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特殊用途光子晶体光纤设计与研究
1、项目研究意义：
E. Yablonowitch 和S. John于1987年开创性地提出光子晶体（Photonic Crystal）这一新概念和新材料，光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，将不同的介质材料在一维、二维和三维空间形成具有光波长量级的周期性折射率调制，通过少量的无序结构可实现光子定域。由于提出的概念太抽象，人们无法预料其应用前景，因此当时并没有得到太多的关注，直到九十年代有人想通过光子晶体使LED的自发辐射进入单一电磁模式、在三维光子晶体腔内实现无自发辐射时，才激发起对光子晶体研究的浓厚兴趣。在介电常数以光波长周期变化的微结构材料中，光子的运动规律类似于晶体中电子的运动，因此有人将光子晶体称为“光的半导体”。通过晶体中特殊的缺陷结构控制光子运动，进而控制光子与物质的相互作用，实现如高效率光子晶体激光器、大角度无损耗弯曲波导、无延迟数据传输线等功能性器件，为光电集成、光子集成和光通讯系统提供关键性基础材料，至此全世界范围内对光子晶体的研究热潮全面展开。可以预见，光子晶体将在光通信、光信息储存和光电子学等信息科学方面引发革命性变革，将在21世纪信息领域扮演极为重要的角色。据此，1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fibers, PCFs）是一种二维光子晶体，由许多平行的空气小孔在背景材料（如二氧化硅）中围绕位于中心位置的缺陷所形成的一种导光介质。英国Bath 大学Russel 教授所领导的研究小组于1995年首次成功制造出光子晶体结构的光纤，并于1999年首次进行了中空光导演示。由于其优良的特性和诱人的应用前景，之后迅速得到各国科学家及企业界的热切关注和积极参与。目前，在光通信领域作为信息传输的PCFs已经进入到实验室的传输试验研究阶段。
按照PCFs的导光机理可将其分为全内反射型 （Total inter-reflection, TIR）和带隙型 (Bandgap) 两种，在TIR类PCFs 中，光纤端面上多个空气孔在石英背景中均布排列，形成折射率较低的光纤包层，而中心位置的缺陷是实心的石英，构成折射率较高的光纤纤芯。此类PCFs的导光机制与普通光纤相一致，是利用纤芯和包层的折射率差将电磁场束缚在光纤中心轴线上。与全内反射型PCFs相反，带隙型PCFs的中心由空气孔缺陷构成，阻隔能带的谱间隙使部分频带的光能够被传导，此类光纤非常适合制作光通信领域的滤波型器件，而光场被束缚和传导在空腔中，无色散、无损耗、无非线性效应的特点使带隙型PCFs在大功率传导方面也倍具优势。在制作的工艺要求方面，带隙型PCFs要求包层中空气孔精确按照某种规律排列，否则特性将严重受到影响，相对而言，TIR型PCFs对空气孔的排列精度要求不十分高，因此该类光纤的研究和制作更为广泛些。
与普通光纤相比，光子晶体光纤具有如下特点：
(1) 无休止单模( Endlessly Single Mode)特性。普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤，而对于PCFs，只要其空气孔径与孔间距之比小于0. 2，无论什么波长都能单模传输，在这种光纤中从蓝光到2μm 的波长范围内均可实现单模传输，并且这种特性与光纤的绝对尺寸无关，因此可以通过改变空气孔及间距来调节模场面积。设计结果表明，在1550 nm模场面积可达1~800μm2 ，而目前已制成了680μm2 的大模场PCFs，大约是常规光纤模场面积的10 倍。小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。模场面积的灵活可控特性使此类光纤具有很多潜在应用。
(2) 不同寻常的色度色散特性。 真空中材料色散为零，空气中的材料色散也非常小，这使得空气芯型PCFs 的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活，只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散，并能够使光纤总色度色散达到我们所希望的分布状态，如零色散波长可移到短波长，从而导致在1300 nm 实现光孤子传输；零色散平坦型光纤(数百nm 带宽范围接近零色散) ；色散补偿光纤(可达2000 ps/ nm·km) 等。
