大模場(chǎng)光子晶體光纖特征參數(shù)

在光子晶體光纖的應(yīng)用中，光纖的傳輸模式、損耗、色散和模場(chǎng)面積等是決定其性能的重要參數(shù)。光子晶體光纖的許多應(yīng)用要求其單模傳輸，單模傳輸特性可保證光子晶體光纖輸出光束的質(zhì)量，這對(duì)信號(hào)傳輸系統(tǒng)、光纖放大器、激光器尤其是超快脈沖激光器的應(yīng)用極為重要。光纖的損耗決定了光信號(hào)的傳輸距離，在實(shí)際系統(tǒng)中損耗過大，則不可避免地需要增加信號(hào)放大器，既增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度又提高了運(yùn)營成本。色散是衡量光纖性能的另一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于信號(hào)傳輸、超連續(xù)譜發(fā)生、諧波的產(chǎn)生和孤子傳輸?shù)扔兄匾绊憽７蔷€性效應(yīng)是高功率光纖系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的最大障礙，為了突破非線性效應(yīng)的限制，各國研究者付出了艱辛的努力。在研究大模場(chǎng)光子晶體光纖的特性及應(yīng)用時(shí)，必須綜合考慮上述各影響參數(shù)。與傳統(tǒng)光纖類似，為了光子晶體光纖設(shè)計(jì)和性能表征的方便，研究者引入歸一化頻率V、模場(chǎng)面積Aeff、限制損耗Lc和色散D 等特征參數(shù)。

大模場(chǎng)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

目前大模場(chǎng)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要包括:大芯徑光子晶體光纖、棒狀光子晶體光纖、泄漏通道光子晶體光纖和壓力誘導(dǎo)光子晶體光纖等。

大芯徑光子晶體光纖

大芯徑法是實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)面積最簡單有效的方法。它主要通過使用實(shí)心棒取代光子晶體光纖內(nèi)環(huán)若干個(gè)空氣孔以形成纖芯區(qū)來增大纖芯直徑。目前取代1孔、3孔、7孔、19孔的光子晶體光纖均有報(bào)道。研究表明若保持光纖結(jié)構(gòu)及參數(shù)相同，相比于取代1孔的光子晶體光纖，取代3內(nèi)環(huán)空氣孔的光子晶體光纖的模場(chǎng)面積可增加30%，取代7空氣孔的光子晶體光纖模場(chǎng)直徑可達(dá)到35μm，甚至45μm。此外，光子晶體光纖的無截止單模特性與光纖結(jié)構(gòu)的絕對(duì)尺寸無關(guān)，當(dāng)改變結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，光子晶體光纖仍可保持單模傳輸，這就提供了一條實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)面積光纖的途徑，即可通過擴(kuò)大光子晶體光纖的尺寸以增大纖芯直徑。

棒狀光子晶體光纖

棒狀光子晶體光纖是Limpert等為進(jìn)一步提高光子晶體光纖激光器輸出功率，并免受高功率導(dǎo)致的受激拉曼散射、自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)限制而提出的一種新型大模場(chǎng)光子晶體光纖。這種棒狀光纖由毫米量級(jí)的大尺寸棒狀外包層、空氣孔微結(jié)構(gòu)內(nèi)包層和大直徑實(shí)心纖芯構(gòu)成。光纖中存在兩個(gè)重要的波導(dǎo)結(jié)構(gòu):一個(gè)用來傳輸抽運(yùn)光，另一個(gè)可用來傳輸激光，具有棒狀和光纖增益介質(zhì)的雙重優(yōu)點(diǎn)。2005年Limpert等報(bào)道了Yb3+ 摻雜外包層直徑為1.7mm、內(nèi)包層直徑為117μm、模場(chǎng)直徑為35μm、長度為48cm的單模大內(nèi)包層數(shù)值孔徑的棒狀光子晶體光纖，并且采用976nm的激光抽運(yùn)，得到了近衍射極限輸出功率為120W 的連續(xù)激光輸出。隨后，他們又制備出模場(chǎng)直徑分別為60μm和100μm的有源、無源單模光子晶體光纖，泄漏通道光子晶體光纖。

