光子晶体光纤及其在光器件领域的应用
陈 伟1，2，李进延2，李诗愈2，蒋作文2，李海清2，彭景刚2
【摘 要】光子晶体光纤（PCF）是国际上当前的研究热点，其非凡的特性给新型光器件注入了新的活力。文章从PCF 的工艺技术、衰减和熔接等方面阐述了国内外PCF的最新研究进展，并阐述了国际上PCF在高功率光纤激光器、光纤放大器、超连续光谱、飞秒激光、全光开关和色散补偿等光器件领域的重要应用及最新成果，最后提出了PCF应用技术的发展趋势。 【期刊名称】光通信研究 【年(卷),期】2007(000)006 【总页数】4
【关键词】光子晶体光纤；光器件；光纤激光器；超连续光谱
光子晶体光纤（PCF）具备许多独特而新颖的物理特性，如可控的非线性、无尽单模特性、可调节的奇异色散、低弯曲损耗和大模场等，这些特性是常规石英单模光纤很难或无法实现的，因此，PCF 引起了国外科学界的广泛关注。随着PCF 制造工艺的进步，其各种指标已经取得了突破性进展，各种PCF新产品不断问世。PCF 不仅应用于常规光通信领域，而且还广泛地应用于光器件领域，如高功率光纤激光器、光纤放大器、超连续光谱光源、色散补偿器、光开关、光倍频器、滤波器、波长变换器、孤子发生器、模式转换器、光纤偏振器、医疗和生物传感器等。
1 国内外PCF的研究进展
PCF的制造技术不同于常规光纤，国内外基本没有关于PCF工艺技术细节的报道。但是总体来说，PCF制造技术主要包括：毛细管聚束拉丝法、大直径预制
棒钻孔法、熔融挤出法和溶胶凝胶法等。其中，聚束拉丝法由于具有设计灵活、操作方便和容易实现复杂结构等优势而被广泛采用。
PCF的衰减是关系到其实用化的重要因素，目前国际上对PCF衰减的研究已取得了实质性突破：全内反射型（TIR）PCF在1 310和1 550nm 波长的衰减分别降到了0.35和0.205dB／km，接近常规单模光纤水平，1 383 nm 的羟基吸收峰降到了1.0dB／km以下［1］；光子带隙型（PBG）PCF 的衰减也取得了新突破，从1.7dB／km 降低到1 620nm波长的1.2dB／km［2］。 PCF能够与常规单模光纤相容是其能否走向实用化、融合现有光网络的重要条件，其中至关重要的一项就是PCF 与常规单模光纤的熔接损耗。由于PCF中排列着一定点阵分布的空气孔，在熔接熔融状态下空气孔很容易闭合或崩塌变形，熔接界面处PCF结构发生变化，有可能造成PCF 与常规单模光纤的模场失配，使得熔接损耗增大。为了解决PCF熔接问题，各国科研工作者都对PCF的熔接工艺技术进行了研究，主要包括常规电弧熔接技术和激光熔接技术等方法。目前，国外PCF与常规单模光纤的熔接损耗已达到0.022dB的水平，能够满足实用化要求。
国外PCF 已经商用化，并且实现了1 550nm的40Gbit／s高速大容量长途传输100km 的系统试验［3］，但由于技术壁垒，国内对PCF 的制造与基础应用研究还处于起步阶段。为了推进PCF的基础应用研究，2004年初烽火通信科技股份有限公司与清华大学、北京邮电大学、天津大学和中科院半导体所等单位在国家“九七三”计划“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”项目支持下开展了PCF 的研究工作，形成了具有自主知识产权的PCF制造技术，并开发了系列的PCF产品，如图1所示。
2 PCF在光器件领域的应用
（1）PCF激光器
光纤激光器已经广泛应用于激光切割、激光焊接、激光钻孔、激光雕刻、激光打标、激光雷达、传感技术和空间技术以及激光医学等领域。2005年掺镱光纤激光器单根光纤已经实现了1 360W 的激光功率输出。但是，常规掺镱双包层光纤利用掺杂来实现光纤包层与纤芯之间的折射率差，使得维持单模传输的纤芯面积难以增大，限制了双包层掺镱光纤激光器性能的进一步提高。
双包层掺镱PCF的诞生，解决了大有效面积与单模传输的矛盾，极大地推动了光纤有源器件的技术进步。可以根据激光器件的要求，设计制造纤芯掺杂浓度高、模场面积大、内包层数值孔径大的光纤，同时维持纤芯单模传输的要求。双包层掺镱PCF如图2所示，图中A、B、C是国际上经典的3种双包层掺镱光纤端面图，A的外围空气孔最大，数值孔径可以做得较大，C 在B 的基础上实现了一定的保偏性能。3种双包层结构光纤的内包层均采用小占空比的空气微孔点阵，实现纤芯的单模传输，既能够实现较大的模场面积，减小高功率激光传输形成的非线性效应，又能够实现光束质量高的激光输出。外包层采用较大的空气孔，形成了较大的折射率反差，从而能够增大内包层的数值孔径，提高泵浦光耦合效率，其内包层975nm 的数值孔径可以达到0.9。而且，由于外包层中分布着较大的空气孔，没有光辐射到光纤的涂层上，大大地提高了该光纤激光器的散热性能和耐热性能。2005年德国Jena公司采用双包层掺镱PCF，单纤获得了1 530 W 的激光功率输出［4］。 （2）PCF放大器
铒镱共掺PCF 放大器是近年来光纤放大器的研究热点，国外在这方面进行了大
光子晶体光纤及其在光器件领域的应用
