空心光纖──讓光在空氣中傳播

    空心光子晶體光纖能夠通過(guò)空氣而不是玻璃導(dǎo)光，因此在很多應(yīng)用領(lǐng)域它比傳統(tǒng)的光纖更有優(yōu)勢(shì)并將最終取代傳統(tǒng)的光纖。 

　　光學(xué)物理學(xué)家探索的光子晶體材料應(yīng)用中，光纖無(wú)疑是最具有前景的一項(xiàng)應(yīng)用。光子晶體光纖（PCF）是一種新型光波導(dǎo)，具有與普通光纖截然不同的特性。這種新型光纖可以分為兩個(gè)基本類型 —— 折射率波導(dǎo)和帶隙波導(dǎo)。由于橫向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波導(dǎo)型光子晶體光纖可以設(shè)計(jì)成具有高度反常色散、非線性以及雙折射等特性的光纖。但是，在這些類型光纖中，大部分光線仍然在玻璃中傳播。帶隙波導(dǎo)型與空心光纖公認(rèn)是光子晶體光纖技術(shù)中最具革命性創(chuàng)新，在這類光子晶體光纖中，通過(guò)在光纖包層中產(chǎn)生光子帶隙可以將光限制在中央的空心核中傳播。 

　　采用空心，而不是傳統(tǒng)摻雜高純度硅纖芯，其優(yōu)點(diǎn)是光纖性能不受纖芯的材料特性限制。傳統(tǒng)光纖的損傷閾值、衰減、非線性效應(yīng)和群速度色散等參數(shù)都要受到硅材料相應(yīng)參數(shù)的影響。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，空心光纖可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)99%的光在空氣中而不是在玻璃中傳播，從而大大降低了光纖材料特性對(duì)光學(xué)性質(zhì)和光纖性能的影響。因此在很多重要領(lǐng)域，空心光子晶體光纖（HC-PCF）比傳統(tǒng)光纖更有優(yōu)勢(shì)。 

　　與傳統(tǒng)光纖不同，光子晶體光纖不是通過(guò)全內(nèi)反射導(dǎo)光。相反，光子晶體光纖導(dǎo)引光的原理與多層鏡的反射原理非常類似。多層鏡是通過(guò)眾多介質(zhì)面的同相反射達(dá)到全反射的效果。在空心光子晶體光纖中，二維微小空氣孔陣列貫穿整根光纖，它們的作用就相當(dāng)于多層鏡的各個(gè)介質(zhì)層。要將光限制在纖芯中，纖芯周圍的小孔必須排成非常均勻的有規(guī)則的格子，同時(shí)，它們必須接近以至快要接觸為止。這樣，包層的橫截面就類似一個(gè)由硅細(xì)絲網(wǎng)組成蜂巢，有時(shí)候細(xì)絲小到100 nm粗。這種網(wǎng)格相當(dāng)于理想的反射鏡，把光限制在纖芯中，但是網(wǎng)格的反射作用會(huì)受傳播常數(shù)限制。因此，空心光子晶體光纖的光譜響應(yīng)范圍與傳統(tǒng)光纖差異較大，它只能在一定頻率范圍內(nèi)導(dǎo)光，典型值是在中心頻率20%左右的范圍。盡管這樣，空心光子晶體光纖中的模式分布還是與傳統(tǒng)單模光纖非常類似 (如圖1。) 

圖1用來(lái)傳輸綠光硅基空心光子晶體光纖。 

制造 

　　空心光子晶體光纖可以用標(biāo)準(zhǔn)的光纖拉制設(shè)備來(lái)制造。首先，將幾百個(gè)薄壁毛細(xì)管堆積在一起制成半成品。然后經(jīng)過(guò)套包層、拉絲、鍍聚合物，得到尺寸和機(jī)械特性與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖非常相似的光纖。目前，空心光子晶體光纖的制造工藝發(fā)展非常迅速，甚至可以制造長(zhǎng)度不限、光學(xué)性質(zhì)一致的光纖—— 至少由熔融石英玻璃制成的空心光子晶體光纖可以達(dá)到這樣的效果。 

　　因?yàn)閷?shí)際上只有極少數(shù)光在玻璃中傳輸，所以空心光子晶體光纖的能量傳輸?shù)哪芰σh(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于傳統(tǒng)的光纖。 

　　雖然空心光子晶體光纖的傳輸帶寬很大程度上由包層的光子帶隙決定，但是芯的尺寸和形狀以及空心周圍固體材料分布的微小變化都會(huì)明顯地改變光纖的光學(xué)性質(zhì)。因此，當(dāng)前很多研究工作圍繞改善光纖設(shè)計(jì)以及相關(guān)制造工藝，就一點(diǎn)也不會(huì)讓人覺得驚訝了。 

損耗 

　　以通信波段的空心光子晶體光纖為例，它的低損耗范圍大約為 150 nm，中心波長(zhǎng)為 1570 nm （如圖2）。在這個(gè)范圍之外，損耗會(huì)迅速增加。最小損耗是1.7dB/km，它被證明是目前空心波導(dǎo)可以達(dá)到的最小值（如圖3）。在這種光纖的低損耗窗中存在著一些高損耗區(qū)域。這是由表面膜（所謂的表面膜是指在芯的玻璃-空氣界面上或者附近的共振）造成的結(jié)果，在某些波長(zhǎng)，表面膜正常衰減慢慢退化掉。在發(fā)生退化現(xiàn)象的波長(zhǎng)位置，與表面相互作用的光會(huì)急劇增加，這不僅會(huì)導(dǎo)致光纖損耗的增大還會(huì)改變波導(dǎo)的色散特性。在實(shí)際的應(yīng)用中，這些特征是不利的。然而，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)芯和包層，有希望排除這些不利因素。 

