光子晶体光纤
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2023年3月19日发(作者：周瑜传)清华大学光子晶体光纤研究现状
光子晶体光纤的双折射和偏振耦合
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光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射
率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿
器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，
可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；具有独特并且灵活的色散特性；排列不对称
的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。
*本实验室研究了光子晶体光纤中的双折射效应，给出了光纤双折射随光子晶格的结构参数和
波长的变化。得到了两种分别具有全局双折射和非全局双折射的光子晶体光纤，获得了很高
的双折射值。比较了两种双折射的异同点。特别是在对具有全局双折射的光子晶体光纤研究
中，我们首次发现了用波长控制双折射极性的现象。这是国际上关于光波导具有此项功能的
首次报道。这方面的研究为后面关于光子晶体光纤偏振分裂器的研究打下了基础。
具有非全局双折射的光子晶体光纤
的结构
具有全局双折射的光子晶
体光纤的结构
*同时我们还重点讨论了双芯光子晶体光纤中的耦合效应，以及耦合的偏振依赖性。在国际上
率先揭示了氧化硅桥路在产生偏振依赖耦合中的作用。并首次提出用光子晶体光纤可以实现
偏振分裂功能，设计了三类基于光子晶体光纤的偏振依赖耦合型偏振分裂器。同时，设计了
一种新颖的偏振选择耦合型偏振分裂器，这是国际上首次在单一玻璃材料中实现此项功能。
上述偏振分裂器具有高的消光比和非常短的器件长度，显示超越传统双芯波导偏振分裂器的
卓越性能。我们也总结了设计光子晶体光纤偏振分裂器的若干基本思路，这对于理解双芯光
子晶体光纤中的偏振依赖耦合和规范光子晶体光纤偏振分裂器的设计具有重要的指导意义。
最后，我们实现了双芯光子晶体光纤中的非互易耦合现象。
偏振依赖耦合的偏振分裂器出口处
的模式场分布
偏振选择耦合的偏振分裂
器出口处的模式场分布
非互易耦合器的出口处的
模式场分布
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新型光子晶体光纤的设计及色散测量
光子晶体光纤相比传统掺杂光纤有着更大的包层和芯区折射率差，而且有着更大的结构
参数的选择自由度，因此这种光纤表现出很多独特的色散特性。由于折射率差增大，因而光
子晶体光纤的波导色散增大，而且对结构参数非常敏感，这使得很多应用能够实现。例如通
过调整结构参数能够使得光纤的零色散波长向短波长方向移动，甚至能够到达可见光区，这
样一种色散位移光纤让近红外和可见光区产生孤子变成可能，而且能够实现宽带超连续谱。
除了零色散波长的改变，通过材料色散和波导色散相互补偿抵消，光子晶体光纤还能够实现
近零超平坦色散光纤，并且同时还具有高非线性，这在传统掺杂光纤中无法达到。另外光子
晶体光纤还可以拥有大的负色散，用作色散补偿光纤。
*本实验室研究了气孔尺寸对光子晶体光纤色散特性和非线性的影响，提出了一种新的高非
线性色散平坦光子晶体光纤结构，新结构在第一圈空气孔的中间插入六个附加小孔，使得光
子晶体光纤有更小的有效模场面积，提高了光纤的非线性。通过控制第一圈和第三圈空气孔
以及附加小孔的直径，使得该光子晶体光纤在大约330nm的波长范围内，光纤的色散系数D
的值介于0.5ps/(km〃nm)之间，在大约230nm的波长范围内，光纤的色散系数D的值介于
0.1ps/(km〃nm)之间，在大约200nm的波长范围内，光纤的色散系数D的值介于
0.05ps/(km〃nm)之间。光纤的有效模场面积为2.26nm2。
新型高非线性色散平坦光子晶体光纤结色散平坦光子晶体光纤的色散曲线
构
*本实验室利用超连续谱(SC)搭建了一台稳定的白光干涉仪，采用白光干涉法对光子晶体光
纤的色散进行测量。研究了白光测量干涉法的数据处理中采用的拟合公式对测量结果的影
响。采用多项式、线性Sellmeier公式和经验公式对群时延和波长之间关系进行拟合，结果
表明利用经验公式能够得到更精确的光子晶体光纤色散值。测量了燕山大学拉制的光子晶体
光纤的色散曲线，和理论计算结果进行了对比，在1~2μm波长范围之内和理论计算结果相
差最大为1.5ps/(nm〃km)，具有较高的测量精度。
待测光子晶体光纤横截面结构
测量得到的光子晶体光纤的色散曲线与理
论计算值的对比
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清华大学精密仪器与机械学系·光电工程研究所·光纤光子学实验室