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折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)類型與機理

光子晶體光纖（photonic crystal Fiber，PCF）的概念,。與普通光纖是由包層與纖芯兩種介質(zhì)組成向類比,，光子晶體光纖通常是由單一介質(zhì)構(gòu)成的，其包層周期性地規(guī)則對稱分布著具有波長量級的空氣孔陣列,，包層外為涂覆層,。因此,，也可以稱其為“多孔光纖"（Holey Fiber）或“微結(jié)構(gòu)光纖"（Microstructure Fiber）。光纖的中心,，即被空氣孔陣列包層包圍的纖芯部位,，可以視為周期結(jié)構(gòu)陣列中存在的“缺陷"。

光子晶體光纖的微結(jié)構(gòu)特性主要由三個參量決定,，即空氣孔的直徑d,，相鄰兩孔之間的距離Δ，以及纖芯的直徑D,。光子晶體光纖的這種微結(jié)構(gòu)特定決定了它與傳統(tǒng)光纖的特性有很大差異,。

一、光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)類型,、機理與特性

根據(jù)纖芯缺陷部位的介質(zhì)情況,，可以將光子晶體光纖區(qū)分為兩類：纖芯可以是實心的，即與包層介質(zhì)相同,，稱其為折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖,。這種光子晶體光纖可視為由許多石英芯的細(xì)微管按照設(shè)計要求的六角形等做規(guī)則排列,，纖芯缺陷處插入實心細(xì)石英棒,，而后在高溫下通過數(shù)次復(fù)絲拉伸獲得；纖芯也可以是空心的（即為空氣孔）,，稱其為光子帶隙引導(dǎo)型光子晶體光纖,。

圖1.折射率引導(dǎo)型光纖晶體光纖

折射率引導(dǎo)型PCF的傳光機理，與傳統(tǒng)階躍光纖的纖芯與包層界面處全反射的傳光機理類似,。纖芯為石英材料,，其折射率為包層則為由石英材料和空氣孔構(gòu)成的二維光子晶體，其多孔的陣列結(jié)構(gòu)有效地降低了包層的平均折射率（包層折射率可視為石英與空氣折射率的平均,，并以空氣填充率加權(quán)）,，因而包層材料的有效折射率低于纖芯即其折射率差構(gòu)成了與傳統(tǒng)階躍光纖類同的內(nèi)反射傳光機理。為此,，又稱之為內(nèi)全反射（Total Internal Reflection）PCF,，簡稱TIR-PCF。

圖2.折射率引導(dǎo)型光纖晶體光纖特征參數(shù)

由于PCF的特殊結(jié)構(gòu),，使之具有一些常規(guī)光纖難以具有的特性,。對于普通的階躍折射率光纖，滿足單模傳輸?shù)臈l件是對于給定的光纖,，對應(yīng)著一個特定的波長 ,，只有當(dāng)工作波長時，才能保證單模傳輸,；而對于光子晶體光纖,，V參數(shù)同樣可以用來判斷PCF中的模式,。但不同的是，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計,，如調(diào)節(jié)占空比,，孔徑大小等可以使包層的有效折射率在一個很大的變化范圍內(nèi)得到改變，而不再是常數(shù),。例如,，可以獲得較大的相對折射率差Δ，其值甚至可超過常規(guī)光纖（約0.01）一個數(shù)量級以上,。另一方面隨著波長的減小,，光場越來越集中在折射率高的纖芯中，這相當(dāng)于等效地提高了包層折射率,，從而有效地減小了纖芯與包層之間的折射率差Δ,，使得歸一化頻率V趨于恒定值，因而使之能在更大的波長范圍內(nèi)滿足單模傳輸條件,。這表明,，當(dāng)空氣孔直徑d與空氣孔間距Δ之比d/Δ＜0.15時，光子晶體光纖對任意波長的光（從紫外到紅外的全波長范圍內(nèi)）,，均可保證單模傳輸,。此即重要的PCF無截止的單模傳輸特性。這一特性具有重要的意義,。

二,、具體應(yīng)用

例如，由于上述結(jié)論中不涉及PCF的纖芯直徑D,，即與光子晶體光纖的纖芯直徑無關(guān),。這就意味著當(dāng)我們將光子晶體光纖用于激光，特別是飛秒激光的產(chǎn)生,、放大和傳輸時,，可以將纖芯做得較大。從而在保證單模傳輸和光束質(zhì)量的情況下,，不僅大大提高其能夠承受的平均功率,，而且大大減小了因非線性效應(yīng)對飛秒激光峰值功率的限制。此即高功率非低線性的應(yīng)用,。正因為如此,，用大模場光子晶體光纖研制的飛秒激光振蕩級可輸出高達(dá)10 W的平均功率而沒有脈沖分裂，放大器輸出功率高達(dá)數(shù)百瓦而能保持高質(zhì)量的單模輸出,。

結(jié)語：目前,，大模場光子晶體光纖的纖芯直徑已經(jīng)接近100 um，平均功率數(shù)百瓦的單模高光束質(zhì)量的飛秒激光放大系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn),；也可將纖芯面積做得很小,，從而可以極大地提高泵浦效率,。

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