽~2ps左右的短脉冲，需要的常规色散位移光纤的长度通常都在数公里以上，即使采用高非线性色散位移光纤（HNL-DSF），也需要60~500米。由于小芯径、高D值的PCF的零色散波长在可见光附近同时具有高非线性和大的负色散特性，利用它进行孤子压缩可以大大减小所需光纤的长度。本次OFC会议上，K.S.Abedin等利用保偏光子晶体光纤（PM-PCF）作为非线性介质对主动锁模光纤激光器的输出脉冲进行了孤子压缩实验，所用的PM-PCF的零色散波长在1550nm附近的色散D=104ps/(nm×km)，非线性系数g=39.5 W-1×km-1，都要比DSF高一个量级，因此仅需要10米长的PM-PCF就得到了10GHz输出功率16mW 的1.26ps脉冲。
    另外，J. R. Taylor等还报道了一种采用空心光子晶体光纤实现再压缩的全光纤啁啾脉冲放大系统，如图3所示。调谐范围1535~1565nm、脉宽8ps~400fs的10GHz光脉冲经光学衰减器（OA）适当衰减（目的是为了避免非线性效应），在100m长的DCF中展宽，然后用3W的EDFA放大，最后用10m长的负色散空心光子带隙光纤（air core PBF）压缩，PBF在1560nm波长的色散值为1146ps/(nm×km)。PBF与常规光纤直接熔接在一起，总损耗（包括熔接损耗）2.2dB。输出脉冲是低啁啾的，脉宽1.1ps，平均功率1.1W，峰值功率～100mW。如果采用重复频率更低的脉冲，峰值功率可以增加到至少数十千瓦。


(3) 可调谐光纤耦合器
Hokyung Kim等报道了一种基于侧面研磨技术的可调谐光子晶体光纤耦合器，实现方法是将两段侧面研磨的PCF镶嵌在石英块内，通过调节石英块间的匹配角，耦合比可在0~90%之间变化。耦合光的光谱在400nm范围内相当平坦，波纹度很小。
5.2高性能PCF的研制
(1) 低损耗光子晶体光纤
  降低光纤损耗一直是人们努力的目标。目前，普通单模光纤（SMF）的最低损耗已经可以达到0.1484dB/km；2003年的OFC会议上，NTT报道了损耗为0.37dB/km 的TIR－PCF，可以说是一大进步。这主要是采用了纯硅材料，瑞利散射损失很小。同时他们还做了10公里 8×10Gb/s传输试验，效果良好。NTT公司于2003年12月又将该光纤的路径损耗降至0.28dB/km。本次会上，K.Tsujikawa等重新估计了常规石英光纤和光子晶体光纤的本征损耗，认为前者的损耗值在1550nm附近可达0.095~0.130dB/km，而后者的本征损耗值甚至可以更低。与此同时，英国公司BlazePhotonics在OFC’2004上宣布，已经开发成功路径损耗非常小的能带隙光子晶体光纤，其传输损耗仅有1.72dB/km，比过去康宁发布的光纤损耗13dB/km改进不小。该公司表示，“目标是将传输损耗降至0.05dB/km左右，与普通光纤展宽竞争”。
(2) 色散补偿用双芯光子晶体光纤（DCPCF）
  单模光纤中的色散限制了光纤通信系统的数据传输速率，为此必须进行色散补偿。目前，色散值在100~300ps/(nm×km)的色散补偿光纤（DCF）已经商用。1996年，Thyagarajan等曾提出了一种新颖的DCF设计方案，它包含两个高度不对称的同心纤芯，在极高非线性折射率差（D＝2％）的情况下的色散值可达5100ps/(nm×km)。基于该思想，人们制造出双芯光纤，它在1.55mm附近的色散值可达1800ps/(nm×km)。然而，高D值通常需要高掺锗，这实现起来不但很困难，而且会增加光纤损耗。最近，利用纯石英和空气孔构成的光子晶体光纤，可以提供一种新的色散补偿方案：由于石英和空气之间的高D值，在PCF中可以得到较大的负色散，而且可以通过包层中空气孔的构造和尺寸来改变色散值；与此同时，有望实现较低的损耗。