為了打破傳統(tǒng)光子晶體光纖中嚴(yán)格單模、低損耗、抗彎曲要求對(duì)模場(chǎng)直徑的限制，2005年，美國提出了一種新型抗彎曲嚴(yán)格單模大模場(chǎng)光子晶體光纖的設(shè)計(jì)方法:泄通通道型光子晶體光纖。這種光子晶體光纖由一環(huán)或幾環(huán)大直徑空氣孔和大直徑纖芯構(gòu)成，同時(shí)合理地選擇空氣孔的幾何分布并采用大孔間距Λ。研究表明大纖芯直徑可提高模場(chǎng)面積，大直徑空氣孔使得纖心和空氣孔形成很大折射率差，光纖對(duì)基模具有很強(qiáng)的限制作用，大孔間距Λ 使得高階模能夠從大孔間通道泄漏出去。泄漏通道光子晶體光纖中基模的損耗很小(小于0.1dB/m)，高階模的損耗很大(大于1dB/m)，因此可嚴(yán)格單模或近單模工作。這種光纖的出現(xiàn)對(duì)高功率光纖激光器和光纖放大器等光器件的發(fā)展形成了極大的推動(dòng)作用。

2005年Wong等制備出模場(chǎng)面積為1417μm2 單模低損耗泄漏通道光子晶體光纖，研究表明，當(dāng)纖芯直徑增大到100μm時(shí)，這種光纖仍能單模工作。2007年制備出模場(chǎng)面積為3160μm2 的摻Y(jié)b3+ 低損耗單模泄漏通道光纖和模場(chǎng)面積為1400μm2 的偏振保持泄漏通道光纖，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該光纖優(yōu)異的抗彎曲特性。

應(yīng)力誘導(dǎo)型光子晶體光纖

根據(jù)單模傳輸條件，當(dāng)纖芯直徑Dcore很大時(shí)，要保持光纖嚴(yán)格單模傳輸就必須降低光纖的數(shù)值孔徑NA。由于傳統(tǒng)光纖氣相沉積過程中摻雜控制精度的限制，傳統(tǒng)單模光纖的數(shù)值孔徑通常為NA>0.06，進(jìn)一步降低數(shù)值孔徑難度非常大，所以傳統(tǒng)單模光纖的模場(chǎng)面積有限。為解決NA 值難于進(jìn)一步降低的問題，F(xiàn)u等提出了應(yīng)力誘導(dǎo)型光子晶體光纖。與傳統(tǒng)空氣孔微結(jié)構(gòu)光子晶體光纖不同，應(yīng)力誘導(dǎo)型光子晶體光纖是由兩種熱膨脹系數(shù)不同(但相差不大)的玻璃材質(zhì)組成，以高折射率石英玻璃為背景，低折射率石英玻璃棒按照一定的規(guī)律分布在高折射率棒中，形成與空氣孔微結(jié)構(gòu)類似的等效低折射率玻璃棒微結(jié)構(gòu)包層。

在光纖的拉制過程中，由于擴(kuò)散、氣氛影響及其他表面效應(yīng)，低折射率玻璃棒的表面比內(nèi)部有更高的膨脹系數(shù)，當(dāng)光纖緩慢冷卻時(shí)在石英棒的周圍產(chǎn)生了低折射率的溝道，溝道與纖心區(qū)的折射率差為10-5量級(jí)，因此應(yīng)力誘導(dǎo)型光子晶體光纖可實(shí)現(xiàn)大直徑纖芯，并同時(shí)保持嚴(yán)格單模運(yùn)轉(zhuǎn)。2009年Fu等首次制造出包層尺寸為1.2mm、纖芯直徑為252μm、模場(chǎng)面積分別為17400μm(對(duì)應(yīng)波長為1.03μm)和31600μm(對(duì)應(yīng)波長為1.5μm)的應(yīng)力誘導(dǎo)型光子晶體光纖力誘導(dǎo)型PCF橫截面上灰色點(diǎn)代表氟摻雜的石英玻璃棒，按三角格子排列在純石英玻璃中，灰色的六邊形為低折射率的溝道，溝道和纖芯的折射率差為6(±1)×10。

綜上所述，以上各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn):大芯徑法是實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)光子晶體光纖最直接有效的方法，是其他方法的基礎(chǔ);棒狀光子晶體光纖的纖芯直徑和外徑均較大，既可提高光纖的散熱性能又可增加光纖的機(jī)械性能，可以免去有機(jī)聚合物涂覆層，提高了光纖的熱損傷閾值;泄漏型光子晶體光纖的尺寸通常與棒狀光子晶體光纖相當(dāng)，但是其結(jié)構(gòu)簡單，更易于制備，可采用擠壓、鉆孔等方法獲得;相比于以上幾種方法，應(yīng)力誘導(dǎo)型光子晶體光纖的纖芯與低折射率溝道折射率差極小，可更大程度地增大纖芯直徑，同時(shí)保持單模運(yùn)轉(zhuǎn)，然而其折射率精度控制要求極高，制備比較困難。

