PCF導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩類:折射率導(dǎo)光機(jī)理和光子能隙導(dǎo)光機(jī)理。
折射率導(dǎo)光機(jī)理:周期性缺陷的纖心折射率(石英玻璃)和周期性包層折射率(空氣)之間有一定的差別,從而使光能夠在纖芯中傳播,這種結(jié)構(gòu)的PCF導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射,但與常規(guī)G.652光纖有所不同,由于包層包含空氣,所以這種機(jī)理稱為改進(jìn)的全內(nèi)反射,這是因?yàn)榭招綪CF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長(zhǎng)還小的緣故。
光子能隙導(dǎo)光機(jī)理:在理論上,求解電磁波(光波) 在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯PCF 的傳導(dǎo)條件,其結(jié)果就是光子能隙導(dǎo)光理論。如圖1 所示,中心為空芯,雖然空芯的折射率比包層石英玻璃低,但仍能保證光不折射出去,這是因?yàn)榘鼘又械男】c(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小孔間的距離和小孔直徑滿足一定條件時(shí),其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播,光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。最近有研究表明,這種HF 中可傳輸99 %以上的光能,而空間光衰減極低,因此光纖衰減可能只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的1/ 2~1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙導(dǎo)光。
空芯PCF的光子能隙傳光機(jī)理的具體解釋是:在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣,傳光機(jī)理是利用包層對(duì)一定波長(zhǎng)的光形成光子能隙,光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空芯PCF中不能發(fā)生全內(nèi)反射,但包層中的小孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)就像一面鏡子,這樣光就在許許多多的小孔的空氣和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。
PCF的特性
PCF 有如下特點(diǎn):結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很靈活,具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu);芯和包層的折射率差可以很大;芯可以制成各種各樣;“包層折射率”是強(qiáng)烈依波長(zhǎng)而變的函數(shù),包層性能可以反映在波長(zhǎng)尺度上。正因?yàn)橛幸陨咸攸c(diǎn), PCF 有著以下許多奇異特性:
(1)無(wú)截止單模( Endlessly Single Mode)
傳輸普通單模光纖隨著纖芯尺寸的增加會(huì)變成多模光纖。而對(duì)于PCF ,只要其空氣孔徑與孔間距之比小于0. 2 ,無(wú)論什么波長(zhǎng)都能單模傳輸,似乎不存在截止波長(zhǎng)。這就是無(wú)截止單模傳輸特性。這種光纖可在從藍(lán)光到2μm 的光波下單模傳輸。更為奇特的是這種特性與光纖的絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān),因此通過(guò)改變空氣孔間距可調(diào)節(jié)模場(chǎng)面積。在1 550 nm可達(dá)1~800 μm2 ,實(shí)際上已制成了680 μm2 的大模場(chǎng)PCF ,大約是常規(guī)光纖的10 倍。小模場(chǎng)有利于非線性產(chǎn)生,大模場(chǎng)可防止發(fā)生非線性。這對(duì)于提高或降低光學(xué)非線性有極重要的意義。這種光纖具有很多潛在應(yīng)用,如激光器和放大器(利用高非線性光纖) ,低非線性通信用光纖,高光功率傳輸。
(2)不同尋常的色度色散
真空中材料色散為零,空氣中的材料色散也非常小。這使得空氣芯PCF 的色散非常特殊。由于光纖設(shè)計(jì)很靈活,只要改變孔徑與孔間距之比,即可達(dá)到很大的波導(dǎo)色散,還可使光纖總色度色散達(dá)到所希望的分布狀態(tài)。如零色散波長(zhǎng)可移到短波長(zhǎng),從而導(dǎo)致在1 300 nm 實(shí)現(xiàn)光弧子傳輸;具有優(yōu)良性質(zhì)的色散平坦光纖(數(shù)百nm 帶寬范圍接近零色散) ;各種非線性器件以及色散補(bǔ)償光纖(可達(dá)2 000 ps/ nm·km) 都應(yīng)運(yùn)而生。
(3)極好的非線性效應(yīng)雙折射效應(yīng)
G.652光纖中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)是由于光纖的單位面積上傳輸?shù)墓鈴?qiáng)過(guò)大造成嚴(yán)重?fù)p傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個(gè)現(xiàn)象。然而,在光子能隙導(dǎo)光PCF中,我們可以通過(guò)增加PCF纖芯空氣孔直徑(即PCF的有效面積)來(lái)降低單位有效面積上的光強(qiáng),從而達(dá)到大大減少非線性效應(yīng)的目的。光子能隙導(dǎo)光的這個(gè)特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
(4)優(yōu)良的雙折射效應(yīng)
