折射率引导型光子晶体光纤的结构类型与机理

前言

光子晶体光纤（photonic crystal Fiber，PCF）的概念。与普通光纤是由包层与纤芯两种介质组成向类比，光子晶体光纤通常是由单一介质构成的，其包层周期性地规则对称分布着具有波长量级的空气孔阵列，包层外为涂覆层。因此，也可以称其为“多孔光纤”（Holey Fiber）或“微结构光纤”（Microstructure Fiber）。光纤的中心，即被空气孔阵列包层包围的纤芯部位，可以视为周期结构阵列中存在的“缺陷”。

光子晶体光纤的微结构特性主要由三个参量决定，即空气孔的直径d，相邻两孔之间的距离Δ，以及纤芯的直径D。光子晶体光纤的这种微结构特定决定了它与传统光纤的特性有很大差异。

一、光子晶体光纤的结构类型、机理与特性

根据纤芯缺陷部位的介质情况，可以将光子晶体光纤区分为两类：纤芯可以是实心的，即与包层介质相同，称其为折射率引导型光子晶体光纤。这种光子晶体光纤可视为由许多石英芯的细微管按照设计要求的六角形等做规则排列，纤芯缺陷处插入实心细石英棒，而后在高温下通过数次复丝拉伸获得；纤芯也可以是空心的（即为空气孔），称其为光子带隙引导型光子晶体光纤。

图1.折射率引导型光纤晶体光纤

折射率引导型PCF的传光机理，与传统阶跃光纤的纤芯与包层界面处全反射的传光机理类似。纤芯为石英材料，其折射率为包层则为由石英材料和空气孔构成的二维光子晶体，其多孔的阵列结构有效地降低了包层的平均折射率（包层折射率可视为石英与空气折射率的平均，并以空气填充率加权），因而包层材料的有效折射率低于纤芯即其折射率差构成了与传统阶跃光纤类同的内反射传光机理。为此，又称之为内全反射（Total Internal Reflection）PCF，简称TIR-PCF。

图2.折射率引导型光纤晶体光纤特征参数

由于PCF的特殊结构，使之具有一些常规光纤难以具有的特性。对于普通的阶跃折射率光纤，满足单模传输的条件是对于给定的光纤，对应着一个特定的波长 ，只有当工作波长时，才能保证单模传输；而对于光子晶体光纤，V参数同样可以用来判断PCF中的模式。但不同的是，通过适当的结构设计，如调节占空比，孔径大小等可以使包层的有效折射率在一个很大的变化范围内得到改变，而不再是常数。例如，可以获得较大的相对折射率差Δ，其值甚至可超过常规光纤（约0.01）一个数量级以上。另一方面随着波长的减小，光场越来越集中在折射率高的纤芯中，这相当于等效地提高了包层折射率，从而有效地减小了纤芯与包层之间的折射率差Δ，使得归一化频率V趋于恒定值，因而使之能在更大的波长范围内满足单模传输条件。这表明，当空气孔直径d与空气孔间距Δ之比d/Δ＜0.15时，光子晶体光纤对任意波长的光（从紫外到红外的全波长范围内），均可保证单模传输。此即重要的PCF无截止的单模传输特性。这一特性具有重要的意义。

二、具体应用

例如，由于上述结论中不涉及PCF的纤芯直径D，即与光子晶体光纤的纤芯直径无关。这就意味着当我们将光子晶体光纤用于激光，特别是飞秒激光的产生、放大和传输时，可以将纤芯做得较大。从而在保证单模传输和光束质量的情况下，不仅大大提高其能够承受的平均功率，而且大大减小了因非线性效应对飞秒激光峰值功率的限制。此即高功率非低线性的应用。正因为如此，用大模场光子晶体光纤研制的飞秒激光振荡级可输出高达10 W的平均功率而没有脉冲分裂，放大器输出功率高达数百瓦而能保持高质量的单模输出。

结语：目前，大模场光子晶体光纤的纤芯直径已经接近100 um，平均功率数百瓦的单模高光束质量的飞秒激光放大系统已经实现；也可将纤芯面积做得很小，从而可以极大地提高泵浦效率。