光子晶體光纖催化中國光纖行業(yè)

　　ICCSZ訊   （文/廉正剛、婁淑琴）一根細細的玻璃纖維(光纖)可以把等同于上千本書(shū)的信息幾乎瞬時(shí)地傳輸到數百公里外。在現代通訊行業(yè)中，它早已取代了銅線(xiàn)，成為長(cháng)距離信號傳輸的載體。光纖自1966 年問(wèn)世以來(lái)，人們最初追求的目標是盡可能地降低損耗。70 年代末，光纖已達到每公里只有4-5%能量損耗(0.2dB/km)，光信號可以傳輸幾十公里;隨著(zhù)科技的發(fā)展，到80 年代后期摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)面市，光信號可以傳輸過(guò)程中增強，完全解決了光纖損耗這一歷史性難題，實(shí)現了跨洋超長(cháng)距離信息傳輸。光導纖維作為通信行業(yè)一個(gè)充滿(mǎn)活力的新興力量，蓬勃發(fā)展壯大起來(lái)。因此，擁有“光纖之父”美譽(yù)的華裔科學(xué)家高錕在2009年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

　　自1990年以來(lái)，由于網(wǎng)絡(luò )數據通信業(yè)務(wù)的快速增長(cháng)，使得人們對傳統通信系統的要求不斷提升，更大容量、更高速率、更長(cháng)傳輸距離的光纖通信系統隨之出現。但在傳統的光纖系統中，存在著(zhù)諸如色散、非線(xiàn)性和下一代全光網(wǎng)絡(luò )中的邏輯器件功能簡(jiǎn)單(如:光開(kāi)關(guān))的難題，這就需要有新的光纖技術(shù)和器件作支撐。

　　1、從傳統光纖到光子晶體光纖

　　1987年，Eli Yablonovitch等科學(xué)家發(fā)現某些動(dòng)物體表有周期性規律排列的細毛，可以把某些顏色(對應一定波長(cháng))的光完全反射，而吸收其它波長(cháng)，展現出艷麗的色彩，如圖1所示孔雀的羽毛和蝴蝶的翅膀表面呈現出鮮艷的色彩。Eli Yablonovitch等將此類(lèi)結構命名為 “光子晶體”。很快，這一結構在光纖領(lǐng)域得到了移植應用。1992年，Phillip Russell等人提出“光子晶體光纖”(微結構光纖中的一類(lèi))。光子晶體光纖是由一簇細小的石英毛細管按照六邊形周期性排列，從橫截面上看去，就像是蜂窩結構。由于優(yōu)良的傳輸特性，光子晶體光纖迅速在全球受到重視。

　　圖1，(a)孔雀的彩色羽毛，(b)通過(guò)電子顯微鏡看到的放大的孔雀羽毛;(c)藍色蝴蝶;(d)通過(guò)電子顯微鏡看到的蝴蝶翅膀。

　　傳統光纖的結構(如圖2，(a))通常是由兩種玻璃材料制成的，包含具有較高折射率的纖芯和較低折射率的包層，光通過(guò)全反射的形式在高折射率材料的纖芯中傳播。光子晶體光纖可由單一材質(zhì)制備(如：石英玻璃)，分為實(shí)芯和空芯兩種結構。實(shí)芯光子晶體光纖的結構，通常是由二維的毛細管按照六邊形組成的陣列，最中心的毛細管被換成石英玻璃棒，形成了光子晶體的缺陷(圖2(b))，光則在這個(gè)實(shí)芯缺陷中傳播。這種光纖的工作原理和傳統光纖接近，通過(guò)纖芯和包層不同的折射率傳播。這是因為包層中含有空氣孔，使得包層的有效折射率小于纖芯折射率，光在纖芯內形成全反射?？招?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%85%89%e5%ad%90%e6%99%b6%e4%bd%93%e5%85%89%e7%ba%a4&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">光子晶體光纖(圖2(c))也是只有二氧化硅一種材質(zhì)，但是它與傳統光纖和實(shí)芯光子晶體光纖傳導機理完全不同，空芯光子晶體光纖是采用光子帶隙原理，利用光子帶隙效應實(shí)現光在空氣中傳輸。光在這種光子晶體光纖中是通過(guò)中間的氣孔傳播，所以沒(méi)有常規光纖的傳輸窗口、損耗、色散等限制。