光傳輸 

　　盡管在長(zhǎng)距離通信領(lǐng)域空心光子晶體光纖還無(wú)法挑戰(zhàn)傳統(tǒng)光纖，但是在其他幾個(gè)方面的重要應(yīng)用中，空心光子晶體光纖要優(yōu)于傳統(tǒng)的光纖，其中最值得注目的可能就是激光束傳輸。與傳統(tǒng)光纖相比，空心光子晶體光纖的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是具有較高的損傷閾值。因?yàn)閷?shí)際上只有極少數(shù)光在玻璃中傳輸，所以空心光子晶體光纖的能量傳輸能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于傳統(tǒng)的光纖。 

圖2應(yīng)用于通信波段的低損耗空心光子晶體光纖的橫截面的電子顯微圖。這種光纖在1550 nm波長(zhǎng)處具有最小損耗1.7dB/km。 

　　它們之間的另一個(gè)差異就是空心光子晶體光纖具有較低的光學(xué)非線性特性，這也是光與玻璃之間很少發(fā)生交疊的結(jié)果。關(guān)鍵是，纖芯中氣體的非線性折射率要比固體硅的小大約1000倍，該氣體使得空心光子晶體光纖的非線性特性比傳統(tǒng)光纖的要小三個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，不管是連續(xù)波還是短脈沖序列，都可以以非常高的功率在空心光子晶體光纖中傳輸，而且不會(huì)產(chǎn)生光譜的失真。實(shí)際上，空心光子晶體光纖可以設(shè)計(jì)成由芯內(nèi)氣體或者玻璃的非線性來(lái)決定整個(gè)光纖的非線性特性。另外，除了空氣，還可以充入其它氣體，從而能夠從整體上完全控制光纖的非線性特性。

　圖3 增大空心光子晶體光纖，（圖2所示）的芯可以降低損耗，但同時(shí)也帶來(lái)更多的表面膜交叉，從而引起損耗光譜上出現(xiàn)許多尖峰。小的芯具有較寬帶寬、平滑的光譜，但是損耗會(huì)增大。 

　　值得注意的是，當(dāng)脈沖寬度小于 1ps 時(shí)，新的制約因素開始顯得重要了。脈沖的本征帶寬開始和空心光子晶體光纖的低損耗窗口的寬度相比擬。另外，空心光子晶體光纖中的群速度色散意味著小于 1ps 的脈沖在光纖中只傳播幾米的距離就會(huì)發(fā)生明顯的色散。然而，重要的是，空心光子晶體光纖的低非線性特性使得這樣的色散不會(huì)伴隨著明顯的頻譜失真，即使是脈沖寬度為100fs 、峰值功率達(dá)到典型鎖模激光振蕩器水平的脈沖也如此。 

　　對(duì)于傳統(tǒng)光纖，在非線性效應(yīng)與色散的共同作用下，那么短的脈沖只傳播幾毫米就會(huì)很快被分裂開。空心光子晶體光纖的低非線性特性就意味著，只要能夠適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償光纖中的線性色散，比如在耦合進(jìn)入光纖前用一塊玻璃對(duì)脈沖進(jìn)行預(yù)啁啾，那么脈沖在空心光子晶體光纖中就完全能夠傳播到好幾米遠(yuǎn)。另一個(gè)可能性就是利用空心光子晶體光纖的低非線性特性來(lái)平衡線性色散，那樣脈沖將可以在空心光子晶體光纖以孤子的形式傳播。以前，在比較低的功率水平、在1500nm波段，利用傳統(tǒng)光纖觀測(cè)過(guò)光纖孤子。但是，空心光子晶體光纖可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳播峰值功率高達(dá)幾個(gè)兆瓦的高強(qiáng)度脈沖。 

展望 

　　將來(lái)的研究主要是圍繞進(jìn)一步擴(kuò)展和優(yōu)化光纖設(shè)計(jì)、材料特性以及制造工藝等方面展開。減少損耗當(dāng)然是一個(gè)主要的目標(biāo)。雖然1.7dB/km是個(gè)重要的里程碑，但是在那些必須考慮損耗的應(yīng)用下，用硅材料制成的空心光子晶體光纖代替，即使最好的傳統(tǒng)光纖也是完全可能的。 

　　另一個(gè)令人振奮的可能性是低損耗的光纖可以用相對(duì)高損耗的材料制成，其前提是實(shí)際只有少數(shù)光可以“看見”玻璃。這個(gè)特性在遠(yuǎn)紅外波段（具有高度發(fā)達(dá)的玻璃制造技術(shù)）非常有意義，例如，可能引起波長(zhǎng)為10.6μm的高功率光纖的發(fā)展。不僅如此，空心光子晶體光纖在光譜的另一端也取得了很大進(jìn)展，最近第一個(gè)位于可見和紫外波段的空心光子晶體光纖已經(jīng)商業(yè)化。盡管從1999年初次報(bào)導(dǎo)以來(lái)，空心光子晶體光纖技術(shù)獲得了巨大進(jìn)步，但是光子晶體光纖技術(shù)還是處于發(fā)展的初級(jí)階段，因此，空心光子晶體光纖將繼續(xù)向前發(fā)展。