光子晶体光纤

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缩写:PCF(该简写也通常用来描述聚合物包层光纤,polymer cladder fibers) 定义:具有内置微结构的特种光纤,一般玻璃中都包含小的空气孔。

自从1990s,Philip St. J. Russell的小组做了关于光子晶体光纤的先驱性的工作之后,它的发展受到了广泛的关注并且发展了很多应用。这一领域不仅包含了一部分光子带隙结构还结合了其它的方法,是目前光学研究最活跃的领域之一。光子晶体光纤在设计上具有非常高的自由度能够实现很多特殊的性质,因此可以广泛应用到很多领域。

图1:常用的实心光子晶体光纤设计示意图。空气孔为三角形的,中间的心缺失。灰色区域代表玻璃,白色的圆形空气孔典型的尺寸为几微米。这里只显示了纤芯附近的区域。
图2:空心光纤底端的显微镜图片。

光子晶体光纤(也称为多孔光纤,空气孔辅助型光纤,微结构光纤)的波导特性不是来自于随空间变化的玻璃组分而实现的,而是通过贯穿整个光纤长度的紧密排列的小的空气孔来实现的一种光纤。空气孔可以通过包含孔状结构的预制棒来得到,该预制棒可通过首先堆叠毛细管和固体管(堆叠管技术),然后再将这些管子插入更大的管子来得到。通常,需要将预制棒纤拉制成直径为1 mm的棒,再拉制成需要的直径为125微米的光纤。如果采用非常软的玻璃和聚合物,那么可以通过挤压方法制备光子晶体光纤的预制棒[13,33]。空气孔可以有很多种排列方式,因此得到PCFs具有很多不同的性质。所有的这些PCFs都可看做是特种光纤

最简单的光子晶体光纤(也是最常用的)的空气孔为三角形,中间的孔缺失(如图1)。即实心的芯周围是排列好的空气孔。这种类型的PCF可以通过有效折射率模型来理解:缺失的孔处具有更高的有效折射率,与普通光纤中的纤芯类似。

还有光子带隙光纤(PGB光纤)[6]具有完全不同的导波机制,利用包层区域的光子晶体带隙结构。后者甚至可以是吸纳在空心中导波(即,在低折射率区域)(如图2),这时大部分的光在中心的孔中传播(参阅空心光纤)。 这种空气导引空心光子晶体光纤(或者空心带隙光纤)可以得到很低的非线性效应和很高的损伤阈值。它通常可以传播很窄波长范围的光,宽度为100-200nm,由于大部分光在空心区域传播,因此这种光纤可以用于高光强脉冲压缩。

大多数的PCFs是由纯石英制造的(参阅石英光纤),是可以采用之前所述的制 造技术制造的。但是,也出现了很多采用其它材料制造的PCFs,尤其值得提出的是重金属软玻璃和聚合物(塑料光纤),有时甚至用于太赫兹辐射[12]。


目录

用于放大器和激光器的活性光纤

图3:具有空气包层的光子晶体光纤结构。

可以将稀土掺杂棒作为预制棒的中心部分来制造激光活性PCFs,可用于光纤激光器放大器中。稀土掺杂(镱或铒)可以提高折射率,但是采用附加的氟掺杂可以完全补偿掉折射率改变值,于是导波特性只由光子微结构来决定而不是由通常的折射率差来决定。采用稀土掺杂PCFs,可以得到工作在1000nm波长区域的孤子锁模光纤激光器,其中光纤的色散一般处于正常色散区域,但是如果采用合适的设计可以使其处于反常色散区域[7,15,16]。

如果用在高功率光纤激光器和放大器中,可以采用双包层PCFs(图3),其中泵浦包层周围为空气包层区域(空气包层光纤)。由于折射率差很大,泵浦包层具有很高的数值孔径(NA),因此极大的减小了对泵浦光源的光束质量亮度的要求。这种PCF设计的光纤纤芯通常具有非常大模式面积[4,26],然而只传播具有衍射极限输出的单模,因此非常适合得到非常高光束质量的高输出功率的光。这种光纤另一个优势就是泵浦光远离聚合物涂层,因此避免了涂层的过热问题。

