RP 系列激光分析设计软件 | 光子晶体光纤

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由 Philip St. J. Russell 的研究小组在20世纪90年代开创的光子晶体光纤的发展和对各种可能应用的探索引起了人们的极大兴趣。该领域是光子带隙结构这一更广泛的领域的一部分，同时也利用了其他概念，可以被认为是当前光学研究中最活跃的领域之一。部分原因是这些光纤在设计上提供许多自由度，以实现各种特殊性能，这使它们具有广泛的应用(见下文)。

光子晶体光纤的制作

气孔呈三角形图案，缺少中心孔。灰色区域表示玻璃，白色圆圈表示典型尺寸为几微米的气孔。

图1: 一种常用的实芯光子晶体光纤设计。

光子晶体光纤(也称为孔状光纤、孔辅助光纤、微结构光纤)的波导特性并非来自于空间变化的玻璃成分，而是来自排列紧密的微小气孔，这些气孔贯穿光纤的整个长度。这种气孔可以通过使用具有(较大)气孔的预制棒来获得，例如通过堆叠毛细管或实心管(堆叠管技术)并将它们插入一个较大的管中来制成。通常，首先将预制棒被拉伸成直径例如为1 mm 的棒，然后被拉伸成最终直径例如为125 μm 的光纤。

特别是软玻璃和聚合物(塑料)也可以通过挤压法制造光子晶体光纤的预制件。由于孔的排列方式千差万别，形成了具有不同性质的光子晶体光纤。所有这些光子晶体光纤都可以视为特种光纤。

图2:光子晶体光纤预制棒的检测。图片由南安普敦大学光电研究中心提供。

大多数 PCF 由纯熔融石英制成，这与上述制造技术兼容。然而，已经证明了由其他材料制成的各种PCF中 ，最值得注意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。另一个有趣的方法也是用 3D 打印技术生产软玻璃 PCF 预制件。

光子晶体光纤设计

根据设计的不同，光波导的物理机制可能会有很大的不同。最重要的几种设计如下。

三角形孔模式

最简单(也是最常用)类型的光子晶体光纤具有三角形的气孔图案，其中一个气孔缺失(见图1)，即实芯被气孔阵列包围。这种光子晶体光纤的导向特性可以通过有效折射率模型大致地理解：缺失孔的区域具有更高的有效折射率，类似于传统光纤中的纤芯。这种制导原理可以在非常宽的波长范围内工作；甚至可以在非常宽的光谱范围内获得单模制导(无限单模光纤)。

光子带隙光纤

还有所谓的光子带隙光纤(PBG光纤)，其具有完全不同的导向机制，基于包层区域的光子带隙，被认为是二维光子晶体。基于这种机制，人们甚至可以在空芯(即低折射率区域)中获得导向(见图2)，从而使大部分功率在中心孔中传播。这种空气引导空芯光子晶体光纤(或空芯带隙光纤)可以具有非常低的非线性和极高的损伤阈值。

光子带隙光纤通常仅在相对较窄的波长区域(例如100–200nm)内传导光，并且可以用于例如具有高强度的脉冲压缩，因为大部分功率在空芯中传播。

图3:空心光纤末端的显微镜照片。照片由NKT光子公司提供。

放大器和激光器用有源光纤

用于光纤激光器和放大器的有源光子晶体光纤，可以通过使用稀土掺杂棒作为预制棒组件的中心元件。稀土掺杂剂(如镱或铒)倾向于增加折射率，但是这可以得到精确的补偿，例如在芯材或预制件中额外掺杂氟或在包层中掺杂锗，使得导向特性仅由光子微结构决定，而不是由传统类型的折射率差决定。例如，使用稀土掺杂的PCF，可以实现在1微米区域工作的孤子锁模光纤激光器，其中光纤的色度色散通常在正常色散状态，但在合适的设计中可能会出现异常。然而，也可以通过在激光谐振器中加入色散修正的无源光纤来实现色散管理。

对于高功率光纤激光器和放大器，可以使用双包层PCF(图4 ),其中泵浦包层被空气包层区域(空气包层光纤)包围。由于非常大的折射率对比度，泵浦包层可以具有非常高的数值孔径(NA ),这显著降低了泵浦源对光束质量和亮度的要求。这种PCF设计还可以具有非常大的光纤芯模面积，同时仅引导单模，从而限制衍射输出，因此适用于极高的输出功率和极佳的光束质量。另一个优点是泵浦光远离任何聚合物涂层，因此避免了涂层过热可能造成的问题。