(3) 极好的非线性特性。在光子能隙导光PCF中，可以通过增加PCF纤芯空气孔直径（即PCF的有效面积）来降低光强密度，从而达到大大减少非线性效应的目的。反之，光桥网格状设计也可使模场面积非常微小，大大提高了非线性效应。
(4) 优良的双折射效应。对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态就越好。对PCFs而言，只要在剖面的二维结构上将空气孔排布成不对称图案就可形成很强的双折射，制造出比常用的保偏光纤高1~2个数量级的强双折射保偏光纤。
(5) 可通过单一材料（如石英）实现上述各类特性。只需通过控制空气孔大小、孔间距以及端面上图案的分布状况就可以实现理想的色散、非线性和双折射特性，而这些特性在普通光纤中实现起来则要困难和复杂得多。
光子晶体光纤在光纤通信系统中的潜在应用主要有两个方面：传输光纤和光器件。作为传输光纤的研究要点是改进制造工艺、降低光纤损耗。而作为光器件的研究要点是通过调整PCF的结构尺寸来实现PCF器件所需要的性能。
光子晶体光纤的低损耗、小色散、低非线性效应等一系列优良特性使其在光纤通信领域，尤其在长距离通信系统中将会有十分广阔的应用前景。随着PCF设计方法和制造工艺的不断改进，PCFs性能正日趋完善。OFC’2003上，日本NTT公司K.Tajima等人报道研制出衰减小于0.37 dB/km 的光子晶体光纤， 2003年12月又将该光纤的路径损耗降至0.28dB/km。英国公司BlazePhotonics在OFC’2004上宣言要将光子晶体光纤的传输损耗降至0.05dB/km左右，挑战普通光纤的极限水平。低损耗的实现有望使PCFs成为传输光纤，C.Peucheret利用5.6 km 的PCF线路进行工作波长为1550 nm的40Gbit/s的传输实验，结果表明，PCF作为光信号传输介质时，系统性能良好。
单模光纤中的色散限制了光纤通信系统的数据传输速率，为此必须进行色散补偿。目前大量使用的色散补偿光纤（DCF）具有非线性效应高、损耗大等缺点，而 PCFs能够在保证很小的偏振模色散系数的前提下，可灵活设计色散系数、有效面积和非线性系数，因此有望取替DCF成为一种高效、低损耗的色散补偿光纤。在OFC’2004上，F. Gerome等从理论上研究了高负色散值双芯光子晶体光纤(DCPCF)的设计。最近，Yi Ni等结合了PCFs和双芯DCF的优点，提出了一种新颖的DCPCF设计方案，在1550 nm通信窗口的色散值高达18000ps/(nm.km)，这是迄今为止在仅由纯石英和空气孔构成的光纤中得到的最大的色散值。另外，该光纤的色散斜率也是负值，1550 nm波长处的相对色散斜率（RDS）为0.47/nm。由于该DCPCF由纯石英和空气孔构成，传输损耗相当低，制造工艺相比DCF也得到简化。PCFs的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。
与常规石英光纤相比，在PCFs中可取得更高的非线性系数。在OFC’2004上报道了一种氧化铋玻璃光子晶体光纤在1550nm波长处的非线性系数高达460W-1.km-1，是常规光纤的500倍，缩小纤芯甚至能使非线性系数达2000 W-1.km-1，如此强的非线性特性已经达到甚至超过非线性晶体水平，这一特性使PCFs在传导光场的同时可完成许多非线性过程，使其在非线性晶体的替代和补充方面发挥重要作用，并为许多基于非线性光学原理的光通信器件如光开关、波长转换器等器件的制备提供简单而有效的新方法。尤为值得一提的是，利用飞秒光脉冲在强非线性PCFs中产生的超连续谱已经被广泛应用到光学相干层析、计量学等领域，而超连续辐射也有望为WDM系统提供宽波段光源。
