多孔光纤的展望

江湖人

? 1 前 言
??被前所未有地广泛使用的光纤是在石英玻璃中添加掺杂而在截面内形成一定的折射率分布而制成的。人们通过对截面内的折射率分布加以各种改良，开发了具有低非线性的传输用光纤和具有精密调节的波长色散特性的色散补偿光纤，对近年来波分复用传输系统容量的扩大作出了贡献。光纤的特性对于传输系统的特性来说极为重要，而当前作为飞速提高光纤特性的技术而吸引着人们注意的则是多孔光纤及光子晶体光纤。多孔光纤（Holey Fiber）是带有空孔（Hole）的光纤，它沿光纤长度方向存在几个或几十个延伸的空孔。由于引入空孔可以得到在石英玻璃中掺杂所无法实现的大折射率差，所以可以获得常规光纤所没有的各种新的特性。特别是在截面内空孔有规律配列的光子晶体光纤可以实现新导波原理下的光子带隙导波。从而使以空孔作为纤芯进行光传导成为可能，拓展了兼具低损耗、低色散、低非线性等特性的理想传输媒体的可能性。本文展望多孔光纤及光子晶体光纤所实现的新特性及其应用领域。

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2 多孔光纤
??多孔光纤是沿光纤长度方向具有延伸的空孔的光纤。空孔的折射率大体上为1，与石英玻璃约1.46的折射率相比要来得低，因此在引入空孔的区域折射率实际上被降低。因此，如果在包层中引入空孔，使包层的有效折射率比纤芯折射率更低，那么通过与传统光纤相同的全内反射就可以将光约束起来［图1（a）、（b）］。在空孔的配列呈周期性的情况下，这种光纤就称为光子晶体光纤（PCF：Photonic crystal fiber），或称为全内反射型PCF。这里，等效折射率被定义为当将含空孔的区域用假想的均匀媒质置换而导波特性近似时，该均匀媒质的折射率。传统光纤截面内的折射率变化至多为1～2%，而多孔光纤中的折射率变化最大可达36%。从而实现了下面所述的多种新的特性。
多孔光纤的一般制造方法是将用玻璃管束在一起而形成的预制件进行拉丝的方法（图2）。典型的尺寸为，玻璃管直径约1mm，预制件直径约20mm，拉丝后的光纤直径为20～200μｍ。拉丝后光纤的截面结构与预制件的截面结构形状基本相似，光纤中空孔间隔为１～１０μｍ。

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２．１波长色散
??就多孔光纤的特征来说，它对波长色散有高的控制性。这是因为与传统光纤相比，多孔光纤的有效折射率差要大１０倍以上，所以波导色散对波长色散的贡献较大。因此，通过设法改进波导结构就可以实现以下列举的各种波长色散特性。作为第一个例子，包层中空孔的占有率高，芯／包间有效折射率差大的多孔光纤［图１（ａ）］可获得传统光纤难以实现的大正色散（异常色散），因此可以实现在１．２８μｍ以下，石英玻璃的材料色散变成负值的波长区具有零色散波长的光纤。这样的光纤可以使需要正波长色散的非线性光效应应用于可见光波段等１．２８μｍ以下的波长范围。另外，如２．２节所述的那样，这种多孔光纤获得了小的纤芯有效截面积，因此能高效地发生非线性光学效应。例如：在８５０ｎｍ波长下的孤子传输及８００ｎｍ波长下的宽带光发生已得到实验验证。作为多孔光纤波长色散的第二个例子，可以举出通过进一步扩大芯／包间的有效折射率差来产生大的负色散。就大折射率差的极限来说，在由石英玻璃纤芯及空气包层构成的结构中，于１５５０ｎｍ下的波长色散达到－２０００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ。这比传统的色散补偿光纤还要大１０倍左右，因此可望用于色散补偿。仅用空气作包层实际上是难以实现的，但与其接近的色散特性却可以通过提高多孔光纤包层中空气孔的占有率犤图１（ａ）犦来实现。作为第三个例子，如图１（ｂ）所示，配列于包层中的空孔直径较细的ＰＣＦ（空孔直径约为空孔间隔４０％的程度）。通过将空孔直径与间隔最优化，可以在宽的波长范围实现平坦的波长色散特性，因而可望用于传输线路中。

