第五章 光纤的材料与制造、光纤的分类、光缆—2.ppt

氟光纤易受潮气影口向，因此应在低温度条件下保存和使用；另外，由于氟光纤的折射率高于2，因此端面的菲涅耳反射损失较严重。但是，由于氟光纤有一些可取的光学特性，因而可将其应用于某些掺铒光纤放大器中。卤化银（图中为AgBrCl）制成的光纤能传输3?16mm的红外波长。卤化银并非真正的玻璃，而是由许多小晶体构成的固体。人工水晶蓝宝石(Al2O3)所拉制出的单晶光纤能传输0.5?3.1mm波长，其衰减比氟光纤高，但材料的耐久性更好。 红外光纤主要应用于红外光通信研究以及空间与军事科学研究的需求。 6. 光子晶体光纤 （1）光子晶体光纤产生的背景与重要意义 随着人类进入以原子物理、光量子物理来科学描述微观世界的时代，用于描述这些微观世界快速运动的时间单位与精度，也逐步发展到毫秒(10-3s)、微秒(10-6s)、纳秒(10-9s)、皮秒(10-12s)乃至飞秒(10-15s)。用于研究反映物理、化学中电子快速运动过程的电子技术，已可产生毫秒、微秒、纳秒和皮秒级的电脉冲，但无法产生飞秒脉冲。20世纪60年代出现的激光技术为产生皮秒和飞秒级的光脉冲提供了新的技术手段。 飞秒激光技术经历了1981年的染料激光（第一代）和1991年以掺钛兰宝石激光（第二代）为代表的发展阶段，实现了超快的时间特性和超强的功率特性（峰值功率可提高至1015W），成为激光受控核聚变的快速点火、新一代加速器、精密微纳加工等前沿科学技术的重要支撑技术，从而开创了飞秒激光技术应用的新时代。在这样的前沿科技发展需求的背景下，1995年在德国研制出了第一根光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)，到21世纪初已形成以光子晶体光纤激光为代表的新一代飞秒激光技术。 其主要特征是，将微纳结构引入增益介质，从而使产生飞秒激光的主要物理机制成为可控、可调、可设计，且其集成的功能具有高效率、高功率（不均）、高光束质量、结构简单、运行稳定等特点。因而了解和研究光子晶体光纤具有重要意义。 （2）光子晶体光纤的概念、结构类型与机理 ①光子晶体光纤的概念 与光纤是由包层与纤芯两种介质组成相类比，光子晶体光纤通常是由单一介质构成的，其包层周期性地规则对称分布着具有波长量级的空气孔阵列，包层外为涂覆层，如图5.26所示。 因此，也可称其为“多孔光纤”(Holey Fiber)或“微结构光纤”(Microstmcture Fiber)。光纤的中心，即被空气孔阵列包层包围的纤芯部位，可以视为周期结构阵列中存在的“缺陷”。 光子晶体光纤的微结构特性主要由三个参量决定，即空气孔的直径d，相邻两孔之间的距离L,以及纤芯的直径D。PCF的这种微结构特性决定了它与传统光纤的特性有很大差异。 ②光子晶体光纤的结构类型、机理与特性 根据纤芯缺陷部位的介质情况，可以将光子晶体光纤区分为两类：纤芯可以是实心的，即与包层介质材料相同，如图5.27(a)所示，称其为折射率引导型(Index Guiding) PCF。这种PCF可视为由许多石英芯的细微管按设计要求的六角形等做规则排列，纤芯缺陷处插入实心细石英棒，尔后在高温下通过数次复丝拉伸获得；纤芯也可以是空心的（即为空气孔），如图5.27(b)所示，称其为光子带隙引导型(Photonic Bandgap Guiding)PCF。 图5.27 两种光子晶体光纤结构示意图 以下，重点介绍折射率引导型光子晶体光纤。 （a）折射率引导型光子晶体光纤 折射率引导型PCF的传光机理，与传统阶跃光纤的纤芯与包层界面处全反射的传光机理类似。纤芯为石英材料，其折射率为n1；包层则为由石英材料和空气孔构成的二维光子晶体，其多孔的阵列结构有效地降低了包层的平均折射率（包层折射率可视为石英与空气折射率的平均，并以空气填充率加权），因而包层材料的有效折射率neff低于纤芯的n1，即neff﹤n1，其折射率差构成了与传统阶跃光纤类同的全内反射传光机理。为此，又称之为全内反射(Total Internal Reflection)PCF，简称TIR-PCF。 图5.28示出了折射率引导型PCF的典型端面结构及其全内反射传光机理。 由于PCF的特殊结构，使之具有一些常规光纤难以具有的特性。 对于普通的阶跃折射率光纤，满足单模传输的条件是 对于给定的光纤，对应着一个特定的波长lc，只有当工作波长llc时，才能保证单模传输；而对于光子晶体光纤，V参数同样可以用来判断PCF中的模式。 图5.28 折射率引导型PCF的端面结构与传光机理  但不同的是，通过适当的结构设计，如调节占空比、孔径大小、等可以使包层的有效折射率neff在一个很大的变化范围内得到改变