　　圖2，(a)傳統光纖含有多種玻璃材料，纖芯和包層是不同折射率的玻璃;(b)實(shí)芯光子晶體光纖和(c)空芯光子晶體光纖一般使用單一石英玻璃材料;和(d)多芯光纖。

　　2、光子晶體光纖革命性?xún)?yōu)勢

　　光子晶體光纖除了在外形上和傳統光纖存在差異之外，在設計的自由度上也具有革命性?xún)?yōu)勢。除了擁有傳統光纖的特性，光子晶體光纖還可以靈活的調整纖芯或包層中空氣孔的大小、間距和幾何形狀，這些變化使光纖有了更多的性能，也因此在多個(gè)方面超越了傳統光纖。以下是幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

　　(1)單一制作材料

　　首先，單一材料不易受到溫度變化的影響。如果光纖存在多種玻璃材料，而每種玻璃的熱膨脹系數不同，那么光纖在非恒溫使用條件下的傳輸性能會(huì )隨之變化，可能會(huì )造成信號紊亂，而單一材料光纖制品不存在相異的熱膨脹系數，很好的規避了溫差的限制，信號更為穩定。其次，單一材料抗輻照性能優(yōu)越。如果在大氣層以外的環(huán)境中使用傳統光纖，失去大氣層保護的纖芯鍺會(huì )受到宇宙射線(xiàn)的干擾而產(chǎn)生化學(xué)變化，光纖的性能就不再穩定。而光子晶體光纖只有單一的石英玻璃，不會(huì )受到種情況的干擾。而且，實(shí)芯光子晶體光纖是由純石英這一種材料制備而成，外部包層的多孔結構使得包層的有效折射率低于纖芯，這樣以來(lái)，保證了光持續在纖芯中的傳輸。也可以設計毛細孔的間距來(lái)控制光的模式。

　　(2)空芯傳輸

　　在空芯光子晶體光纖中，光在空芯中傳輸，避免了纖芯材料的自身的吸收和散射問(wèn)題，因此不存在傳統玻璃光纖中的傳輸窗口，整個(gè)波段都可以傳輸光，且理論上可實(shí)現極低損耗。雖然由于空芯光纖的拉制缺陷，目前的空心光子晶體光纖的損耗大于傳統光纖，隨著(zhù)空心光子晶體光纖的生產(chǎn)工藝的逐步優(yōu)化，這一問(wèn)題將很快得到解決。同時(shí)，空芯光子晶體光纖的色散與包層結構密切相關(guān)，改變空芯光子晶體光纖的結構可以使零色散波長(cháng)極大的向短波長(cháng)方向移動(dòng)，并可以實(shí)現各種特殊的色散要求(如色散平坦，色散補償等)。另外，光在空氣中傳輸，其非線(xiàn)性系數非常小，比傳統單模光纖低1000多倍，有利于抑制有害的非線(xiàn)性影響。

　　(3)方便制作

　　光子晶體光纖不需要使用化學(xué)沉積等大型設備即可完成預制棒的制造。常規光纖預制棒制備方法是管內化學(xué)沉積法，制備一根預制棒往往需要幾小時(shí)到幾十小時(shí)，而且存在有害氣體。光子晶體光纖預制棒是毛細管排管法完成的，數十根或上百根毛細管按照蜂窩狀排列成型。不需要化學(xué)沉積，節省生產(chǎn)時(shí)間并且對環(huán)境無(wú)污染。隨著(zhù)市場(chǎng)的逐步開(kāi)拓，生產(chǎn)成本亦會(huì )大幅度降低。

　　3、光子晶體光纖的應用及市場(chǎng)