1998年英國Bath大學(xué)的Knight等首次提出光子晶體光纖是一種制造單模大模場(chǎng)光纖的新方法，并成功制備出模場(chǎng)直徑為22μm、模場(chǎng)面積為380μm 的大模場(chǎng)光子晶體光纖。然而，由于大模場(chǎng)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和預(yù)制棒制備工藝的復(fù)雜性，在隨后的幾年里其研究進(jìn)展緩慢。直到德國Jena大學(xué)的Limpert等通過實(shí)心棒取代空氣孔微結(jié)構(gòu)包層內(nèi)環(huán)若干數(shù)量空氣孔的方法，增大纖芯直徑，獲得了模場(chǎng)面積超過1000μm2 的單模光子晶體光纖。2005年以后，大模場(chǎng)光子晶體光纖的設(shè)計(jì)和制備方法開始多樣化，出現(xiàn)了各種形狀的大模場(chǎng)光纖結(jié)構(gòu)，包括泄漏通道光子晶體光纖、棒狀光子晶體光纖、多芯光子晶體光纖等。光纖的模場(chǎng)面積也相應(yīng)地得到極大提高。2007年美國IMRA 的Dong等利用泄漏通道結(jié)構(gòu)獲得了模場(chǎng)面積達(dá)3160μm2 的光子晶體光纖，隨后又用該方法將光纖的模場(chǎng)面積提高到14000μm2。2009年研究者又設(shè)計(jì)出一種獲得大模場(chǎng)光子晶體光纖的新方法應(yīng)力誘導(dǎo)低折射率差法。美國IMRA的Fu等利用光纖拉絲冷卻后形成的壓力場(chǎng)誘導(dǎo)纖芯和低折射率溝道形成微小的折射率差[Δn≈6(±1)×10-5]，分別實(shí)現(xiàn)了模場(chǎng)面積為17400μm2(對(duì)應(yīng)波長1.03μm)和模場(chǎng)面積為31600μm2(對(duì)應(yīng)波長1.55μm)的單模低損耗光子晶體光纖。研究者在大模場(chǎng)光纖設(shè)計(jì)和制備方面進(jìn)行了大量的研究工作，還報(bào)道了抗彎曲光子晶體光纖，以及其他大模場(chǎng)光子晶體光纖的設(shè)計(jì)方法。

自2001年英國Bath大學(xué)Wadsworth等采用摻Y(jié)b3+ 大模場(chǎng)光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)激光輸出以來，稀土離子摻雜的大模場(chǎng)光子晶體光纖開始廣泛應(yīng)用于光纖激光器，激光輸出功率也從最初的315mW 提高到2.5kW 以上。有研究者預(yù)測(cè)大模場(chǎng)光子晶體光纖激光器單根光纖激光輸出可達(dá)36kW，因此大模場(chǎng)光子晶體光纖激光器的激光輸出功率還有很大的提升空間。與此同時(shí)，大模場(chǎng)光子晶體光纖在脈沖激光器、光纖放大器領(lǐng)域的應(yīng)用也處于快速發(fā)展中，并取得重大進(jìn)展，目前脈沖寬度已達(dá)到亞飛秒級(jí)，峰值功率不斷提高。2003年以后，有關(guān)大模場(chǎng)光子晶體光纖色散特性、偏振特性、損耗等特性以及它在光纖通信系統(tǒng)中高速信號(hào)傳輸、超連續(xù)譜產(chǎn)生和高靈敏度傳感器等方面的探索性應(yīng)用研究相繼報(bào)道。

國內(nèi)在大模場(chǎng)光子晶體光纖方面的研究起步雖晚，其商業(yè)化進(jìn)程也相對(duì)緩慢，然而近年來燕山大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、武漢郵電科學(xué)研究院、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(以下簡稱中科院上海光機(jī)所)、華中科技大學(xué)和烽火通信等研究機(jī)構(gòu)和廠商在大模場(chǎng)光子晶體光纖的設(shè)計(jì)與制備、高功率光纖激光器、放大器等方面取得了豐富的研究成果，部分工作已達(dá)國際先進(jìn)水平。國內(nèi)的大模場(chǎng)光子晶體光纖激光器的輸出功率已從幾瓦提升到近千瓦量級(jí)。在脈沖激光放大器方面，脈沖寬度也已達(dá)亞百飛秒量級(jí)，2008年天津大學(xué)劉博文等將光纖激光器的輸出經(jīng)光柵對(duì)壓縮后，得到85fs超短脈沖。在大模場(chǎng)光子晶體光纖設(shè)計(jì)和制備方面，2010年燕山大學(xué)郭艷艷等采用多極法設(shè)計(jì)了一種新型的全固態(tài)八邊形大模場(chǎng)低損耗摻鐿石英光子晶體光纖，且可實(shí)現(xiàn)單模傳輸，在1.064μm處模場(chǎng)面積可達(dá)2000μm2。同年，燕山大學(xué)耿鵬程等采用多極法和有限差分光束傳播法設(shè)計(jì)了一種大模場(chǎng)摻鐿的七芯光子晶體光纖，其模場(chǎng)面積高達(dá)3703μm2。2010年中科院上海光機(jī)所的周秦嶺等采用全矢量有限差分法設(shè)計(jì)了一種大模場(chǎng)面積平頂模場(chǎng)光子晶體光纖，模場(chǎng)面積超過2000μm2，與相同模場(chǎng)面積的其他類型光子晶體光纖相比，其損傷閾值和非線性閾值明顯提高，有利于提高大模場(chǎng)光纖激光器及放大器的輸出功率。中科院上海光機(jī)所和烽火通信有限在大模場(chǎng)光子晶體光纖的制備方面做出了巨大貢獻(xiàn)，2006年烽火通信制備了模場(chǎng)面積為167μm2的摻鐿寬頻單模大模場(chǎng)光子晶體光纖，2009年該又制備了1465.7μm2 的大模場(chǎng)光子晶體光纖。2012年中科院上海光機(jī)所的馮素雅等制備了纖芯直徑為260μm的準(zhǔn)單模大模場(chǎng)光子晶體光纖，這是目前國內(nèi)報(bào)道的最大纖芯的光子晶體光纖。