  PCF作为色散补偿光纤的潜在应用已有文献报道，这种PCF的色散值D～2000ps/(nm×km)，有效纤芯面积只有1mm2，而大的D值总是和小的有效纤芯面积相联系的，这会在传输过程中造成不希望的非线性效应。在OFC’2004上，F. Gerome等从理论上研究了高负色散值双芯光子晶体光纤(DCPCF)的设计。最近，Yi Ni等结合了PCF和双芯DCF的优点，提出了一种新颖的DCPCF设计方案，该光纤长12m，在1.55mm窗口的色散值高达18000ps/(nm×km)，有效纤芯面积12mm2，均比现有色散补偿PCF相应参数高了一个数量级，这是迄今为止在仅由纯石英和空气孔构成的光纤中得到的最大的色散值。另外，该光纤的色散斜率也是负值，1500nm波长处的相对色散斜率（RDS）为0.47/nm。由于该DCPCF由纯石英和空气孔构成，传输损耗相当低，制造工艺也得到简化。
(3) 极高非线性PCF
  与常规石英光纤相比，PCF具有更高的非线性系数。本次会议上，H. Ebendorff-Heidepriem 等报道了一种氧化铋玻璃光子晶体光纤，其在1550nm波长处的非线性系数高达460W-1×km-1，是氧化铋玻璃光纤的7倍，是常规光纤的500倍，尤其是当芯径为0.8mm时，非线性系数达2000 W-1×km-1，是迄今报道的最高的采用常规实心包层的硫化物玻璃光纤非线性系数的2倍。
5.3 其他方面
(1) 制造技术
  光子晶体光纤的制造工艺也是人们研究的热点之一，本次会议上，K. Takashi等提出一种新的制造光子禁带光子晶体光纤的技术，即用溅射法将含Si和SiO2的多层薄膜沉积到石英光纤上，如图3所示。用该方法制造的光纤具有明显的能带隙，而且可以通过改变包层的厚度和折射率较为容易地控制光纤的传输特性。
(2) 机械特性
  NTT公司首次从理论和实验两方面研究了PCF的抗张强度，认为由于PCF中的空气孔能阻止缺陷的生成，它可以比常规石英光纤具有更高的抗张强度。测试表明90孔PCF和6孔PCF的抗张强度分别比常规石英光纤的高7%和20%，特别是6孔PCF的抗张强度可达7kgf, 这是商用SMF不可能达到的。
(3) 耦合问题
  限制光子晶体光纤器件发展的一个重要因素是，利用传统技术很难甚至在很多情况下不可能将它们与普通光纤熔接起来，因此在已进行的大多数光子晶体光纤实验中，都是采用体光学器件（如普通透镜）实现光路耦合。熔接耦合与采用透镜耦合相比，前者具有更低的回波损耗，而且准直过程可以自动完成；而后者的光学表面暴露在外，容易受到污染或破坏。在早期进行的PCF与普通单模光纤的熔接实验中，损耗相当大（1550nm处约1.5dB），尽管理论研究表明熔接损耗可以降至0.2dB。本次OFC会议上， A. D. Yablon等利用渐变折射率光纤透镜制成了一种新型的用于连接PCF的高强度 (>100 kpsi)熔融接头，可以得到很高的耦合效率（损耗小于0.6dB），这种接头不仅可以用于PCF间的结合（包括空心PCF和实心PCF间的结合），而且还可以用于PCF与常规光纤间的结合。

6.结束语
PCF以其独特的结构和奇异性能，为光纤通信提供了一种新型的光传输介质和光器件。今天，PCF的研究正在又学术探讨转入实验室试验阶段。实验室中的传输实验表明，PCF极有可能应用于光纤通信中。我们相信，随着PCF的导光理论、制造工艺、性能测量和施工技术的不断完善，PCF就可能会成为光纤通信系统中的下一代光信号传输介质和光器件。