我們能夠享受現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，必須要感謝上個世界最偉大的技術(shù)成果之一——光纖技術(shù)。這種以光波為載體，以光導(dǎo)纖維即光纖作為傳輸媒介的通信技術(shù)，能夠瞬時將等同于上千本書的信息傳輸?shù)綌?shù)百千米之外。《科學(xué)美國人》雜志曾評價說：“光纖通信是二戰(zhàn)以來最有意義的四大發(fā)明之一。如果沒有光纖通信，就不會有今天的互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)。”

光纖技術(shù)最早是用石英來傳輸信號的，在隨后的幾十年間，還發(fā)展出了磷酸鹽、硼酸鹽、硫化物和氟化物乃至塑料等應(yīng)用形式。不過無論材質(zhì)如何變化，光纖的原理和結(jié)構(gòu)并沒有改變——均是基于光內(nèi)全反射理論和采用纖芯和包層的結(jié)構(gòu)。

但是隨著科技的發(fā)展，對傳統(tǒng)光纖的要求越來越高——例如，人們對互聯(lián)網(wǎng)速度的要求越來越高。為了滿足這一需求，光纖通信系統(tǒng)開始向更高傳輸速率、更遠(yuǎn)傳輸距離和更大容量的方向發(fā)展，不過傳統(tǒng)光纖受其結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝等因素的限制，性能的提升非常緩慢，因此光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber, PCF)就這樣作為一種特殊的新型光纖應(yīng)運而生了。

傳統(tǒng)光纖與光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)對比（a）傳統(tǒng)光纖；（b）光子晶體光纖

一、光子晶體光纖簡介

首先，光子晶體是一種由人工制成的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，使具有不同折射率的介質(zhì)周期性排列，形成了光子晶體(PC)。類似于半導(dǎo)體和絕緣體中存在的電子禁帶，在某些材料中也可以制成在一定范圍內(nèi)特定方向上或全部方向上禁止光傳播的材料。由于其具有光子帶隙(Photonic Band Gap, PBG)特性，我們也稱之為光子帶隙材料，或稱光子晶體PBG材料。

1992年時，英國Bath大學(xué)的Russell第一次提出光子晶體光纖(PCF)的概念。在PCF的中心處引入缺陷，如在包層中添加按周期排列的空氣孔，改變PCF的周期結(jié)構(gòu)，則有缺陷的地方便成了PCF的纖芯，入射光能被控制在光纖纖芯中傳輸而不進入PC包層，這就是PCF。

由于PCF包層中的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，因此相對于傳統(tǒng)光纖它具有許多奇異的特性，如無截止波長的單模傳輸特性，色散可調(diào)特性，高雙折射特性，有效模面積可控特性，光子禁帶效應(yīng)等。這些新奇的特性，為光學(xué)與光電子器件的設(shè)計提供了新的機會，并展示了許多新的功能。例如，利用PCF可制作全光開關(guān) 、光波長轉(zhuǎn)換器、色散補償器及全光2R再生器等多種器件，并被期望廣泛用于通信、生物、空間成像、醫(yī)藥、環(huán)境、軍事、印刷、制造業(yè)等科技領(lǐng)域。

二、不同材料及結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的特點

雖然第一根PCF是使用石英來制作的，但由于單一石英材料PCF的性能顯現(xiàn)出自身的局限性：較窄的光學(xué)透過窗口（僅覆蓋0.3~2.5μm）、小的三階非線性系數(shù)、較大的聲子能量等。因此人們開始嘗試使用其它材料來制作PCF，來尋求更新奇的性能，以應(yīng)對更高需求的應(yīng)用。

1.磷酸鹽玻璃

相對石英玻璃，磷酸鹽玻璃具有較高的稀土溶解度，所以瓦級功率輸出所使用的磷酸鹽光子晶體光纖甚至不到10 cm，較短的光纖長度也降低了非線性效應(yīng)，并在在結(jié)構(gòu)緊湊、小巧靈活的激光器應(yīng)用中有著很大的發(fā)展前景。自2005年Li等第一次使用磷酸鹽PCF設(shè)計激光器獲得了3瓦的輸出功率后，F(xiàn)ranczyk等人在2014年僅用了6 cm長的摻6 mol%磷酸鹽PCF將斜效率提高到了36.2%，實現(xiàn)了9 W(150 W/m)的激光輸出，這是當(dāng)時單模磷酸鹽光纖激光器里的最高值。