另一方面，高速光通信需要超短光脉冲激光光源，由于小芯径、高D值的PCF的零色散波长在可见光附近同时具有高非线性和大的负色散特性，利用它进行孤子压缩可以大大减小光纤长度，提高孤子压缩效率。K.S.Abedin等利用保偏光子晶体光纤（PM-PCF）作为非线性介质对主动锁模光纤激光器的输出脉冲进行了孤子压缩实验，所用的PM-PCF的零色散波长在1550nm附近的色散D = 104 ps/(nm.km)，非线性系数g = 39.5 W-1.km-1，都要比色散移位光纤（DSF）高一个量级，因此仅需要10米长的PM-PCF就得到了重复频率为10GHz、输出功率为16mW 的1.26ps超短光脉冲序列。
PCFs简单易行而灵活多变的可管理特性吸引了众多国内外科研工作者的极大兴趣，目前围绕光子晶体光纤的工作正处于理论探讨、实验室验证和应用推广并行的局面。首先，大量文献不断报道新的结构设计并提供可能达到的令人兴奋的特殊化参数指标，另一方面，积极推进光子晶体光纤产品在通信、传感和医疗等各个领域中的应用，不断拓宽其应用范围，在应用当中发挥出其无与伦比的优良特性。此外，不再仅仅局限于石英材料，聚合物以及各类掺杂材料均可形成二维晶体状光纤，将特定折射率的液体灌入该类光纤的空气孔中会导致光纤性能指标大幅度提升，这一特性在传感领域极其重要。
虽然国内外已经有大量文献报道了各种用途的光子晶体光纤的设计方案，但已经体现和潜在的广阔应用前景激励着广大科研工作者依然投身其中。尤其值得关注的是，近年来外国研究和生产PCFs的知名公司争相在中国申请相关专利，企图在未来几年光子晶体光纤商用化时代完全到来之时能够处于行业和技术上的垄断地位。我们期望借助本项目的深入研究，提升浙江省在相关领域的学术研究地位，利用研究成果取得相应的知识产权，提高我省在光纤制造业和光通讯领域产品的高科技含量，逐步摆脱以低级加工制造为主的现状，进入以高技术含量为主的光信息产品领域，提升我省在信息化产业中的技术、经济地位。
2、项目研究目标及与申请者研究工作长期目标的关系；
研究目标是设计几种特殊用途的光子晶体光纤（PCFs）：色散渐变型PCFs，宽波段范围内平坦化巨色散PCFs，超大模场PCFs，微模场PCFs。研究者的长期目标是大容量光纤传输系统的性能优化和未来全光通信系统中各种光子器件的研发，本项目主要通过设计高色散、小非线性PCFs以实现单信道大容量以及波分复用（WDM）光纤传输系统的色散补偿器件；微模场PCFs设计则通过极大地提高非线性效应来实现超连续谱激光光源、快速光开关、光滤波器、波长转换器等全光网络中广泛应用的光子器件。以本项目为研究开端，大量相关后续工作将会陆续开展起来。
3、项目研究内容，研究方案和进度安排:
研究内容：
本项目通过设计光子晶体光纤端面结构，实现特殊用途的色散、非线性和模场面积特性。
（1）设计沿传输方向色散渐变型PCFs。
在色散特性方面主要实现沿传输方向的色散渐变，尤其是从正（反）常色散向反（正）常色散的渐变。当PCFs被设计成某种元器件时能同时实现色散的自补偿或渐变特性，而无需再用其他元器件进行色散补偿，有利于光路集成。
（2）设计平坦化的巨色散PCFs。
在通常的WDM系统工作波长段实现平坦化的巨色散和微小的色散斜率是本项目的一个重要研究目标，这一目标的实现将会使PCFs在现阶段已普通实施的WDM色散管理系统中发挥重要作用。
（3）设计大模场PCFs。
通过设计端面结构，实现很大的模场面积，并尽可能保证单模传输。此类光纤主要用于大功率光束传导或制作有源器件，以期在最大程度上减弱或降低非线性效应对光束的影响。
（4）设计微小模场PCFs。
通过端面设计，使光纤的模场尽可能小，微模场面积PCFs可产生很强的非线性特性，此类光纤可代替晶体成为非线性过程高效发生的介质，而它与光纤线路的易连接特性将使其在光开关、波长转换器等光网络的器件方面极具优势。
关键技术在于设计光纤端面空气孔排列图案，优选最佳方案，实现特殊的色散和非线性特性。
研究方案：
拟采取电磁场数值计算普适方法 — 时域有限差分法（Finite-Difference-of-Time- Domain Method, FDTDM）和光束矢量传输法（Vectorial Beam Propagation Method, BPM）作为数学工具进行仿真计算。合理设计光子晶体光纤端面结构，通过调节空气孔排布图案、空气孔大小和孔间距实现不同的色散、模场面积等参数，并分别优选出适宜于各种特殊用途的光子晶体光纤端面设计方案。
进度安排：
2006.1-2006.4， 查阅资料，掌握最前沿研究动态。
2006.5-2006.8， 色散渐变型PCFs结构设计，计算仿真。
