1 前 言
被前所未有地廣泛使用的光纖是在石英玻璃中添加摻雜而在截面內形成一定的折射率分布而制成的。人們通過對截面內的折射率分布加以各種改良，開發了具有低非線性的傳輸用光纖和具 有精密調節的波長色散特性的色散補償光纖，對近年來波分復用傳輸系統容量的擴大作出了貢獻。光纖的特性對于傳輸系統的特性來說極為重要，而當前作為飛速提高光纖特性的技術而吸引著人們注意的則是多孔光纖及光子晶體光纖。多孔光纖（Holey Fiber）是帶有空孔（Hole）的光纖，它沿光纖長度方向存在幾個或幾十個延伸的空孔。由于引入空孔可以得到在石英玻璃中摻雜所無法實現的大折射率差，所以可以獲得常規光纖所沒有的各種新的特性。特別是在截面內空孔有規律配列的光子晶體光纖可以實現新導波原理下的光子帶隙導波。從而使以空孔作為纖芯進行光傳導成為可能，拓展了兼具低損耗、低色散、低非線性等特性的理想傳輸媒體的可能性。本文展望多孔光纖及光子晶體光纖所實現的新特性及其應用領域。
2 多孔光纖
多孔光纖是沿光纖長度方向具有延伸的空孔的光纖。空孔的折射率大體上為1，與石英玻璃約1.46的折射率相比要來得低，因此在引入空孔的區域折射率實際上被降低。因此，如果在包層中引入空孔，使包層的有效折射率比纖芯折射率更低，那么通過與傳統光纖相同的全內反射就可以將光約束起來［圖1（a）、（b）］。在空孔的配列呈周期性的情況下，這種光纖就稱為光子晶體光纖（PCF：Photonic crystal fiber），或稱為全內反射型PCF。這里，等效折射率被定義為當將含空孔的區域用假想的均勻媒質置換而導波特性近似時，該均勻媒質的折射率。傳統光纖截面內的折射率變化至多為1～2%，而多孔光纖中的折射率變化最大可達36%。從而實現了下面所述的多種新的特性。
多孔光纖的一般制造方法是將用玻璃管束在一起而形成的預制件進行拉絲的方法（圖2）。典型的尺寸為，玻璃管直徑約1mm，預制件直徑約20mm，拉絲后的光纖直徑為20～200μｍ。拉絲后光纖的截面結構與預制件的截面結構形狀基本相似，光纖中空孔間隔為１～１０μｍ。
２．１波長色散
就多孔光纖的特征來說，它對波長色散有高的控制性。這是因為與傳統光纖相比，多孔光纖的有效折射率差要大１０倍以上，所以波導色散對波長色散的貢獻較大。因此，通過設法改進波導結構就可以實現以下列舉的各種波長色散特性。作為第一個例子，包層中空孔的占有率高，芯／包間有效折射率差大的多孔光纖［圖１（ａ）］可獲得傳統光纖難以實現的大正色散（異常色散），因此可以實現在１．２８μｍ以下，石英玻璃的材料色散變成負值的波長區具有零色散波長的光纖。這樣的光纖可以使需要正波長色散的非線性光效應應用于可見光波段等１．２８μｍ以下的波長范圍。另外，如２．２節所述的那樣，這種多孔光纖獲得了小的纖芯有效截面積，因此能高效地發生非線性光學效應。例如：在８５０ｎｍ波長下的孤子傳輸及８００ｎｍ波長下的寬帶光發生已得到實驗驗證。作為多孔光纖波長色散的第二個例子，可以舉出通過進一步擴大芯／包間的有效折射率差來產生大的負色散。就大折射率差的極限來說，在由石英玻璃纖芯及空氣包層構成的結構中，于１５５０ｎｍ下的波長色散達到－２０００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ。這比傳統的色散補償光纖還要大１０倍左右，因此可望用于色散補償。僅用空氣作包層實際上是難以實現的，但與其接近的色散特性卻可以通過提高多孔光纖包層中空氣孔的占有率犤圖１（ａ）犦來實現。作為第三個例子，如圖１（ｂ）所示，配列于包層中的空孔直徑較細的ＰＣＦ（空孔直徑約為空孔間隔４０％的程度）。通過將空孔直徑與間隔最優化，可以在寬的波長范圍實現平坦的波長色散特性，因而可望用于傳輸線路中。
