我们能够享受现在的网络环境，必须要感谢上个世界最伟大的技术成果之一——光纤技术。这种以光波为载体，以光导纤维即光纤作为传输媒介的通信技术，能够瞬时将等同于上千本书的信息传输到数百千米之外。《科学美国人》杂志曾评价说：“光纤通信是二战以来最有意义的四大发明之一。如果没有光纤通信，就不会有今天的互联网和通信网络。”

光纤技术最早是用石英来传输信号的，在随后的几十年间，还发展出了磷酸盐、硼酸盐、硫化物和氟化物乃至塑料等应用形式。不过无论材质如何变化，光纤的原理和结构并没有改变——均是基于光内全反射理论和采用纤芯和包层的结构。

但是随着科技的发展，对传统光纤的要求越来越高——例如，人们对互联网速度的要求越来越高。为了满足这一需求，光纤通信系统开始向更高传输速率、更远传输距离和更大容量的方向发展，不过传统光纤受其结构、材料和制造工艺等因素的限制，性能的提升非常缓慢，因此光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)就这样作为一种特殊的新型光纤应运而生了。

传统光纤与光子晶体光纤的结构对比（a）传统光纤；（b）光子晶体光纤

一、光子晶体光纤简介

首先，光子晶体是一种由人工制成的电介质结构，使具有不同折射率的介质周期性排列，形成了光子晶体(PC)。类似于半导体和绝缘体中存在的电子禁带，在某些材料中也可以制成在一定范围内特定方向上或全部方向上禁止光传播的材料。由于其具有光子带隙(Photonic Band Gap, PBG)特性，我们也称之为光子带隙材料，或称光子晶体PBG材料。

1992年时，英国Bath大学的Russell第一次提出光子晶体光纤(PCF)的概念。在PCF的中心处引入缺陷，如在包层中添加按周期排列的空气孔，改变PCF的周期结构，则有缺陷的地方便成了PCF的纤芯，入射光能被控制在光纤纤芯中传输而不进入PC包层，这就是PCF。

由于PCF包层中的二维光子晶体结构，因此相对于传统光纤它具有许多奇异的特性，如无截止波长的单模传输特性，色散可调特性，高双折射特性，有效模面积可控特性，光子禁带效应等。这些新奇的特性，为光学与光电子器件的设计提供了新的机会，并展示了许多新的功能。例如，利用PCF可制作全光开关 、光波长转换器、色散补偿器及全光2R再生器等多种器件，并被期望广泛用于通信、生物、空间成像、医药、环境、军事、印刷、制造业等科技领域。

二、不同材料及结构光子晶体光纤的特点

虽然第一根PCF是使用石英来制作的，但由于单一石英材料PCF的性能显现出自身的局限性：较窄的光学透过窗口（仅覆盖0.3~2.5μm）、小的三阶非线性系数、较大的声子能量等。因此人们开始尝试使用其它材料来制作PCF，来寻求更新奇的性能，以应对更高需求的应用。

1.磷酸盐玻璃

相对石英玻璃，磷酸盐玻璃具有较高的稀土溶解度，所以瓦级功率输出所使用的磷酸盐光子晶体光纤甚至不到10 cm，较短的光纤长度也降低了非线性效应，并在在结构紧凑、小巧灵活的激光器应用中有着很大的发展前景。自2005年Li等第一次使用磷酸盐PCF设计激光器获得了3瓦的输出功率后，Franczyk等人在2014年仅用了6 cm长的掺6 mol%磷酸盐PCF将斜效率提高到了36.2%，实现了9 W(150 W/m)的激光输出，这是当时单模磷酸盐光纤激光器里的最高值。

2.碲酸盐玻璃

碲酸盐玻璃具有宽的增益带宽、大的透光区域（0.35~6μm）、较低的声子能量（~750 cm⁻¹）、高稀土离子掺杂浓度、高非线性系数、较好的热稳定性和化学稳定性。因此碲酸盐光子晶体光纤在放大器、偏振分束器和红外波段超连续谱光源等器件上有着重要的应用。在2014年，Wei等人用椭圆形碲酸盐玻璃作纤芯，在1550 nm获得了高的双折射为7.66×10⁻²和非线性系数达到了3400/ W/km的光子晶体光纤。

3.硫系玻璃

硫系玻璃光子晶体光纤由于其材料具有优良的中远红外透过性能（约0.5~25μm）、高折射率（约2~3.5×10⁻²）和极高的非线性折射率（n2约为2~20×10⁻¹⁸ m2/W）等特性，利用这些特性，硫系玻璃PCF可应用在超连续谱、拉曼放大、中红外传感、中红外激光器等领域。

4.聚合物

聚合物光子晶体光纤可以由聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸脂、聚苯乙烯、COC和全氟树脂等多种光学聚合材料制备，制备材料的多样性正是聚合物POF的优点之一。不同聚合物材料的玻璃化温度、透光率阿贝数、密度、折射率、热膨胀系数、吸水率以及机械性能各异，可以满足各种不同的应用需求。聚合物PCF与石英PCF相比，一个最大的优点就是制备方法灵活多样：钻孔法、挤出法、模具浇注聚合法、注塑法等多种工艺均可。

三、光子晶体光纤在光纤通信中的应用

1.色散补偿光纤

普通色散补偿光纤的纤芯和包层之间的折射率差较小，所以其色散补偿能力差。而PCF的纤芯和包层之间的折射率差较大，所以具有很强的色散补偿能力。由于PCF的优良的色散补偿性能，使其有望代替普通的色散补偿光纤成为新一呆色散补偿光纤。

2.作为光信号传输媒介

目前PCF已进入实验室的光纤通信系统传输试验阶段．K.Tajima等人于2003年通过改进PCF的制作工艺。制成了在1550nIn波长处衰减为0.3dB/Km长度超过10Km的超低衰减的PCF。并利用他们所设计出的超低衰减的PCF成功的进行了810Gbit/s的波分复用传输试验，证明了PCF在实际的通信系统中使用的可行性。2004年．K.Nakajima等人利用他们所研制的A=5.6um，D/A=0.5的零色散波长在850-1550nm的超低衰减的60孔PCF进行了19"lOGbids的波分复用传输实验，证实了这种PCF可以在850nm波段实现单模传输，并且没有明显的模式延迟。

3.光纤激光器和光纤放大器

通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为11000um的PCF，使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G.652光纤具有更大的优势。2000年，英国Bath大学的Wadsworth和Knight等第一个试验报道了连续的掺镱光子晶体光纤激光器．实验中泵浦功率为300row，耦合效率为40%时，最大实现了18mw的激光输出。除此之外．已经取得研究进展的光子晶体光纤与光纤通信的相关应用还有连续谱发生器、拉曼放大器、光纤光栅等。在光纤通信领域中。光子晶体光纤具有传统光纤无法比拟的优越性，尤其是在长途通信系统中。

资料来源；

光子晶体光纤的发展和应用，张炳涛，陈月娥，赵兹罡，王勇。

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