2006.9-2006.12，平坦化巨色散PCFs结构设计。
2007.1-2007.4,　大模场和微模场面积PCFs设计。
2007.5-2007.9，整理结果，申报专利1~2项，提交学术论文3篇以上。
2007.10-2007.12, 结题报告。
4、项目创新之处:
（1）色散渐变或色散自补偿的光纤及元器件。
在空气孔规则排列的光纤端面上，中心位置一空气孔缺失，从而形成折射率较大的光纤纤芯，全内反射使光场被束缚于纤芯内。通过匹配空气孔和孔间距大小可将色散参数在特定波长内调整到需要的大小，目前国内外许多文献报道了有关这方面的设计，我们的创新之处在于沿传输方面使色散参数渐变，甚至实现色散参数从正色散到反色散的改变，或反之。在反常色散区，色散与自相位调制效应的平衡作用可实现光孤子传输，但光纤损耗引起功率下降，导致非线性效应减弱，如果使色散和非线性效应同步渐减，则可达到二者在整个传输过程中的瞬时平衡，这种追踪精确匹配方式能够实现性能更优的光孤子传输。此外，色散渐变型光纤在光孤子压缩机制中也起着重要作用，而从正（反）色散向反（正）色散的改变可实现光子器件的色散自补偿，有利于简化系统，实现光路集成。
（2）WDM系统色散补偿的平坦化巨色散光子晶体光纤。
巨色散光子晶体光纤可对长距离光纤传输系统提供非常高效的色散补偿作用，已有少量文献报道实现了单一波长的巨色散。我们的创新点首先是希望在较宽波段范围内实现巨色散，其次使巨色散在较宽波长范围内平坦化，再进一步使巨色散沿波长大小作倾向性变化。如今，波分复用技术已经被光纤传输系统广泛采用，通过很短的单一巨色散光子晶体光纤同时实现各个信道恰当的色散补偿是本课题的一个重要研究目标。
（3）超大模场和微模场设计。
文献中报道较多的是将光纤中心的一个空气孔缺失改为两个或三个甚至七个，从而增大芯区面积，实现较大模场。我们的创新在于使大面积范围内的一种晶格排列形成纤芯区域，而另外一种有效折射率相对较小的晶格排列包围在纤芯区域之外形成包层，此种设计方案即能实现超大模场面积，又能保证单模传输。超大模场光子晶体光纤将十分有效地降低强激光传导过程中非线性效应对光束的损害作用，在光纤激光器中大模场也能提高有源离子的激发效率。
使用相同方法，通过端面设计，使光纤的模场尽可能小，微模场面积PCFs可产生很强的非线性特性，此类光纤可代替晶体成为非线性过程高效发生的介质，而它与光纤线路的易连接特性将使其在光开关、波长转换器等光网络的器件方面极具优势。
5、工作基础与工作条件:
申请者在攻读博士学位期间主要从事于短脉冲在色散管理光纤传输系统的特性研究，对光纤的色散和非线性进行了较为深入的研究，在国内外学术期刊发表论文二十余篇，其中多篇被SCI、EI、ISTP检索。在博士后流动站工作期间主要从事于光子晶体光纤特性研究，申请有关光子晶体光纤的发明专利六项。在多年的科研工作中，不仅具备了相关研究的理论知识背景，尤其在光子晶体设计及数值计算的方法方面积累了丰富经验。项目小组其他成员多年来也一直在通信领域进行理论和技术研究，具有很强的科研能力和深厚的技术背景。相信在大家的共同努力下，一定能够圆满完成任务。
6、预期研究结果及其利用研究结果的计划和今后发展的思路:
完成三种光子晶体光纤的设计：色散渐变型光子晶体光纤、波段平坦化巨色散光子晶体光纤、模场面积可极端化控制的光子晶体光纤。
研究结果将在国内外重要期刊或国际学术会议上发表论文三篇以上，并申请发明专利两项以上。
在完成以上光子晶体光纤的设计之后，将进一步和国内其他科研单位和企业进行合作，利用巨色散光子晶体光纤研制色散补偿器件，利用微模场面积光子晶体光纤研制波长转换器、超连续谱光源以及光开关，并达到将技术转化为可商用产品的目标。
高速、大容量、长距离的全光网络是未来通讯的发展方向，光子晶体技术也将是未来实现全光网络不可或缺的一部分，可以预计光子晶体技术将广泛被用于全光网络的各个方面，我们小组的长期目标是深入研究利用光子晶体技术，把握全光网络的发展方向和需求，积极创新，不断设计开发光子晶体技术和器件，以期在未来全光网技术中取得一席之地位。
在以光通信为主导研究方向的同时，积极关注相关领域的发展和需求，如医学、探测等相关方面对光子晶体技术的需求，进一步拓展光子晶体的应用领域。
7、参考文献
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