　　(1)惡劣環(huán)境使用的高性能保偏光纖

　　實(shí)際應用中常常需要保持光的偏振特性，這正是保偏振態(tài)光纖的用武之地。尤其是在光纖陀螺領(lǐng)域，每年至少有1.5萬(wàn)公里的使用量。傳統領(lǐng)結型及和熊貓型保偏光纖是基于應力雙折射，雙折射值通常在10-4量級。光子晶體光纖型保偏光纖，雙折射可做到10-3以上，比傳統保偏光纖高一個(gè)數量級，偏振保持能力更強?；趹﹄p折射的傳統保偏光纖，應力區的引入是獲得高雙折射的基礎。但當溫度升高時(shí)，應力區的應力逐漸釋放，雙折射值逐漸減小乃至消失，致使傳統保偏光纖在變化溫度環(huán)境中穩定性較差。保偏光子晶體光纖屬于幾何雙折射，纖芯與包層采用單一材質(zhì)，一致的熱膨脹系數;而且，空氣包層的網(wǎng)格結構，能有效緩沖溫度大范圍波動(dòng)導致的附加應力，因此保偏光子晶體光纖具有良好的溫度穩定性，雙折射不隨溫度升高而減小。另外，傳統保偏光纖芯中摻鍺，在太空等光纖陀螺應用領(lǐng)域的輻射照射環(huán)境下會(huì )增加損耗。光子晶體保偏光纖采用高純石英玻璃制備，高純的石英使光子晶體光纖有良好抗輻照性能?？梢?jiàn)，光子晶體保偏光纖對于在惡劣應用環(huán)境下(如：太空輻照環(huán)境中)的高精度光纖陀螺，具有不可替代的作用。

　　(2)高功率光纖激光器和新型光纖傳感

　　光子晶體光纖采用毛細管堆疊拉制，激光器增益光纖和刻制光纖光柵所需要的在纖芯中的摻雜變得非常容易，只需在排列時(shí)采用含有稀土元素摻雜的毛細棒替換中心毛細管即可;光子晶體光纖可以設計成高數值孔徑(NA)包層，有利于泵浦光的耦合;同時(shí)可以設計成大模場(chǎng)、低非線(xiàn)性，可支持高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出。

　　光纖激光器的市場(chǎng)巨大，同時(shí)高功率激光器在軍事、國防領(lǐng)域也有重要應用。IPG一家企業(yè)在2012年的一個(gè)季度就有超過(guò)1億美元的銷(xiāo)售額。中國市場(chǎng)對光纖激光器的需要量也是巨大的。許多傳統制造業(yè)生產(chǎn)商拋棄老的加工生產(chǎn)方式，采用激光器做實(shí)現機械加工，這樣不僅可減少碳排放，且產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì )得到大幅提高。但是，國內依然沒(méi)有一家企業(yè)能夠長(cháng)期穩定的供應摻雜光纖，這既是巨大的挑戰也是難得的機遇。

　　隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感行業(yè)的市場(chǎng)份額正在日益變大。作為光纖傳感行業(yè)最先步入實(shí)用的重要傳感器，光纖光柵正起著(zhù)越來(lái)越重要的作用。光子晶體光纖纖芯摻鍺可提高光敏性，從而可以制成光纖光柵。1999年，Ben Eggleton等科學(xué)家在纖芯摻鍺的光子晶體光纖中，采用紫外光掩模寫(xiě)入法獲得了布拉格光子晶體光纖光柵和長(cháng)周期光子晶體光纖光柵。與普通光纖光柵相比，光子晶體光纖光柵具有對外界折射率指數不敏感、高耦合系數和低包層模損耗等等優(yōu)點(diǎn)。光子晶體光纖光柵的出現，正在有力地推動(dòng)著(zhù)光纖光柵傳感技術(shù)的進(jìn)步和應用領(lǐng)域的拓展。