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?２．２纤芯有效截面积
??用于传输线路和波长色散补偿的光纤，如果纤芯的有效面积增大，则光密度可下降，通常可以抑制非线性光效应。另一方面，为了实现未来通信系统中必需的全光信号处理，需要减小纤芯有效截面积从而提高非线性光效应发生效率的光纤。与传统的光纤相比，多孔光纤既可以将纤芯有效截面积做大，也可以使其做小。大的纤芯有效截面积用空孔直径较细的ＰＣＦ犤图１（６）犦得到，例如利用在１５５０ｎｍ波长下纤芯有效截面积为２．８μｍ的多孔光纤的自相位调制再生光脉冲，以及采用掺Ｙｂμｍ芯径多孔光纤的波长可变脉冲光源等已得到实验验证。另外，在缩小纤芯有效截面积的同时，与纤芯的耦合也变得困难了。为此人们也为解决这一问题而进行了试验。这是将图１（Ｃ）所示的空气包层光纤加热延伸来进行的，这种光纤具有通过向石英玻璃掺杂而形成的芯／包结构，又在包层的外围部分设有空气孔。空气包层光纤由于与传统光纤一样具有掺ＧｅＱ的８μｍ芯径，所以与纤芯的光耦合比较容易，导光的纤芯与外围部分的空孔之间有３０μｍ直径的包层，因此空孔给予导光特性的影响很轻微。然而，通过将这样的光纤加热延伸到１／１０以下的直径，在受延伸部分得到小的纤芯有效截面积的同时，在端部则实现了高效的光耦合，所以被应用到了波长可变脉冲光源。

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２．３ 模数
??确定光纤导波模数的Ｖ值由式（１）给出，在Ｖ＜２．４的范围则成为单模。

??式中，ａ为纤芯半径，ｎ芯与ｎ包分别为纤芯与包层的折射率。由于材料折射率相对于波长的变化较缓慢，因此传统光纤的Ｖ值与波长差不多成反比，如果缩短工作波长，就出现多模化。另一方面，图１（ｂ）所示的ＰＣＦ如果工作波长缩短，光电场向空孔的渗出就减小，所以包层的等效折射率ｎ上升，从而接近于玻璃的折射率。其结果是，随着短波长化，折射率差减小，Ｖ值的波长依存性减弱，从而可以在宽带宽内单模工作。这对宽带传输线路及高次谐波发生来说是有用的。
??２．４ 双折射
??多孔光纤与传统的光纤一样，存在对应于两个偏振态的基模，在具有三次以上旋转对称性的结构中，因两个模式退化而不产生双折射。另一方面，在非对称性的结构中，由于玻璃与空气有大的折射率差，所以得到了大的双折射。例如，实现了０．４ｍｍ的拍长，大约为传统保偏光纤的１／１０，有望成为具有更优异保偏特性的光纤。

