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光子晶體光纖簡(jiǎn)介
簡(jiǎn)介
光子晶體光纖簡(jiǎn)稱(chēng)PCF（Photonic Crystal Fiber），zui早于20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)發(fā)出來(lái)，并迅速進(jìn)入商用。PCF可分為兩大類(lèi)：基于全內(nèi)反射的折射率引導(dǎo)型光纖和基于光子帶隙效應(yīng)的光子帶隙光纖。前者在結(jié)構(gòu)上，光纖纖芯是固體結(jié)構(gòu)，而光子帶隙光纖的纖芯是低折射率材料，比如中空結(jié)構(gòu)。與普通的光纖相比，PCF具有更多特性：
在一個(gè)很寬的光譜范圍內(nèi)具有單模傳輸特性
可以獲得極小的模場(chǎng)直徑（可低于1 um）
可以獲得極大的模場(chǎng)直徑（高達(dá)25 um或者更大）
可以實(shí)現(xiàn)1300 nm以下零色散
可以實(shí)現(xiàn)超常的高雙折射（接近10-2）
可以獲得高達(dá)0.9的數(shù)值孔徑
光子晶體光纖的分類(lèi)及特性
所以PCF非常適用于需要高非線性，寬光譜單模傳輸，大模場(chǎng)直徑等應(yīng)用。
光子晶體光纖的制備
折射率引導(dǎo)型PCF是利用多個(gè)中空的正六棱柱排列（比如帶有圓孔的正六棱柱硅棒），在光纖拉絲塔上拉制而成，中心用一根同樣材料的實(shí)芯細(xì)絲替代。帶隙型PCF，具有多個(gè)中空孔，中心位置是空的，以此作為“缺陷”。在光纖拉絲塔中，加熱到2000℃，控制壓力及重力等多種因素，zui終制成光子晶體光纖。典型的PCF外徑125 um，實(shí)際在制作的時(shí)候直徑從80 um到700 um不等。這些光纖保留在拉制前的幾何結(jié)構(gòu)（比如蜂巢結(jié)構(gòu)），但是現(xiàn)在是在微觀尺度上。
PCF拉制時(shí)照片
大模場(chǎng)直徑光纖（Newport F-SM系列）
通常光纖拉制成功后，還需要在外部包裹一層聚合物保護(hù)涂層，用以提高其強(qiáng)度，使其更易于使用。
1550 nm處F-SM系列光纖近場(chǎng)圖像
光子晶體光纖的應(yīng)用
飛秒或者皮秒高單脈沖能量通過(guò)非線性晶體，產(chǎn)生超連續(xù)光譜（supercontinuum generation-SCG），zui早報(bào)道于1970年。之后科學(xué)家研究了多種材料。超連續(xù)光譜的產(chǎn)生并不是因?yàn)槟骋惶囟ǖ男?yīng)，而是多種非線性效應(yīng)的綜合作用，包括材料的非線性色散效應(yīng)，自相位調(diào)制（self-phase modulation），拉曼散射，相位匹配以及光孤子等。
利用超快脈沖泵浦光子晶體光纖可以產(chǎn)生超連續(xù)光譜。很多實(shí)驗(yàn)使用飛秒激光泵浦，可以產(chǎn)生顯著的寬光譜。皮秒激光產(chǎn)生的光譜范圍相較于飛秒激光相比，光譜范圍較窄，但是泵浦源價(jià)格便宜很多，所以獲得更多商業(yè)關(guān)注。
盡管只要有足夠的泵浦能量，水中也能觀察到SCG，但是光子晶體光纖是SCG的理想介質(zhì)。PCF的色散可以人工控制，可以與SCG所需的范圍匹配，從而可以將入射光轉(zhuǎn)化成可調(diào)的波長(zhǎng)范圍，而所需泵浦能量更低。
Newport SCG-800是為SCG設(shè)計(jì)的光子晶體光纖，上圖為使用光譜物理的Mai Tai飛秒激光泵浦SCG-800產(chǎn)生的光譜，脈寬100 fs，重頻80 MHz。所產(chǎn)生的光譜范圍依賴(lài)于泵浦功率及波長(zhǎng)。