高双折射率光子晶体光纤的研究进展

摘  要：光子晶体光纤因其独特的导光特性和灵活的结构而优于传统光纤，高双折射特性使其用于保偏光纤、光纤陀螺等光纤器件。通过阅读研究相关文献进行的理解和总结，在分析双折射特性基本原理的基础上，介绍了近年以提高光子晶体光纤双折射特性为主要目标的国内外研究进展，增加不对称性或转变不同方向的应力可有效获得高双折射特性。随着人工超材料的不断发展，光子晶体光纤在光通信等领域有着极广的发展和应用前景。

关键词：光子晶体光纤;高双折射率;空气孔;偏振

中图分类号：TN252      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）18-0061-03

Abstract：Photonic crystal fiber is superior to conventional fiber due to its unique light conducting characteristics and flexible structure. High birefringence makes it suitable for polarization-preserving fiber，fiber optic gyro and other fiber devices. Based on the analysis of the basic principles of birefringence characteristics through the understanding and summary of reading research related literature，this paper introduces the research progress at home and abroad with the main goal of improving the birefringence characteristics of photonic crystal fibers in recent years，high birefringence can be obtained by increasing the asymmetry or changing the stress in different directions. The stress can effectively obtain high birefringence characteristics. With the continuous development of artificial metamaterials，photonic crystal fiber has a very wide range of applications and profound practical prospects in optical communication and other fields.

Keywords：photonic crystal fiber;high birefringence properties;air hole;polarization

0  引  言

英國Bath大学的Russell于1992年首次提出光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）的概念[1]。PCF又称多空光纤、微结构光纤，由单一材料和多个气孔周期性地缠绕在纤芯周围而形成。这种复杂结构导致其横截面上呈现复杂的折射率分布，由于存在光子带隙，光波只能在折射率较小的纤芯内传输。

由于光学系统具有更高的加工精度，相比电子系统更精准、更容易实现振幅和相位测量，光子晶体光纤一经提出便引起了各方面的广泛关注，随即在理论层面、工艺制造到各种应用都有了一定的研究发展，目前已经制造出结构相对复杂、功能较强的PCF器件，如光纤激光器、光纤传感器、光纤光源、光波长转换器、色散补偿器等，这些产品具有高性能且应用广泛。

1  光子晶体光纤结构及分类

不同的排列方式组成不同复杂度的光子晶体空间结构，其中较为经典的是一维平面型，二维立体型和三维空间型，如图1所示。光子晶体光纤是二维立体型中研究最为广泛的一种，使用旋转拉丝技术可以制备出三维空间型。

PCF的分类方法很多，最常用的是根据导光原理分为如图2所示的两类[1]：一类是带隙型光子晶体光纤（Photonic Bandgap PCF，PBG-PCF），这类PCF的纤芯多为空气孔，包层排列着周期性的空气孔，它的包层折射率高于纤芯折射率，光波在低折射率的纤芯中传输;另一类是全内反射型光子晶体光纤（Total Internal Reflection PCF，TIR-PCF），这类PCF的纤芯为实心，包层材料与纤芯材料通常是一样的，包层上有空气孔，空气孔可以随机排列，也可以按一定规则排列，纤芯的折射率较包层高，主要靠全内反射效应实现导光。

还有其他的分类方法，如按形状分、按照材料分、按照光纤的特性分、按照模式数量分等，这些不同分类的光子晶体光纤可以根据需要进行组合，从而得到结构更为复杂、性能更为优越的PCF。

2  高双折射率光子晶体光纤

2.1  高双折射特性

改变光子晶体光纤包层的结构、空气孔的数量及形状等，就可以改变传输的模场、损耗等，使其具有无截止单模传输、高双折射、高非线性等特性[2]。

双折射现象指由于光纤在传输x和y两个偏振方向的基模时，产生不同的偏振折射率，使其传播常数β不再相同，公式表示为：

其中，βx、βy分别表示x轴和y轴上的传播常数。通常用这两个方向上相互正交的偏振模的有效折射率之差B来表征，称为模式双折射参量，表达式为：

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作者简介：陈静妍（1999—），女，汉族，山西代县人，本科在读，研究方向：电子信息工程。