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背景
分类与传输原理
分类
常规的光纤就是由实心的纤芯，薄层和涂覆层构成的。
光子晶体光纤的结构如上图，它是一种由微米量级空气孔周期性排列组成的新型特殊光纤，又被称为多孔光纤或者微结构光纤，正是这些空气孔改变了光纤的原有特性。PCF可按不同的特点和传光机理分类。例如，按形状可分为三角形、六边形、八边形、正方形和混合型等；按照材料可分为石英玻璃PCF，到后来的碲酸盐玻璃、硫化物玻璃、肖特玻璃和塑料光纤等；按照光纤的特性可分为大模场面积光子晶体光纤、高非线性PCF、高双折射PCF、色散补偿PCF和超低损耗PCF等；按照模式数量可分为单模PCF和多模PCF。而以上的分类都只是按照PCF的某一个显著特点来分类的，不足以解释PCF到底是什么。所以，还是从最根本的传光机理来分类是最科学的：带隙型光子晶体光纤(Photonic Bandgap PCF, PBG-PCF)和全内反射型光子晶体光纤(Total Internal Reflection PCF, TIR-PCF)，从结构上看，就是一个空心，一个实心。
传输原理
TIR-PCF
PBG-PCF
相对于折射率引导型PCF，光子带隙型PCF 要求包层空气孔结构具有严格的周期性。纤芯的引入使其周期性结构遭到破坏时，就形成了具有一定频宽的缺陷态或局域态，而只有特定频率的光波可以在这个缺陷区域中传播，其他频率的光波则不能传播，即光子带隙效应。在这种导光机制下可以将纤芯设计成中空结构。这种结构的光子晶体光纤所具有的极低的非线性效应和传输损耗使其在传输高能激光脉冲和远距离信息传递方面具有很大的潜在优势。
| TIR-PCF | PBG-PCF | |
|---|---|---|
| 结构及原理区别 | 全反射光子晶体光纤依赖的是全反射效应导光，纤芯折射率比包层高，对包层的空气孔排列的周期性要求不是十分严格，空气包层的有效折射率是由空气和石英的比率决定的，因此，可以制成不同折射率剖面的光纤。 | 光子带隙光纤是利用包层微结构产生的光子带隙特性实现导光，空气构成的纤芯折射率小于包层折射率，对频率在带隙内的光子存在带隙效应，使光只能在空气纤芯中传播，对包层中空气孔排列的周期性要求严格。 |
| 使用前景 | 全内反射型光子晶体光纤其实相当于在普通光纤的包层中引入空气孔，降低等效折射率，导光原理与传统光纤保持一致，因其结构调整更加灵活，使得其使用范围比PBG-PCF更广泛。 | 光子带隙型光子晶体光纤有着更大的发展空间。比普通光纤有更低的传输损耗，使得它们有可能成为未来通信传输系统的生力军；比普通光纤有更高的损伤阈值，使得它们适合以激光加工和焊接为目的的强激光传输；中空的结构提供了更多在气体中的非线性光学实验方案 |
| 与普通光纤得性能区别 | 光纤的一个重要参数是光信号在光纤内传输时功率的损耗。在过去的30多年里,由于技术的逐渐完善，普通光纤中的损耗一直在降低,目前已经趋于本征损耗。熔融硅光纤中具有最低损耗的波长约在1550nm附近,在此波长上的损耗约为0.12dB/km。对于光子晶体光纤而言,实芯光子晶体光纤中损耗达到1dB/km以下，最低损耗已经达到0.28dB/km,与普通光纤相当。由于在传输机制上与普通光纤相同,实芯光子晶体光纤在损耗上不太可能有大幅度的降低。对光子带隙型光子晶体光纤而言,最近报道的最低损耗为1.2dB/km。中空的结构使得这类型光子晶体光纤具有更低的本征损耗极限。 |
奇异特性
1. 超强的抗弯性能
2. 高非线效应
光纤中的非线性效应有两方面的作用：一方面可以引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串扰以及信号载波的移动；另一方面可以被用来开发放大器、调制器等新型器件。
3. 无截止波长单模传输特性
4. 可调的模场面积
5. 高双折射特性
6. 良好的耐辐照特性
7. 低损耗特性
制备方法
1. 堆积法
2. 挤压法
3. 溶胶–凝胶法
4. 模具铸造法
5.钻孔法
钻孔法也是一种制备预制棒较为直接的方法。该方法一般与超声波技术结合，使打孔时钻头对玻璃摩擦力和挤压力较小。首先是设计PCF的结构，然后编程输入机床的控制系统，之后在机床上对准备好的圆柱形背景材料进行打孔来获得预制棒。