２．２纖芯有效截面積
用于傳輸線路和波長色散補償的光纖，如果纖芯的有效面積增大，則光密度可下降，通常可以抑制非線性光效應。另一方面，為了實現未來通信系統中必需的全光信號處理，需要減小纖芯有效截面積從而提高非線性光效應發生效率的光纖。與傳統的光纖相比，多孔光纖既可以將纖芯有效截面積做大，也可以使其做小。大的纖芯有效截面積用空孔直徑較細的ＰＣＦ犤圖１（６）犦得到，例如利用在１５５０ｎｍ波長下纖芯有效截面積為２．８μｍ的多孔光纖的自相位調制再生光脈沖，以及采用摻Ｙｂμｍ芯徑多孔光纖的波長可變脈沖光源等已得到實驗驗證。另外，在縮小纖芯有效截面積的同時，與纖芯的耦合也變得困難了。為此人們也為解決這一問題而進行了試驗。這是將圖１（Ｃ）所示的空氣包層光纖加熱延伸來進行的，這種光纖具有通過向石英玻璃摻雜而形成的芯／包結構，又在包層的外圍部分設有空氣孔。空氣包層光纖由于與傳統光纖一樣具有摻ＧｅＱ的８μｍ芯徑，所以與纖芯的光耦合比較容易，導光的纖芯與外圍部分的空孔之間有３０μｍ直徑的包層，因此空孔給予導光特性的影響很輕微。然而，通過將這樣的光纖加熱延伸到１／１０以下的直徑，在受延伸部分得到小的纖芯有效截面積的同時，在端部則實現了高效的光耦合，所以被應用到了波長可變脈沖光源。
２．３ 模數
確定光纖導波模數的Ｖ值由式（１）給出，在Ｖ＜２．４的范圍則成為單模。
式中，ａ為纖芯半徑，ｎ芯與ｎ包分別為纖芯與包層的折射率。由于材料折射率相對于波長的變化較緩慢，因此傳統光纖的Ｖ值與波長差不多成反比，如果縮短工作波長，就出現多模化。另一方面，圖１（ｂ）所示的ＰＣＦ如果工作波長縮短，光電場向空孔的滲出就減小，所以包層的等效折射率ｎ上升，從而接近于玻璃的折射率。其結果是，隨著短波長化，折射率差減小，Ｖ值的波長依存性減弱，從而可以在寬帶寬內單模工作。這對寬帶傳輸線路及高次諧波發生來說是有用的。
２．４ 雙折射
多孔光纖與傳統的光纖一樣，存在對應于兩個偏振態的基模，在具有三次以上旋轉對稱性的結構中，因兩個模式退化而不產生雙折射。另一方面，在非對稱性的結構中，由于玻璃與空氣有大的折射率差，所以得到了大的雙折射。例如，實現了０．４ｍｍ的拍長，大約為傳統保偏光纖的１／１０，有望成為具有更優異保偏特性的光纖。
3 光子帶隙光纖
通過引入空孔而實現的新功能最充分的功能是通過光子帶隙來導光。在傳統的光纖中，光從高折射率的纖芯向低折射率的包層行進會因全內反射而回到纖芯中。第２節中所述的多孔光纖導光原理同樣是全內反射。而在新的導波原理中，折射率或周期分布的包層則反射特定波長的光。折射率的空間分布為周期性的結構稱為光子晶體（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ），由恰當設計的光子晶體生成，而不存在傳輸模的光頻帶則稱之為光子帶隙（ＰＢＧ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐ）。保持在屬ＰＢＧ狀態的光在光子晶體中成指數衰減，因此不能傳輸，入射到晶體的光被反射，在晶體中存在周期性結構紊亂（缺陷）的情況下，光局限在缺陷處。如果在具有光子晶體結構的光纖中引入沿光纖伸展的線狀缺陷，則要從缺陷向周圍晶體流出的光就因ＰＢＧ引起的反射而回到缺陷處，于是光就沿缺陷進行傳輸。最終，缺陷成為纖芯，包圍在其周圍的晶體就成為包層。這種以ＰＢＧ為導波原理的光纖就稱為ＰＢＧ光纖。ＰＢＧ光纖的導波原理與傳統光纖的大大不同，但傳導模的形狀相似，顯示出存在對應于兩個偏振態的基模。