　　(3)下一代通訊技術(shù) - 空分復用，多芯光纖

　　受高容量光網(wǎng)絡(luò )需求的推動(dòng)，空分復用和多芯光纖等多種光纖結構和功能創(chuàng )新在不斷涌現?？辗謴陀?，是一條光纜中的多組光纖通過(guò)空間進(jìn)行復用的方式;多芯光纖則是一根光纖具有多個(gè)常規纖芯，且纖芯相互之間干擾很小?？辗謴陀煤投嘈竟饫w，均可在很大程度上提升傳輸系統的容量，有望成為下一代傳輸光纖?；?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%85%89%e5%ad%90%e6%99%b6%e4%bd%93%e5%85%89%e7%ba%a4&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">光子晶體光纖制作技術(shù)，制造多芯光纖是極其方便的，只需將相應位置的毛細管替換為毛細棒即可(如圖2(d))。同時(shí)，可以設計每個(gè)纖芯周?chē)陌鼘?，減小纖芯之間的最小串擾距離，使同樣直徑的光纖中容納更多的纖芯，提高傳輸系統的容量。

　　光子晶體光纖通過(guò)改變包層中空氣孔的間距及大小，可以很方便的改變光纖的波導性能，因此可以設計具有特殊性質(zhì)的光子晶體光纖，如：大模場(chǎng)面積光子晶體光纖，高數值孔徑光子晶體光纖，高雙折射光子晶體光纖，高非線(xiàn)性光子晶體光纖，色散平坦光子晶體光纖，色散補償光子晶體光纖等?？梢哉f(shuō)光子晶體光纖在許多應用領(lǐng)域會(huì )超越傳統光纖，將會(huì )在通訊，激光器和傳感領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。僅全球的通訊光纖在2013年的使用量超過(guò)2.5億芯公里。因此，光子晶體光纖很快會(huì )在這個(gè)龐大的應用領(lǐng)域分到一杯羹。

　　4、我國研制生產(chǎn)的光子晶體光纖已達國際先進(jìn)水平

　　我國目前生產(chǎn)的光子晶體光纖已經(jīng)達到了國際較先進(jìn)的水平。我國首家特種光纖產(chǎn)業(yè)公司武漢長(cháng)盈通光電技術(shù)有限公司，已研制出多種尺寸的保偏光子晶體光纖，生產(chǎn)的光子晶體光纖已經(jīng)達到了國際較先進(jìn)的水平，也正在穩步開(kāi)發(fā)光敏性和空芯光子晶體光纖等產(chǎn)品。公司生產(chǎn)的保偏光子晶體光纖在1550nm波段損耗低于1.5dB/km以下。光纖包層及纖芯采用同樣材質(zhì)，實(shí)測數據顯示，其溫度敏感性上優(yōu)于傳統保偏光纖，全溫消光比變化為2dB左右，相比傳統保偏光纖具有很大的優(yōu)勢。長(cháng)盈通光電的技術(shù)總監廉正剛博士說(shuō):“光子晶體光纖在航天，激光器，傳感等領(lǐng)域中均體現出不可替代的優(yōu)勢，未來(lái)的市場(chǎng)會(huì )是巨大的。”。 現在，該公司正在對光子晶體光纖的熔接進(jìn)行實(shí)驗，有望推進(jìn)光子晶體光纖的實(shí)用化進(jìn)程。

　　5、結語(yǔ)

　　光纖的發(fā)展已超過(guò)了半個(gè)世紀。針對不同的應用，光纖的材料和結構設計都在發(fā)生著(zhù)演變。光子晶體光纖的出現，使光纖生產(chǎn)商和應用商耳目一新，它靈活的結構設計自由度同時(shí)也吸引了各大科研院所的濃厚興趣。雖然存在有巨大的潛在市場(chǎng)，但是目前我國具備光子晶體光纖研制和生產(chǎn)能力的公司屈指可數。武漢長(cháng)盈通光電公司計劃進(jìn)一步豐富光子晶體光纖產(chǎn)品線(xiàn)，打破國外壟斷，開(kāi)發(fā)全系列光子晶體光纖產(chǎn)品，為光傳遞信號和傳輸能量提供最佳的特種光纖及整體解決方案。