對(duì)于保偏光纖而言,雙折射效應(yīng)越強(qiáng),波長(zhǎng)越短,所保持的傳輸光偏振態(tài)越好。在PCF中,只需要破壞PCF剖面圓對(duì)稱性,使其構(gòu)成二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強(qiáng)的雙折射。通過(guò)減少空氣孔數(shù)目或者改變空氣孔直徑的方式,可以制造出比常用的熊貓牌保偏光纖高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的高雙折射率PCF保偏光纖。
光子晶體光纖在光纖通信的應(yīng)用
PCF在光纖通信系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用主要有兩個(gè)方面:傳輸光纖和光器件。PCF作為傳輸光纖的研究要點(diǎn)是改進(jìn)制造工藝、降低光纖損耗。PCF作為光器件的研究要點(diǎn)是通過(guò)調(diào)整PCF的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)PCF器件所需要的性能。
眾所周知,作為光信號(hào)傳輸介質(zhì),無(wú)論是G.652光纖還是PCF都應(yīng)該滿足低損耗、小色散和低非線性效應(yīng)。與G.652損耗機(jī)理相同,PCF損耗主要來(lái)源于吸收和散射。此外,由于PCF結(jié)構(gòu)的特殊性,也自然帶來(lái)了一些特殊的損耗來(lái)源,如模式泄漏損耗和結(jié)構(gòu)缺陷損耗。表1給出了PCF的損耗來(lái)源。
人們采取了一系列措施來(lái)降低PCF的損耗,主要有(1)提高芯/包層材料的純度;(2)采用減少污染包層材料管的工藝;(3)通過(guò)合理設(shè)計(jì)空氣填充比/空氣孔數(shù)量來(lái)降低泄漏模式。
PCF具有的低損耗、小色散、低非線性效應(yīng)特性,使得其在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用是非常有前途的,尤其對(duì)于長(zhǎng)途通信系統(tǒng)。隨著PCF設(shè)計(jì)方法和制造工藝的不斷改進(jìn),PCF性能正日趨完善。特別是K.Tajima等人通過(guò)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù),如空氣孔直徑d和空氣孔間距r,以及d/r比值,大道理既減少PCF的衰減,又改善PCF的色散和色散效率的目的。現(xiàn)在,PCF已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)研究階段。
2003年初的世界光纖通信會(huì)議(OFC)上,日本電報(bào)電話公司(NTT)接入網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的K.Tajima等人報(bào)道了他們研制出的衰減為0.37 dB/km 的超低衰減、長(zhǎng)長(zhǎng)度的PCF。PCF具有完全的單模特性,可用工作波長(zhǎng)范圍為0.458—1.7μm。
C.Peucheret等人的研究小組利用5.6 km 的PCF線路進(jìn)行工作波長(zhǎng)為1550 nm的40Gbit/s的傳輸實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用的PCF的有效面積是72平方μm、衰減為1.7dB/ km、色散系數(shù)為32 ps/(km. nm)。實(shí)驗(yàn)表明,PCF作為光信號(hào)傳輸介質(zhì)時(shí),系統(tǒng)的性能沒(méi)有劣化,與G.652光纖相比,PCF最大優(yōu)勢(shì)是在保證很小的偏振模色散系數(shù)的前提下,色散系數(shù)、有效面積和非線性系數(shù)可以靈活設(shè)計(jì)。
如上所述,PCF本身就是一種良好的色散補(bǔ)償光纖。通過(guò)靈活設(shè)計(jì)PCF的3個(gè)特征結(jié)構(gòu)參數(shù):纖芯直徑、包層空氣孔直徑和包層空氣孔間距,我們就可以獲得很大的正色散,或者很大的負(fù)色散,或極寬波段的平坦色散PCF。特別是PCF的靈活色散、色散效率補(bǔ)償帶寬管理能量比G.652光纖大幾倍,故PCF具有優(yōu)良的色散補(bǔ)償性能,有希望代替普通的色散補(bǔ)償光纖,成為新一代色散補(bǔ)償光纖。
由于普通色散補(bǔ)償光纖的芯/包層折射率差?。?.45/1.3),所以其色散補(bǔ)償能力差。而PCF的芯/包層差大(1.45/1),因此PCF具有很強(qiáng)的色散補(bǔ)償能力。清華大學(xué)的研究人員從理論上計(jì)算了PCF的色散值,在計(jì)算中所選擇的PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)是:空氣孔間距為0.8μm,空氣孔直徑與空氣孔間距之比是0.835。計(jì)算得到,在1.55μm PCF的色散值可以達(dá)到-2050 ps/(km. nm),可以補(bǔ)償120倍長(zhǎng)度的G.652光纖(17 ps/(km. nm)),可以補(bǔ)償240倍長(zhǎng)度的G.655光纖(8.2 ps/(km. nm)),從而大大縮短了色散補(bǔ)償光纖的長(zhǎng)度。因此,PCF的色散補(bǔ)償作用在高速率、大容量、遠(yuǎn)距離的WDM系統(tǒng)中將會(huì)具有極大的應(yīng)用價(jià)值。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
PCF可以構(gòu)成光纖激光器和光纖放大器,究其理由是通過(guò)調(diào)整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設(shè)計(jì)出模場(chǎng)面積范圍為1--1000μm2的 PCF,使得PCF在光纖激光器和光放大器研制中比G.652光纖更具有優(yōu)勢(shì)。
已經(jīng)取得研究進(jìn)展的PCF與光纖通信相關(guān)應(yīng)用還有:光波長(zhǎng)變換、拉曼放大器、光孤子激光器、光纖光柵和連續(xù)譜發(fā)生器等。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。