2.碲酸鹽玻璃

碲酸鹽玻璃具有寬的增益帶寬、大的透光區(qū)域（0.35~6μm）、較低的聲子能量（~750 cm^?1）、高稀土離子摻雜濃度、高非線性系數(shù)、較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。因此碲酸鹽光子晶體光纖在放大器、偏振分束器和紅外波段超連續(xù)譜光源等器件上有著重要的應(yīng)用。在2014年，Wei等人用橢圓形碲酸鹽玻璃作纖芯，在1550 nm獲得了高的雙折射為7.66×10^?2和非線性系數(shù)達到了3400/ W/km的光子晶體光纖。

3.硫系玻璃

硫系玻璃光子晶體光纖由于其材料具有優(yōu)良的中遠(yuǎn)紅外透過性能（約0.5~25μm）、高折射率（約2~3.5×10^?2）和極高的非線性折射率（n2約為2~20×10^?18 m2/W）等特性，利用這些特性，硫系玻璃PCF可應(yīng)用在超連續(xù)譜、拉曼放大、中紅外傳感、中紅外激光器等領(lǐng)域。

4.聚合物

聚合物光子晶體光纖可以由聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸脂、聚苯乙烯、COC和全氟樹脂等多種光學(xué)聚合材料制備，制備材料的多樣性正是聚合物POF的優(yōu)點之一。不同聚合物材料的玻璃化溫度、透光率阿貝數(shù)、密度、折射率、熱膨脹系數(shù)、吸水率以及機械性能各異，可以滿足各種不同的應(yīng)用需求。聚合物PCF與石英PCF相比，一個最大的優(yōu)點就是制備方法靈活多樣：鉆孔法、擠出法、模具澆注聚合法、注塑法等多種工藝均可。

三、光子晶體光纖在光纖通信中的應(yīng)用

1.色散補償光纖

普通色散補償光纖的纖芯和包層之間的折射率差較小，所以其色散補償能力差。而PCF的纖芯和包層之間的折射率差較大，所以具有很強的色散補償能力。由于PCF的優(yōu)良的色散補償性能，使其有望代替普通的色散補償光纖成為新一呆色散補償光纖。

2.作為光信號傳輸媒介

目前PCF已進入實驗室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗階段．K.Tajima等人于2003年通過改進PCF的制作工藝。制成了在1550nIn波長處衰減為0.3dB/Km長度超過10Km的超低衰減的PCF。并利用他們所設(shè)計出的超低衰減的PCF成功的進行了810Gbit/s的波分復(fù)用傳輸試驗，證明了PCF在實際的通信系統(tǒng)中使用的可行性。2004年．K.Nakajima等人利用他們所研制的A=5.6um，D/A=0.5的零色散波長在850-1550nm的超低衰減的60孔PCF進行了19"lOGbids的波分復(fù)用傳輸實驗，證實了這種PCF可以在850nm波段實現(xiàn)單模傳輸，并且沒有明顯的模式延遲。

3.光纖激光器和光纖放大器

通過調(diào)整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設(shè)計出模場面積范圍為11000um的PCF，使得PCF在光纖激光器和光放大器研制中比G.652光纖具有更大的優(yōu)勢。2000年，英國Bath大學(xué)的Wadsworth和Knight等第一個試驗報道了連續(xù)的摻鐿光子晶體光纖激光器．實驗中泵浦功率為300row，耦合效率為40%時，最大實現(xiàn)了18mw的激光輸出。除此之外．已經(jīng)取得研究進展的光子晶體光纖與光纖通信的相關(guān)應(yīng)用還有連續(xù)譜發(fā)生器、拉曼放大器、光纖光柵等。在光纖通信領(lǐng)域中。光子晶體光纖具有傳統(tǒng)光纖無法比擬的優(yōu)越性，尤其是在長途通信系統(tǒng)中。

資料來源；

光子晶體光纖的發(fā)展和應(yīng)用，張炳濤，陳月娥，趙茲罡，王勇。

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