傳統(tǒng)的光纖是根據(jù)全內(nèi)反射機制傳導光。因此它要求光纖的纖芯必須具有高于包層的折射率。這種光纖已經(jīng)在光通信中起到了重要作用。但很難向大容量和遠距離通信的方向發(fā)展。其主要原因是光纖中的光能損耗和色散。因此。消除色散和降低損耗成為光纖技術(shù)努力的方向。色散可以分為模式色散-材料色散和波導色散。其中。模式色散可以通過單模光纖來克服；材料色散是由所用介質(zhì)材料引起的；單模光纖的波導色散取決于波導的結(jié)構(gòu)。如光纖剖面的折射率分布-纖芯直徑等。

在光纖長距離傳輸光信息的過程中。要求損耗盡可能少。光纖中光能損耗主要來源于吸收損耗和散射損耗。其中。吸收損耗包括本征吸收和雜質(zhì)（如氫氧根離子）引起的選擇吸收；散射損耗包括瑞利散射。光纖結(jié)構(gòu)不完善和材料中缺陷引起的散射。從硅玻璃光纖的光學損耗和波長關(guān)系得到了在；1.3μm和；1.55μm處分別有損耗極小值。目前已經(jīng)作為通信的兩個窗口。因此。研制能夠克服傳統(tǒng)光纖弱點的新一代光纖成為目前光電子器件發(fā)展的主要方向之一。

圖1.傳統(tǒng)光波導

經(jīng)過數(shù)十年的研究和探索。光子禁帶的概念終于在1987年被提出。光子禁帶是直接類比電子禁帶的結(jié)果，它是指通過人工設(shè)計作出類比于電子禁帶結(jié)構(gòu)的材料來阻止光子的傳播。這種類比電子禁帶結(jié)構(gòu)的人工合成材料在某一能量范圍內(nèi)光子不能通過光子禁帶晶體（簡稱光子晶體），或者說在光子晶體內(nèi)部產(chǎn)生的光不能傳播。換句話說，光子晶體就是通過人工制造方法，使其晶體材料具有類似于半導體硅和其他半導體中相鄰原子所具備的周期性結(jié)構(gòu)，只不過光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)的尺度遠遠大于電子禁帶晶體，其大小為波長數(shù)量級。如果破壞光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)，便使光子晶體成為不完全的光子晶體。光子晶體光纖就是應用這種不完全二維光子晶體延展為不完全三維光子晶體而成的。光子晶體具有光子帶隙和相應于帶隙區(qū)域的那些頻率的光波不能在這種晶體中傳播，而被全部反射出去，這是因為折射率的周期性變化起到了多維衍射光柵的作用。由于布拉格衍射偏轉(zhuǎn)了光波的傳播方向，在二維光子晶體光纖中引入一個“缺陷”作為光纖的核心，其目的是無光能損耗地將光陷獲在光纖核心中。

1光子晶體光纖的導光原理

目前已經(jīng)報道的光子晶體光纖是由晶格常數(shù)為波長數(shù)量級的二維光子晶體構(gòu)成的，即規(guī)則排列的空氣孔的硅光纖陣列構(gòu)成光纖的包層。光纖的核心由一個破壞了包層結(jié)構(gòu)周期性的缺陷構(gòu)成。這個缺陷可以是固體硅，也可以是空氣孔。對于核心為空氣孔的情況，通過作為包層的二維光子晶體的布拉格衍射，一定波長的光被陷獲在作為核心的空氣孔中。這種光子晶體光纖的導光機制是布拉格衍射，如圖2和圖3所示。光子帶隙導光使光纖設(shè)計更靈活。由于光子帶隙條件只依賴于包層的性質(zhì)，纖芯折射率可以自由選擇，有能力將光波限制在空纖芯中。對于核心為固體硅的情況，包層不存在光子帶隙，它的有效折射率是硅和空氣的體平均，它小于核心硅的折射率，所以這種光纖的導光機制一定是全內(nèi)反射。只要滿足全反射的條件，光完全可以局限在“纖芯”范圍內(nèi)傳播。

與全內(nèi)反射光纖相比，光子帶隙導向給予了額外的自由度。這種帶隙出現(xiàn)的條件有兩個：一是空氣孔的孔徑與孔間距的比值不小于0.4；二是精確控制氣孔的排列。因此，制作這種光子晶體在工藝上有較大難度。目前所報道的傳統(tǒng)的、低耗的光子晶體光纖都以全內(nèi)反射作為導光機制。

圖2.隧道被破壞的光子帶隙波導

圖3.布拉格光子晶體波導

2光子晶體光纖的制作

根據(jù)目前的報道，光子晶體的制作都要經(jīng)過拉伸、堆積和熔合等過程，如KnightJC等的制作方法：

（1）取一根直徑為30mm的石英棒，沿其軸線方向上鉆一條直徑為16mm的孔，隨后將石英棒研磨成一個正六棱柱；

（2）把該石英棒放在2000℃的光纖拉絲塔中，將它拉成直徑為0.8mm的細長正六棱柱絲；

（3）把正六棱柱絲切成適當長度的若干段，然后堆積成需要的晶體結(jié)構(gòu)，再把它們放到拉絲塔中熔合、拉伸，使內(nèi)部空氣孔的間距減小到50μm左右，形成更細的石英絲；

（4）在以上工作的基礎(chǔ)上，把上述石英絲高溫拉伸，形成最后的光子晶體光纖。

4結(jié)束語

光子晶體光纖的潛在應用包括超寬色散補償、短波長光孤子傳輸/發(fā)生、光纖傳感、極短拍長的偏振保持光纖、光子晶體天線、光學集成電路、超短脈沖激光器/放大器和光開關(guān)；當摻進非線性介質(zhì)時，還可望用于光開關(guān)、光限幅、光雙穩(wěn)和光倍頻等等。通過設(shè)計更加復雜的結(jié)構(gòu)和使用不同的材料，還會發(fā)現(xiàn)更多的用途。

光子晶體光纖的出現(xiàn)，使光電子技術(shù)進入了一個新的發(fā)展階段。可以預言，光子晶體光纖是有巨大潛力的產(chǎn)業(yè)。
責任編輯人：CC