掺杂光子晶体光纤也具有很好的特性可以用到光纤耦合的啁啾脉冲放大器系统中,得到很高的输出峰值功率


通过设计可以实现的性质

通过设计空气孔类型(基本的几何排列,孔的相对尺寸,以及一些小的偏移量)可以得到具有非常卓越的性能,与设计细节密切相关:

  1. 可以得到具有非常高数值孔径多模光纤,例如0.6或者0.7(也可以得到双包层光纤的泵浦包层)[20]。
  2. 孔尺寸与孔间隙比值较小时可以得到很大波长范围内的单模导波(无截止单模光纤)[3]。
  3. 也可以得到非常小或者非常大模式面积的光纤(可能得到比普通光纤更小的NA)。这样可以得到非常强或非常弱的光学非线性效应。这种情况下,PCFs即使具有大模式面积也对弯曲损耗的灵敏度很低[4]。
  4. 一定的空气孔排列能够得到光子带隙(参阅光子带隙光纤),其中导波甚至可以在空心中实现,因为这种情况下不需要中心部分具有更高的折射率。这种空气导引空心光纤在高脉冲能量的色散脉冲压缩中很重要。
  5. 尤其是空气孔很大时,可以将气体或液体充进孔中。充气PCFs可以用于光纤传感器中,用于很高功率情况下的非线性光谱展宽,或者得到可变的功率衰减器。
  6. 不对称的孔排列可以得到非常强的双折射得到保偏光纤[8]。也可以同时得到大模式面积。
  7. 可以采用不同的方法得到与偏振相关的衰减器(偏振光纤)[18,24]。例如,基模截止可能与偏振有关,因此在特定波长范围内光纤只传播单个偏振的光。
  8. 类似的,也可以通过抑制拉曼散射[25]来强烈衰减长波长的光。
  9. 尤其是小模式面积的PCFs可以实现非常不寻常的色散特性,例如在可见光区域是反常色散[7]。具有很大的设计自由读,可以结合需要的不同的参数。
  10. 将光纤端口的孔进行热处理熔化后就得到了无芯端盖。这种密封的端面可以在大模式面积光纤端面得到,因此具有更高的损伤阈值,可以用于放大很强的纳秒脉冲。
  11. 也可以设计多芯光纤,例如单根光纤的纤芯结构规则排列,纤芯之间可能发生耦合也可能不发生耦合。


技术问题

总体来讲,光子晶体光纤在很多方面与标准光纤类似。但是,在有些方面需要进行特殊处理:

  • PCFs端面不能采用液体溶液(例如乙醇)进行清洁,因为毛细力会将液体吸入孔中。空中有一点液体都会对光纤的导波特性造成很大的影响。还有专门的研究课题是基于这种效应,通过控制液体进入空气孔中的程度得到可调谐的光学损耗。
  • 可以切割熔接PCFs,但是非常困难,尤其是光纤中空气孔占的比例很大时。在熔接过程中,空气会发生膨胀然后使光纤结构发生畸变。光纤也可以通过机械接点、光纤连接器插接电缆、光束扩展单元等连接在一起。
  • 即使熔接过程非常顺利,但是也可能由于模式面积不匹配引起很大的耦合损耗,例如,小纤芯PCF耦合到标准单模光纤中。存在特制的锥形单模光纤和锥形PCFs提高耦合效率,但是这些锥形光纤也不是很容易制备。


应用

光子晶体光纤特殊的性质使其可以应用到很多领域。例如:

  1. 光纤激光器放大器,包括高功率装置,锁模光纤激光器
  2. 非线性装置中,例如超连续光产生[9,28](参阅频率梳),拉曼转换[11],参量放大,或者脉冲压缩
  3. 通信器件,例如,用于色散控制,滤波或者开关
  4. 各种光纤传感器
  5. 量子光学,例如,产生相干光子对[23],电磁诱导透明或者传播冷原子
参考文献

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参阅:光纤稀土掺杂光纤光子带隙光纤空心光纤锥形光纤超连续光产生频率梳