折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)類型與機(jī)理

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(jī)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(jī)理類似。纖芯為石英材料，其折射率為n₁；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n_eff低于纖芯n₁,即n_eff＜n₁，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(jī)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(duì)于普通的階躍折射率光纖，滿足單模傳輸?shù)臈l件是
對(duì)于給定的光纖，對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的波長，只有當(dāng)工作波長時(shí)，才能保證單模傳輸；而對(duì)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(jì)，如調(diào)節(jié)占空比，孔徑大小等可以使包層的有效折射率n_eff在一個(gè)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(duì)折射率差Δ，其值甚至可超過常規(guī)光纖（約0.01）一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。另一方面隨著波長的減小，光場(chǎng)越來越集中在折射率高（n₁）的纖芯中，這相當(dāng)于等效地提高了包層折射率n_eff，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(shí)，光子晶體光纖對(duì)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(shí)，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(duì)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?yàn)槿绱�，用大模�?chǎng)光子晶體光纖研制的飛秒激光振蕩級(jí)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(chǎng)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(shí)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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