| 方法名称 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 堆积法 | 大部分背景材料都适用，预制棒制作简单，传统拉丝设备就可满足要求，无需其它特殊设备 | 无法制备大空芯或复杂结构PCF，预制棒的制作时间长，无法满足大规模、标准化生产 |
| 挤压法 | 可反复利用模具，适合大规模生产 | 不同结构PCF需要不同的模具，只限于软化温度低的背景材料，不适用于制备结构复杂、空芯较小的PCF |
| 溶胶-凝胶法 | 原材料成本低，尺寸精确，光纤损耗较低 | 工序复杂，实现难度大 |
| 模具铸造法 | 模具可反复利用，适合大规模生产 | 不同结构PCF需要不同的模具，要求背景材料的熔点要较低 |
| 钻孔法 | 可随意制备不同结构的PCF预制棒 | 不适用孔数较多间距较小的PCF预制棒，加工所需时间长，无法实现长预制棒的加工 |
| 材质 | 性能 | 应用 |
|---|---|---|
| 磷酸盐光子晶体光纤 (Phosphate Glass PCF) |
因其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(Phosphate Glass PCF)甚至不到10 cm，较短的光纤长度也降低了非线性效应。 | 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。 |
| 碲酸盐光子晶体光纤 (Tellurite Glass PCF) |
具有宽的增益带宽、大的透光区域(0.35~6 μm)、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。 | 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 |
| 硫系玻璃光子晶体光纤(Chalcogenide PCF) | 具有优良的中远红外透过性能(约0.5~25 μm)、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 | 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。 |
| 聚合物光子晶体光纤 (Polymer PCF) |
可以由聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸脂(Polycarbonate, PC)、聚苯乙烯(Polystyrene, PS)、COC (Cyclic Olefin Copolymer)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 | 基于聚合物POF的高灵敏度和无需标记的生物传感器，在600~840 nm的区域内的生物膜层的分辨率高达0.012~0.015 nm ；空芯聚合物PCF实现了在850~1750 nm波长区域低损耗传输，像PC基质的Kagome型聚合物 PCF在1550 nm处实现了3.1 dB/m的“超低损耗” ；而结合聚合物在太赫兹波段良好的传输性能和微结构光纤的结构特性，使得聚合物PCF用于太赫兹波导成为研究热点 |
| 空气孔中掺杂或选择性填充材料 | 气体和液体相比固体较容易注入PCF中，可以实现一些功能或开发具有独特性能的器件。 | 利用气体填充的Kagome PCF，通过改变气体压力和输入脉冲特性，可产生高功率可谐调的相干紫外光 ；在折射率引导型PCF中填充高折射率溶液，形成类似带隙效应，使其同时成为激光滤波器和探头。 |
应用及前景
应用
- 光子晶体光纤激光器: 光纤激光器已经广泛应用于激光切割、激光焊接、激光钻孔、激光雕刻、激光打标、激光雷达、传感技术和空间技术以及激光医学等领域。常规掺镱双包层光纤利用掺杂实现光纤包层与纤芯之间的折射率差，使得维持单模传输的纤芯面积难以增加，限制了双包层掺镱光纤激光器性能的进一步提高。双包层掺镱光子晶体光纤的诞生，可以解决大有效面积与单模传输的矛盾，它可以根据激光器件的要求，设计制造纤芯掺杂浓度高、模场面积大、内包层数值孔径大，同时维持纤芯单模传输的高要求，大大地提高了该光纤激光器的散热性能和耐热性能。
- 超连续光谱与新型光源：超连续谱(SC)是高功率密度脉冲激光通过非线性介质产生的强烈光谱展宽，利用光脉冲在光子晶体光纤中的自相位调制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)以及四波混频( FWM)等非线性效应，可使输入脉冲展宽得到超连续谱，在超连续光谱中取出特定波长的激光就可以制造不同波长的新型光源。
