光子晶体光纤基础知识

光子晶体光纤（PCF）领域的探索始于20世纪90年代后半期，并迅速发展成为一项商业技术： 光子晶体光纤一般分为两大类：一类是具有实心纤芯的索引导向光纤，另一类是具有周期性微结构元素和低索引材料纤芯（如空心纤芯）的光子带隙光纤。它们能够提供普通光纤所不具备的特性，例如：从紫外到红外的单模工作，具有大模场直径、极高的非线性、数值孔径（NA）从极低到约0.9，以及优化的色散特性。PCF应用于光谱学、计量学、生物医学、成像、电信、工业加工和军事等广泛的研究领域。

图1. 不同类型光子晶体光纤的分类。
制造和特性
制造索引引导型PCF的典型起点是围绕替代中心毛细管的纯硅棒捆绑空心毛细硅管阵列。对于光子带隙（PBG）光纤，可以在预型件中心留出一根或多根毛细管，以形成中空的 "缺陷 "芯。套管环绕着形成预型件的整个组件。在纤维牵伸塔中，预型件被加热到2000°C左右，然后在重力和压力的作用下被小心地拉成纤维。典型的外层纤维直径为125微米，但也有直径从80微米到约700微米的常规纤维。这种纤维保持了预型件的结构，但现在是在微观尺度上。为了改善处理特性，在纤维上涂覆标准的聚合物保护涂层。

图2. 光子晶体光纤预制棒特写。
PCF 的色散特性可通过操作来实现，在可见光波长下，光纤的色散为零、低或异常。色散也可以扁平化。将这些特性与小模场面积相结合，可制造出出色的非线性光纤。通过改变气孔模式或所使用的材料，可以控制PCF的其他特性，如单模截止波长、NA和非线性系数。设计灵活性非常大，设计人员可以使用许多不同的、迷人的和奇特的气孔图案来实现特定的PCF参数。包层中圆形气孔的三角形排列通常用于制造单模光纤。增加包层中的空气填充率通常会导致多模行为。椭圆形纤芯可制造出保持偏振的高双折射光纤。

对于波长在200至2500 nm之间的大多数应用，二氧化硅具有优异的光纤性能，但使用其他材料可以提高特定参数，如非线性或该光谱区域以外的波导。此外，还可在二氧化硅中添加多种掺杂剂。掺杂二氧化硅目前已用于各种光纤激光器和放大器；这些材料可与PCF的独特性能相结合，提供更有用的设备。PCF的耦合、熔接和连接器是其他重要问题，因为光纤可能具有极端的模场面积和NA参数；耦合方法在某些情况下与标准光纤方法大不相同。不过，用户可以使用标准光纤工具剥离和切割PCF。在实验室使用时，光纤通常只是被劈开，并以 "开放 "端使用。在这种情况下，重要的是避免光纤端部直接暴露在任何液体中，因为孔中的毛细力可能会将液体吸入光纤数厘米，从而干扰导波特性。

PCF可以拼接到标准光纤上（并利用此类光纤的各种连接器方案），也可以直接连接PCF。纽波特既提供与标准光纤拼接的PCF，也提供半定制直接连接的PCF。请注意，熔接的机械强度、连接器的纤芯偏移以及连接器之间的耦合并不总是与标准光纤相同。

此外，直接连接光纤还可提供光束扩展，以降低光纤端面强度，并降低高功率水平下的损坏风险。详情请致电新港公司。

图3. 大多数 PCF 光纤都可以连接。更多信息，请致电纽波特。
索引引导光子晶体光纤

Newport的F-SM和F-NL系列是指数引导光纤。与传统光纤类似，折射率引导型PCF通过全内反射将光通过固体纤芯传输。PCF中的微结构充气区可有效降低包层的折射率，从而有效地形成阶跃折射率光纤。这种光纤在许多方面都与标准阶跃指数光纤类似，但它具有许多优点。指数引导型PCF由未掺杂的二氧化硅制成，损耗极低，可承受高功率和高温，并可抵御核辐射。根据PCF的设计，包层中的空气可用于生产具有极低或极高折射阶跃的光纤。

图4 索引引导型 PCF 示意图。
折射率引导 PCF 的典型横截面如图 4 所示。PCF由一个三角形的气孔网格组成，核心由一个 "缺失 "气孔定义。间距标记为Λ，用于测量孔结构的周期（相邻气孔中心之间的距离）。孔径标注为d，用于测量孔的直径。

图5 三角包层光子晶体光纤（PCF 三角形包层光子晶体光纤（PCF）的横截面。
某些PCF的包层折射率表现出很强的波长依赖性。由于PCF本身具有很大的设计灵活性，因此可以开发出一系列新特性。这些特性包括无端单模光纤（F-SM系列）、极非线性光纤以及在可见光波长区域具有反常色散的光纤（F-NL系列）。PCF的独特之处在于，单根光纤可支持从300 nm左右到2000 nm以上波长范围内的单模运行，甚至可支持大模场面积（数百µm2）。这使得PCF可用于传输高功率、高光束质量的光束，而不会遇到非线性或损坏障碍（CW工作时可达到数百瓦）。另一方面，作为单模光纤制造的高非线性光纤具有极小的模场面积（通常约为3 µm2），可将光有效地限制在纤芯区域。

