我們能夠享受現在的網絡環境，必須要感謝上個世界最偉大的技術成果之一——光纖技術。這種以光波為載體，以光導纖維即光纖作為傳輸媒介的通信技術，能夠瞬時將等同于上千本書的信息傳輸到數百千米之外。《科學美國人》雜志曾評價說：“光纖通信是二戰以來最有意義的四大發明之一。如果沒有光纖通信，就不會有今天的互聯網和通信網絡。”

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

但是隨著科技的發展，對傳統光纖的要求越來越高——例如，人們對互聯網速度的要求越來越高。為了滿足這一需求，光纖通信系統開始向更高傳輸速率、更遠傳輸距離和更大容量的方向發展，不過傳統光纖受其結構、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運而生了。

傳統光纖與光子晶體光纖的結構對比（a）傳統光纖；（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結構，使具有不同折射率的介質周期性排列，形成了光子晶體(PC)。類似于半導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的周期結構，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構，因此相對于傳統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，色散可調特性，高雙折射特性，有效模面積可控特性，光子禁帶效應等。這些新奇的特性，為光學與光電子器件的設計提供了新的機會，并展示了許多新的功能。例如，利用PCF可制作全光開關 、光波長轉換器、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、醫藥、環境、軍事、印刷、制造業等科技領域。

二、不同材料及結構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的性能顯現出自身的局限性：較窄的光學透過窗口（僅覆蓋0.3~2.5μm）、小的三階非線性系數、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，以應對更高需求的應用。

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，并在在結構緊湊、小巧靈活的激光器應用中有著很大的發展前景。自2005年Li等第一次使用磷酸鹽PCF設計激光器獲得了3瓦的輸出功率后，Franczyk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%，實現了9 W(150 W/m)的激光輸出，這是當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、較好的熱穩定性和化學穩定性。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譜光源等器件上有著重要的應用。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良的中遠紅外透過性能（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可應用在超連續譜、拉曼放大、中紅外傳感、中紅外激光器等領域。

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聚合材料制備，制備材料的多樣性正是聚合物POF的優點之一。不同聚合物材料的玻璃化溫度、透光率阿貝數、密度、折射率、熱膨脹系數、吸水率以及機械性能各異，可以滿足各種不同的應用需求。聚合物PCF與石英PCF相比，一個最大的優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。并利用他們所設計出的超低衰減的PCF成功的進行了810Gbit/s的波分復用傳輸試驗，證明了PCF在實際的通信系統中使用的可行性。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的波分復用傳輸實驗，證實了這種PCF可以在850nm波段實現單模傳輸，并且沒有明顯的模式延遲。

3.光纖激光器和光纖放大器

通過調整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設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光纖具有更大的優勢。2000年，英國Bath大學的Wadsworth和Knight等第一個試驗報道了連續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，最大實現了18mw的激光輸出。除此之外．已經取得研究進展的光子晶體光纖與光纖通信的相關應用還有連續譜發生器、拉曼放大器、光纖光柵等。在光纖通信領域中。光子晶體光纖具有傳統光纖無法比擬的優越性，尤其是在長途通信系統中。

資料來源；

光子晶體光纖的發展和應用，張炳濤，陳月娥，趙茲罡，王勇。

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