光子晶体光纤的研究现状及其应用

0.引 言

光子晶体光纤（PCF，photonic crystal fiber）的概念最早由ST. J. Russell等人于 1992年提出。这一光纤在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤的端面看，存在周期性排列的二维结构，如果其中 1 个孔遭到破坏或缺失，就会出现缺陷，光能够在缺陷内传输，与普通单模光纤不同，光子晶体光纤是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔光纤 （holey fiber） 或是微结构光纤（micro- structuredfiber）。世界上的第一根光子晶体光纤于 1996年由英国 Bath大学的J. C. Knight 等人制作。

根据光子晶体光纤的导光机理可以把它分为两大类型：全反射导光型（TIR，total internal reflection）和光子带隙导光型（PBG，photonic band gap）。与传统光纤比，光子晶体光纤具有许多重要的特点，如可以在很大的波长范围内保持单模传输特性；可以在大模场面积的光子晶体光纤里保持单模传输特性；空气孔结构的变化可以导致许多重要的应用，如高双折射光纤；PCF具有特殊的色散特性，可以通过调整空气孔结构来改变光纤的零点色散。通过改变光纤纤芯的大小，可以使光纤具有极低和极强的非线性效应等等。

1.光子晶体光纤的基本原理

光子晶体光纤具有周期性的排列结构，它同传统的光纤在传输机理上有很大的不同，根据光子晶体光纤的分类，确定了两类基本的传输模型。

1.1.全反射型（TIR）光子晶体光纤

全反射型光子晶体光纤纤芯的折射率高于包层的平均折射率，因此由传统的光学理论可以认为光束被束缚在光纤中传输。通过改变石英同空气孔的比例关系可以调节光纤折射率差的大小，当空气孔足够小的时候，任意波长的光均能在光纤中传输而不被截止，成为“无尽单模”的传输特性。[2]这种光纤的传输原理同普通光纤相似，通常利用分析普通光纤的类似方法进行分析和研究工作。图 1 为全反射型光子晶体光纤的结构图。

1.2.光子带隙型（PBG）光子晶体光纤

光子带隙存在于光子晶体中，光子晶体是由不同折射率的介质材料周期性排列而成的，当它的排列周期大小同光的波长差别不大时，周期性的结构会使光子晶体具有类似电子晶体一样的能带结构，使某些波长的光不能通过光子晶体传输，如果引入一个缺陷破坏它的周期性质，则这个波长的光就可以在这个缺陷中传输。[3]光子带隙型光子晶体光纤就是这种类型的光子晶体。图 2为光子带隙型光子晶体光纤的结构图。

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