最初演示的ＰＢＧ光纖是如圖３（ａ）所示的結構。包層的空孔配列是蜂窩狀結構，纖芯引入以周期性分割的空孔。相鄰空孔的間隔為１．９μｍ，空孔的直徑為０．８μｍ。用５ｃｍ 的光纖觀察到了４５８～５２８ｎｍ波長范圍的光傳導。在這種結構中，傳導模的折射率比１高，因此纖芯的空孔中不存在光電場，光電場局限在周圍的玻璃內。在圖３（ｂ）所示的結構中實現了向空孔的光約束。在這種結構中，包層的空孔配列成六角形點陣，而纖芯是７倍于包層空孔大小的空孔。空孔間隔為４．９μｍ，空孔直徑約為３μｍ。在３ｃｍ長的這種光纖中，觀察到了可見光波段的光傳導。ＰＢＧ光纖與傳統光纖關鍵的不同之處是纖芯折射率可以任意設定。特別是以空孔作纖芯的光纖可望成為兼具低損耗、低色散、低非線性的理想傳輸媒體。
4 傳輸損耗的降低
多孔光纖和光子晶體光纖，一方面可以實現傳統光纖所沒有的新特性，但另一方面，傳輸損耗過大卻是一個問題。傳輸損耗的主要原因是空孔及其表面的雜質所引起的吸收損耗，特別是因ＯＨ根離子引起的吸收較大。當初在１５５０ｎｍ處的傳輸損耗達２４０ｄｂ／ｋｍ而非常高，從而成為實用化的障礙。至于降低因雜質引起的傳輸損耗的方法，首先是在制造過程中防止雜質的侵入，不過減輕雜質對傳輸損耗的影響也是有效的。通過多孔光纖傳輸的光功率中，通常有０．１～１％的比例存在于空孔中，而雜質對傳輸損耗的貢獻也占這個比例。光功率在空孔中的降低對波長色散等其它特性也有影響，但作為一種進一步減少空孔中光功率而實現特異特性的結構，人們又提出了帶空孔型光纖（HALF：Hole assisted ligatguide fiber）的方案，這種結構犤圖1（d）犦采用高折射率的纖芯與低折射率的包層將光約束在光纖中，通過在靠近纖芯的部位加上空孔而實現特異的特性。另一方面，在圖１（ａ）、（ｂ）的結構中，空孔對光傳導來說是必須的。而由于這種結構的不同，ＨＡＬＦ與原來的多孔光纖相比由于空孔內光功率較少，所以可以實現大的波長色散。制作的ＨＡＬＦ光纖具有圖４所示的結構。直徑約５μｍ的４個空孔被配置在纖芯（圖中沒有顯示出來）周圍。芯徑為１０μｍ，與包層的比折射率差為０．４％。這種HALF在1550nm波長下具有+34PS/nm/km的大波長色散，同時具有0.8db/km的低傳輸損耗，在1380nm處的吸收峰也抑制在7.9db/km（圖5）。另外，波長色散與用矢量有限無法計算的結果較好一致。另一方面，日本NTT等的研究將全內反射型PCF在1550nm下的傳輸損耗降到了3.2db/km。這樣，作為實用化障礙的傳輸損耗得到了切實的改善。
5 結束語
多孔光纖和光子晶體光纖是實現傳統光纖所沒有的新功能的技術。光子晶體光纖使利用新導波原理的光子帶隙導波成為可能，可望實現以空孔作為纖芯的理想傳輸線路。另外，多孔光纖也獲得了傳統光纖無法實現的特性，可望用于色散補償和非線性光效應的應用，特別是后者的研究非常活躍。而且，降低傳輸損耗等面向實用化的研究也在取得成果。
華晶譯自"O plus E"2001，V01.23，No.9，1067～1071 |