图4:具有空气包层的光子晶体光纤的结构。

掺杂光子晶体光纤具有良好的特性，也可用于具有非常高的输出峰值功率的光纤啁啾脉冲放大系统。

模式配置文件

在大多数情况下，光子晶体光纤要么只支持单模传播，要么只支持少量的引导模式(少模光纤)。基本导模的强度分布很大程度上集中在纤芯中，而高阶模式则更倾向于延伸到包层区域。通常情况下，模式场延伸到气孔的程度非常小；强度模式在孔之间被“挤压”。

这种光纤的模式特性的计算相对困难，原因如下：(a)因为没有给出径向对称性(与大多数全玻璃光纤相反)，以及(b)因为空气和玻璃之间的折射率差异较大。需要高级模式求解软件，这通常比限于LP模式的简单的模式求解器需要长得多的计算时间。

通过设计可获得的特性

具有不同孔型设计(涉及晶格的基本几何形状、孔的相对大小以及可能的微小位移)的光子晶体光纤可以具有非常显著的特性，这在很大程度上取决于设计细节:

· 多模光纤可以获得非常高的数值孔径，例如0.6或0.7的多模光纤(对于双包层光纤的泵浦包层也是如此)。

· 在孔尺寸和孔间距比例较小的情况下，可以获得非常宽的波长范围内的单模引导(无限单模光纤)。

· 可以实现极小的有效模式区域，从而获得高度非线性的光纤。

· 此外，还可以实现极大的模式面积；数值孔径可能小于传统的全玻璃光纤设计。这导致非常弱的光学非线性，例如，当需要引导峰值功率很高的超短脉冲时，这种非线性光纤就非常有用。PCF对弯曲损耗的敏感度很低，即使在大模式区域也是如此。

· 某些孔排列会产生光子带隙(→光子带隙光纤)。基于该原理，即使在空芯中也能实现引导，因为内部不再需要更高的折射率。这种空气引导空芯光纤具有优点，例如可用于高脉冲能量水平下的色散脉冲压缩。

· 特别是对于较大的孔，可以在孔内填充气体或液体。充气PCF可用于光纤传感器、在极高功率水平下进行非线性光谱展宽或在极高功率水平下进行可变功率衰减器。

· 强偏振相关衰减(偏振光纤)可以通过不同的方式获得。例如，可以有一个偏振相关基模切断，这样光纤在一定波长范围内只能引导一种偏振光。

· 同样，也可以通过强烈衰减较长波长的光来抑制拉曼散射。

· 非常不寻常的色散特性，在可见光波长范围内的异常色散，特别适用于具有较小模式面积的PCF。存在相当大的设计自由度，允许理想参数的不同组合。

· 多芯设计是可能的，例如在单根光纤中采用规则纤芯结构模式。纤芯之间可能存在耦合，也可能不存在耦合。

光纤末端的技术问题

总体而言，光子晶体光纤的处理方式与标准光纤类似。但是，在各个方面都需要特别注意：

· PCF的末端不能用液体溶剂(如乙醇)清洗，因为毛细管力可能会将液体物质吸入孔中。当然，孔中的任何液体都讲严重影响其导向性能。甚至还有人在研究如何利用这种效应、例如可变光衰减器:通过控制液体渗透的程度来获得可调的光损耗量。

· 切割和熔接PCF是可能的，但可能比较困难，特别是对于含有大量空气的光纤。在熔接过程中，空气可能会膨胀并扭曲光纤结构。光纤之间的连接也可以使用各种机械接头、光纤连接器、保护跳线、扩束装置等实现。

· 即使熔接过程运行良好，也可能会由于以下原因造成大量耦合损耗。例如当小芯PCF与标准单模光纤耦合时。有专门的锥形单模光纤和锥形PCF来提高耦合效率，但这些光纤和PCF的耦合效率可能不高。

无芯端盖的制造方法很简单，只需对光纤端部附近的孔进行热熔处理即可。密封的端面可以在光纤表面形成更大的模式区域，从而提高损坏阈值，例如用于放大强纳秒脉冲。

应用

这些特殊性质使得光子晶体光纤具有非常广泛的应用前景。比如:

· 光纤激光器和放大器，包括高功率设备，锁模光纤激光器等。

· 非线性设备，例如超连续谱产生(→频率梳), 拉曼转换 , 参量放大，或者脉冲压缩

· 电信元件，例如用于色散控制、滤波或开关的元件

· 各种光纤传感器

· 量子光学，例如产生相关光子对，电磁诱导透明性，或引导冷原子。

尽管PCF已经存在多年，但其广泛的应用范围还远远未被充分开发。预计该领域将在未来许多年内保持非常活跃的状态，在光纤设计和应用方面，都将有更多的创造性工作机会。