大模場光子晶體光纖研究歷程

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光纖的新方法，并成功制備出模場直徑為22μm、模場面積為380μm 的大模場光子晶體光纖。然而，由于大模場光子晶體光纖結(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，獲得了模場面積超過1000μm2 的單模光子晶體光纖。2005年以后，大模場光子晶體光纖的設(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面積提高到14000μm2。2009年研究者又設(shè)計(jì)出一種獲得大模場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)了模場面積為17400μm2(對應(yīng)波長1.03μm)和模場面積為31600μm2(對應(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)測大模場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，峰值功率不斷提高。2003年以后，有關(guān)大模場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。在脈沖激光放大器方面，脈沖寬度也已達(dá)亞百飛秒量級，2008年天津大學(xué)劉博文等將光纖激光器的輸出經(jīng)光柵對壓縮后，得到85fs超短脈沖。在大模場光子晶體光纖設(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)了一種大模場摻鐿的七芯光子晶體光纖，其模場面積高達(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)了一種大模場面積平頂模場光子晶體光纖，模場面積超過2000μm2，與相同模場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面積為167μm2的摻鐿寬頻單模大模場光子晶體光纖，2009年該又制備了1465.7μm2 的大模場光子晶體光纖。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)與光纖的模場面積成反比，模場面積越大非線性效應(yīng)越弱，非線性閾值越高。因此，大模場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)大模場面積;增大纖芯直徑則不可避免地會造成多橫模競爭，影響輸出光束質(zhì)量。光子晶體光纖(PCF)是實(shí)現(xiàn)大模場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，可采用長度相對較短的光纖實(shí)現(xiàn)高功率輸出。

大模場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。本文回顧了大模場光子晶體光纖的研究歷程，從大模場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光子晶體光纖的研究現(xiàn)狀，最后對其發(fā)展進(jìn)行了展望。

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，這對信號傳輸系統(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)，對于信號傳輸、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、模場面積Aeff、限制損耗Lc和色散D 等特征參數(shù)。

大模場光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

目前大模場光子晶體光纖結(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面積可增加30%，取代7空氣孔的光子晶體光纖模場直徑可達(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光子晶體光纖。這種棒狀光纖由毫米量級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、抗彎曲要求對模場直徑的限制，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?；蚪鼏文９ぷ鳌＿@種光纖的出現(xiàn)對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作用。

2005年Wong等制備出模場面積為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年制備出模場面積為3160μm2 的摻Y(jié)b3+ 低損耗單模泄漏通道光纖和模場面積為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，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、模場面積分別為17400μm(對應(yīng)波長為1.03μm)和31600μm(對應(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。