此外，雖然已報(bào)道的大模場(chǎng)光子晶體光纖的基質(zhì)材料大都集中于石英材料，而基于一些新玻璃基質(zhì)(如碲酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃和硫系玻璃)的大模場(chǎng)光子晶體光纖近年來也開始相繼報(bào)道。

光纖激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、散熱效果好、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量高以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外激光研究領(lǐng)域的最大熱點(diǎn)之一。近年來隨著包層抽運(yùn)、抽運(yùn)耦合和光束整形等技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器的輸出功率迅速提高。2004年，Jeong等采用摻鐿雙包層光纖首次實(shí)現(xiàn)了單根光纖千瓦量級(jí)的激光輸出。到2010年，已實(shí)現(xiàn)了單根光纖10kW 近衍射極限的激光輸出。光纖激光器功率的提升使得它的應(yīng)用從光纖通信、光纖傳感、光譜學(xué)分析等方面進(jìn)一步擴(kuò)展到如工業(yè)加工、激光醫(yī)療和空間通信等領(lǐng)域。

盡管光纖激光器的輸出功率提高很快，但是受光纖的非線性效應(yīng)、光損傷及熱損傷等物理機(jī)制的限制，欲更大幅度地提高單個(gè)激光器的功率已經(jīng)相當(dāng)困難。然而，光纖的非線性效應(yīng)與光纖的模場(chǎng)面積成反比，模場(chǎng)面積越大非線性效應(yīng)越弱，非線性閾值越高。因此，大模場(chǎng)光纖是解決光纖激光器功率提升面臨的非線性效應(yīng)及光纖損傷的一種最直接有效的途徑。然而，為保證輸出激光的光束質(zhì)量，在要求大模場(chǎng)面積(LMA)的同時(shí)，必須使光纖能夠單模運(yùn)轉(zhuǎn)。而傳統(tǒng)的單模光纖的纖芯直徑很小，難以實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)面積;增大纖芯直徑則不可避免地會(huì)造成多橫模競(jìng)爭(zhēng)，影響輸出光束質(zhì)量。光子晶體光纖(PCF)是實(shí)現(xiàn)大模場(chǎng)最有前途的一種光纖結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的光纖，光子晶體光纖具有許多奇特的光學(xué)性質(zhì)，如無截止單模、低限制損耗、色散可調(diào)、高雙折射、大模場(chǎng)面積和大數(shù)值孔徑等，可以克服傳統(tǒng)光纖激光器的諸多難題。首先，光子晶體光纖可實(shí)現(xiàn)單模大模場(chǎng)面積，在保證激光傳輸質(zhì)量的同時(shí)，顯著降低光纖中的激光功率密度，減小光纖中的非線性效應(yīng)，提高光纖材料的損傷閾值;其次，光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)較大的內(nèi)包層數(shù)值孔徑，從而提高抽運(yùn)光的耦合效率，可采用長度相對(duì)較短的光纖實(shí)現(xiàn)高功率輸出。

大模場(chǎng)光子晶體光纖的諸多優(yōu)良特性，使它成為光纖激光器中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，在高功率光纖激光器的研究和應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。本文回顧了大模場(chǎng)光子晶體光纖的研究歷程，從大模場(chǎng)光子晶體光纖特征參數(shù)、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用熱點(diǎn)等方面概括了大模場(chǎng)光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀，最后對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了展望。