图6. 空气包层光子晶体光纤的横截面。
与使用不同折射率的固体玻璃引导光线的标准光纤技术相比，PCF技术可实现多种新特性。例如

在很宽的光谱范围内（原则上所有波长）都是单模光纤
可获得非常小的模式尺寸（小至约1微米）
可获得非常大的模式尺寸（高达25 µm或更大）
可实现波长低于1300 nm的零色散（低至约600 nm）
可实现接近10-2的超大双折射
可获得高达0.9的数值孔径
因此，PCF非常适合需要大非线性度、单模引导的宽带操作、大模区、大固角光收集等应用。

图 7：大模区光纤（F-SM 系列）

图 8：F-SM 光纤在 1550 nm 波长处的近场图像

图 9：F-SM20 光纤的模式结构
中空芯光子带隙晶体光纤
光子带隙光纤中可能存在极端色散特性，例如异常色散值高达数千 ps/nm/km。由于纤芯材料（空气）的贡献微乎其微，PBG光纤的总色散主要由波导色散决定。

PCF技术的一个令人兴奋的特点是可以利用光子带隙（PBG）效应，实现在空心（空气）纤芯中引导光线的光纤。光纤包层中高度周期性的气孔结构产生了光子带隙。这意味着频率在PBG范围内的光无法通过包层向外传播，可能会被困在光纤纤芯中。与折射率引导光纤相比，纤芯区域的折射率无需大于包层的折射率。

图10. 高周期性气孔结构产生光子带隙。
PBG导光技术的一个固有特征是光纤只能在有限的光谱区域内导光。对于波长在1550nm左右的导光光纤，典型带宽约为200nm。在该区域之外，光纤纤芯是反导的。所示为典型的传输光谱。

图 11. 气导光纤的典型传输光谱。
用光子晶体光纤产生超连续光谱
通过短飞秒或皮秒范围的高功率脉冲在非线性介质中传播形成宽连续光谱（也称为超连续光谱产生，或SCG）是在1970年首次观察到的，此后在许多不同的材料中进行了广泛的研究。超连续这一术语并不包括一种特定的现象，而是包括大量的非线性效应，这些非线性效应会导致光脉冲的频谱大幅拓宽，从而可能产生跨倍频程的输出。所涉及的非线性效应取决于材料中的色散以及自相位调制（SPM）、拉曼散射、相位匹配和孤子等效应。

PCF 中 SCG 的研究结果之前已在可见光和红外波长范围内的反常色散机制或零色散波长下进行了抽运。大多数实验使用飞秒泵浦，因为这会产生非常宽的光谱。皮秒泵浦产生的光谱更窄，但使用的激光源却便宜得多，因此具有商业价值。

虽然只要有足够的泵浦功率，就可以在一滴水中观测到SCG，但PCF是SCG的理想介质，因为它的色散可以设计成有利于在特定区域产生连续波。通过这种方式，可以将光转换为更高和更低的波长，就像在以前无法想象的低功率水平下可以实现覆盖超过一个倍频程的超宽光谱一样。

实用超连续光技巧
SCG-800和SCG-800-CARS是使用超快激光产生超连续的理想选择。将飞秒激光器的光耦合到晶体光纤中时，必须解决有关脉冲畸变的一系列问题，以获得最佳性能。在本节中，我们将讨论将Ti:Sapphire激光器的光耦合到1.7 µm内芯PCF中所采取的预防措施。首先要解决的问题是光纤表面4%的反射，这会导致脉冲序列失真，严重时会阻止激光器锁模。以一定角度切割光纤可以最大限度地减少背向反射。但是，我们建议使用法拉第隔离器来避免这一问题。耦合出一小部分光束并将其导入Newport公司的PulseScout自动跟踪仪，可以实时监测脉冲宽度和光束质量。

飞秒脉冲很容易通过标准显微镜物镜耦合到光纤中。40倍和60倍的放大倍数可提供良好的效果。也可以使用非球面球透镜，但由于这些透镜不是消色差透镜，因此不能用于短飞秒脉冲，因为这些脉冲的光谱范围很宽。应使用预补偿棱镜或光栅压缩器补偿显微镜物镜中的色散，以便向光纤发射尽可能短（即最高强度）的脉冲。激光束的直径应与显微镜物镜的孔径相匹配。这很容易通过标准望远镜实现。

非线性效应对输入功率的变化非常敏感，因此需要一个非常稳定的支架。为了避免光纤末端因热、声和其他不必要的影响而发生位移，光纤应尽可能靠近末端安装。将光纤粘在支架上或使用连接光纤可进一步提高稳定性。

如果使用偏振保持光纤，线性偏振飞秒脉冲的偏振轴应与光纤中的一个主轴重合。轴的相对方向可以通过半波板或旋转光纤来控制。要找到主轴，可以测量输出的偏振状态，然后旋转半波板或光纤，直到输出为线性偏振。当使用上述校准程序时，耦合效率通常可达到40%以上。