- 光开关与传感器：全光开关是波长路由全光网络和下一代光网络的核心部件，光子晶体光纤由于具有较高的非线性效应，包括自相位调制、交叉相位调制等，利用该非线性效应可以研制高速、偏振无关的高性能集成化微型全光开关。光子晶体光纤中分布着许多空气微孔，将不同的液体、气体、固体材料填充到空气微孔中就可以制造出各种各样的传感器。Thomas Tanggaard等将液晶填充到PBG型光子晶体光纤的空气微孔中，制造出一种全光传感器件，该器件对温度非常敏感，0.4℃的温度变化就可以产生60dB的消光比，是一种较好的温度传感器件或光开关。
- 光刹车与全光通信: 为了实现高速全光通信，首先必须实现能够光速控制与光的存储。2005年1月，美国康奈尔（Cornell）大学的Yoshitomo Okawachi等首次利用光纤中受激布里渊散射（SBS）非线性效应实现了可调谐的慢光时延，通过调整泵浦激光波长可以调节被时延的波长，通过调节泵浦光的光强可以实现时延的大小变化，试验中实现了25ns的时延。
前景
- 高速大容量长途传输：光子晶体光纤具有灵活可裁剪色散特性，可以制造出色散平坦、大有效面积，同时具备无尽单模特性的光子晶体光纤，并且可以制造出少模光纤和多芯光纤，少模与多芯光子晶体光纤可望在T bit /s超大容量的高速光纤通信领域实现应用。
- 宽带光源与波长变换器件：超高非线性光子晶体光纤非线性系数是常规单模光纤的10 0倍以上，能够实现1000nm的超连续光谱，可以为光通信DWDM系统提供光源，节省大量激光光源成本；同时利用非线性实现的波长变化器件，其灵活性是其它非线性光纤器件无法比拟的，可以实现超跨度波长变换。
- 光载微波保密通信：采用非线性光子晶体光纤与差频技术，其保密功能非常强，可以实现ROF通信。
- 高功率光纤激光器：采用光子晶体光纤技术制造的大模场掺稀土光子晶体光纤，具备良好的抗热损伤能力，同时激光光束质量好，空气形成的内包层数值孔径较大，大大提高激光二极管与光纤的耦合效率，实现kW级激光输出，在大功率切割焊接以及激光打标等领域具有广泛应用。
- 慢光与光存储：利用光子晶体光纤的超高非线性效应，可以实现光速减慢与光速控制，这为未来的光存储与光交换奠定了技术基础，也为全光通信提供了技术实现的新路径。
设计使用及相关问题
通过设计可以实现的性质
通过设计空气孔类型（基本的几何排列，孔的相对尺寸，以及一些小的偏移量）可以得到具有非常卓越的性能，与设计细节密切相关：
- 可以得到具有非常高数值孔径的多模光纤。
- 孔尺寸与孔间隙比值较小时可以得到很大波长范围内的单模导波（无截止单模光纤）。
- 可以得到非常小或者非常大模式面积的光纤（可能得到比普通光纤更小的NA）。这样可以得到非常强或非常弱的光学非线性效应。这种情况下，PCF即使具有大模式面积也对弯曲损耗的灵敏度很低。
- 一定的空气孔排列能够得到光子带隙。
- 尤其是空气孔很大时，可以将气体或液体充进孔中。充气PCF可以用于光纤传感器中，用于很高功率情况下的非线性光谱展宽，或者得到可变的功率衰减器。
- 不对称的孔排列可以得到非常强的双折射得到保偏光纤。也可以同时得到大模式面积。
- 将光纤端口的孔进行热处理熔化后就得到了无芯端盖。这种密封的端面可以在大模式面积光纤端面得到，因此具有更高的损伤阈值，可以用于放大很强的纳秒脉冲。
- 也可以设计多芯光纤，例如单根光纤的纤芯结构规则排列，纤芯之间可能发生耦合也可能不发生耦合。
技术问题
总体来讲，光子晶体光纤在很多方面与标准光纤类似。但是，在有些方面需要进行特殊处理：
- PCF端面不能采用液体溶液（例如乙醇）进行清洁，因为毛细力会将液体吸入孔中。空中有一点液体都会对光纤的导波特性造成很大的影响。还有专门的研究课题是基于这种效应，通过控制液体进入空气孔中的程度得到可调谐的光学损耗。
- 可以切割和熔接PCFs，但是非常困难，尤其是光纤中空气孔占的比例很大时。在熔接过程中，空气会发生膨胀然后使光纤结构发生畸变。光纤也可以通过机械接点、光纤连接器、插接电缆、光束扩展单元等连接在一起。
- 即使熔接过程非常顺利，但是也可能由于模式面积不匹配引起很大的耦合损耗，例如，小纤芯PCF耦合到标准单模光纤中。存在特制的锥形单模光纤和锥形PCFs提高耦合效率，但是这些锥形光纤也不是很容易制备。
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