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3 光子带隙光纤
??通过引入空孔而实现的新功能最充分的功能是通过光子带隙来导光。在传统的光纤中，光从高折射率的纤芯向低折射率的包层行进会因全内反射而回到纤芯中。第２节中所述的多孔光纤导光原理同样是全内反射。而在新的导波原理中，折射率或周期分布的包层则反射特定波长的光。折射率的空间分布为周期性的结构称为光子晶体（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ），由恰当设计的光子晶体生成，而不存在传输模的光频带则称之为光子带隙（ＰＢＧ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐ）。保持在属ＰＢＧ状态的光在光子晶体中成指数衰减，因此不能传输，入射到晶体的光被反射，在晶体中存在周期性结构紊乱（缺陷）的情况下，光局限在缺陷处。如果在具有光子晶体结构的光纤中引入沿光纤伸展的线状缺陷，则要从缺陷向周围晶体流出的光就因ＰＢＧ引起的反射而回到缺陷处，于是光就沿缺陷进行传输。最终，缺陷成为纤芯，包围在其周围的晶体就成为包层。这种以ＰＢＧ为导波原理的光纤就称为ＰＢＧ光纤。ＰＢＧ光纤的导波原理与传统光纤的大大不同，但传导模的形状相似，显示出存在对应于两个偏振态的基模。
最初演示的ＰＢＧ光纤是如图３（ａ）所示的结构。包层的空孔配列是蜂窝状结构，纤芯引入以周期性分割的空孔。相邻空孔的间隔为１．９μｍ，空孔的直径为０．８μｍ。用５ｃｍ 的光纤观察到了４５８～５２８ｎｍ波长范围的光传导。在这种结构中，传导模的折射率比１高，因此纤芯的空孔中不存在光电场，光电场局限在周围的玻璃内。在图３（ｂ）所示的结构中实现了向空孔的光约束。在这种结构中，包层的空孔配列成六角形点阵，而纤芯是７倍于包层空孔大小的空孔。空孔间隔为４．９μｍ，空孔直径约为３μｍ。在３ｃｍ长的这种光纤中，观察到了可见光波段的光传导。ＰＢＧ光纤与传统光纤关键的不同之处是纤芯折射率可以任意设定。特别是以空孔作纤芯的光纤可望成为兼具低损耗、低色散、低非线性的理想传输媒体。

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4 传输损耗的降低
??多孔光纤和光子晶体光纤，一方面可以实现传统光纤所没有的新特性，但另一方面，传输损耗过大却是一个问题。传输损耗的主要原因是空孔及其表面的杂质所引起的吸收损耗，特别是因ＯＨ根离子引起的吸收较大。当初在１５５０ｎｍ处的传输损耗达２４０ｄｂ／ｋｍ而非常高，从而成为实用化的障碍。至于降低因杂质引起的传输损耗的方法，首先是在制造过程中防止杂质的侵入，不过减轻杂质对传输损耗的影响也是有效的。通过多孔光纤传输的光功率中，通常有０．１～１％的比例存在于空孔中，而杂质对传输损耗的贡献也占这个比例。光功率在空孔中的降低对波长色散等其它特性也有影响，但作为一种进一步减少空孔中光功率而实现特异特性的结构，人们又提出了带空孔型光纤（HALF：Hole assisted ligatguide fiber）的方案，这种结构犤图1（d）犦采用高折射率的纤芯与低折射率的包层将光约束在光纤中，通过在靠近纤芯的部位加上空孔而实现特异的特性。另一方面，在图１（ａ）、（ｂ）的结构中，空孔对光传导来说是必须的。而由于这种结构的不同，ＨＡＬＦ与原来的多孔光纤相比由于空孔内光功率较少，所以可以实现大的波长色散。制作的ＨＡＬＦ光纤具有图４所示的结构。直径约５μｍ的４个空孔被配置在纤芯（图中没有显示出来）周围。芯径为１０μｍ，与包层的比折射率差为０．４％。这种HALF在1550nm波长下具有+34PS/nm/km的大波长色散，同时具有0.8db/km的低传输损耗，在1380nm处的吸收峰也抑制在7.9db/km（图5）。另外，波长色散与用矢量有限无法计算的结果较好一致。另一方面，日本NTT等的研究将全内反射型PCF在1550nm下的传输损耗降到了3.2db/km。这样，作为实用化障碍的传输损耗得到了切实的改善。

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5 结束语
??多孔光纤和光子晶体光纤是实现传统光纤所没有的新功能的技术。光子晶体光纤使利用新导波原理的光子带隙导波成为可能，可望实现以空孔作为纤芯的理想传输线路。另外，多孔光纤也获得了传统光纤无法实现的特性，可望用于色散补偿和非线性光效应的应用，特别是后者的研究非常活跃。而且，降低传输损耗等面向实用化的研究也在取得成果。

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以上摘直：http://www.ye2000.com/xllj/doc/20020612xl0305.htm