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[摘 要]光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。以此为基础的光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。本文从光子晶体光纤的概念及种类、特性、应用三个方面对光子晶体光纤进行了介绍。
[关键词]光纤 光纤特性 PCF
中图分类号：P528 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0006-01
随着信息时代的到来，信息的数据量呈爆炸式增长。通信技术向更大的信息传输容量和更远的传输距离发展。开拓频率更高的光波应用，成为通信技术发展的必然。光纤技术是现代通信的重要技术之一，而如何更好的控制光子传输状态是科研人员一直以来研究的重点。随着上世纪80年代光子晶体概念的提出，1992年英国南安普顿大学的Knight J C等人首次将光子晶体的概念引入光纤领域，提出了光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF），并于1996年成功的拉制了第一根PCF，标志着性能卓越的新一代光纤问世。经过近20年的发展，光子晶体光纤的应用标志着信息产业的发展进入了一个全新的阶段，对信息化社会的发展有着十分重要的意义。
一、光子晶体光纤的概念及种类
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF），又叫微结构光纤或多孔光纤。与普通的单模光纤相比，光子晶体光纤是一种端面呈二维周期性分布且轴向带有线缺陷分布的二维光子晶体。光纤的纤芯因空气孔或者石英材料构成线缺陷，而包层则按规则形状排列成光子带隙结构，进而某一波长范围内的光被禁止在纤芯内传播。
根据导光原理的不同，大致可以将光子晶体光纤分为两大类：一是全内反射型光子晶体光纤。二是光子带隙型光子晶体光纤。全内反射型光子晶体光纤又称折射率引导型光子晶体光纤，一般由石英和空气构成，其截面结构具有周期性。它的纤芯一般为石英，通过在包层中引入空气孔，大大的降低了包层的折射率，使纤芯折射率大于包含了空气孔的包层的有效折射率，从而将光信号约束在纤芯中传播。这种光纤的导光机制与传统光纤一样，属于全内反射型。这种光子晶体光纤对结构的周期性要求较小，制备工艺难度较低，近些年发展迅速。光子带隙型光子晶体光纤的包层由蜂窝型空气孔构成，而纤芯是通过缺失若干个空气孔形成的，包层的有效折射率比纤芯高。通过引入低折射率材料——空气作为缺陷，利用缺陷纤芯，使得只有满足一定条件下特定频率的光才能在缺陷区域中传播，即所谓的光子带隙效应。它是利用周期性包层结构的光子带隙效应把频率位于带隙内的光信号限制在纤芯中传播。由于带隙型光子晶体光纤具有低损耗、超低非线性、强波导色散等新颖的传导特性，一经出现就受到了广泛的关注。
二、光子晶体光纤的特性
1.无截止单模传输特性
单模传输特性是光子晶体光纤中最早被发现，也是最引人注目的特性。对于普通光纤，当传输光的波长大于截止波长时，才可能实现单模传输，而光子晶体光纤具有对于任何波长都可以实现单模传输。单模传输可以提高光电器件的信号质量及传输速率。另外，光子晶体光纤的无限单模传输特性与光纤的绝对尺寸没有任何关系，仅与光纤结构的空气孔孔径与孔间距的比值有关。因此无论如何改变光纤尺寸，单模传输的特性始终不变，光纤结构的模场面积可根据该特性灵活设计。
2.大的有效模场面积
有效模场面积是光纤的一项重要的光学参数。光子晶体光纤除了可以实现近紫外到近红外全波段单模传输外，其纤芯还可以做的很大。若将该类光纤用于制作光纤激光器和大功率传输系统中，则输出功率可得到大幅提高。在高功率传输领域如密集波分复用系统、大功率激光器、长距离通信等方面有重要应用。
3.色度色散特性
色散是衡量光纤性能的重要参数，决定着光纤是否在超连续光谱、超短脉冲的产生等领域得到应用，对光通信和设计光纤激光器等起着决定性作用。空气中的材料色散非常小，近似真空中的情况。这使得空气芯的光子晶体光纤的色散非常特殊。只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散。所以通过改变光子晶体光纤的结构参数，如空气孔的排布方式、空气孔形状、空气孔半径和空气孔间距等，可以调节波导色散的数值大小，进而实现对光子晶体光纤总色散调节。
4.良好的非线性效应
光子晶体光纤是理想的非线性光学介质，因为与传统光纤相比，光子晶体光纤的纤芯更小，从而更容易产生非线性效应，当改变包层空气孔直径和空气间距时，有效模场的能量密度也会产生强弱变化，从而使光纤的非线性性能发生相应变化，易于实现丰富的非线性现象。非线性效应对于光纤通信进行大容量传输有较大不良影响，但通过结合可设计的色散，可以产生丰富的非线性现象，如三次谐波产生、四波混频、波长转换等，在制作参量光纤放大器、产生超连续光谱、光波长变换器等光电器方面有许多应用。
三、光子晶体光纤的应用
由于光子晶体光纤具有以上优良特性，使得其在光纤通信、光电传感和光纤传感等许多方面都有着广阔的前景，可以认为光子晶体光纤的出现对于光通信以及光纤器件行业都是一个重大的突破。
1.基于光子晶体光纤的传感器
光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、结构简单紧凑和便于形成光纤网络等众多优势。近年来，各类光纤传感器已经被设计并研制出来应用到电力电网、桥梁建筑和生化检测等各个重要领域，用于检测应力、温度、折射率等重要物理量。其中主要包括吸收型光子晶体光纤传感器、荧光型光子晶体光纤传感器和干涉型光子晶体光纤传感器等。
2.基于光子晶体光纤激光器
光纤激光器目前已被广泛应用各个领域，是指以光纤中掺杂稀土元素后作为增益介质的激光器。主要包括激光空间远距离通信、激光光纤通信、激光切割、印刷、金属和非金属焊接、工业制造等。与传统的激光器相比，光纤激光器有很多优点：低激光阈值、高转换效率、低制作成本、简单的系统结构、可多波长输出且输出波长可调谐等。
3.基于光子晶体光纤的器件
光纤器件主要功能是对光信号或能量进行连接、合成、转换等。光纤器件具有结构简单、尺寸小、性能优等特点。光纤器件在光纤通信系统、光纤传感系统中必不可少的重要器件。目前研究人员根据光子晶体光纤的特性设计制作出了各类基于光子晶体光纤的器件。基于高双折射光子晶体光纤的光纤干涉仪，基于二氧化碳激光器微加工技术的空芯光子晶体光纤和实心光子晶体的光纤偏振器件等。
4.基于光子晶体光纤的光纤光栅
光纤光栅具有尺寸小、抗干扰等优点，已经被广泛应用于光纤传感系统中。基于普通光纤的光纤光栅对温度存在交叉敏感，所以在温度不稳定的应用环境中将引入一定测量误差。与普通的光纤光栅相比，基于光子晶体光纤的光纤光栅具有很好的温度稳定性，可以很好的解决温度交叉敏感问题，具有良好的应用前景和发展空间。
目前光子晶体光纤的生产制作技术已经得到很大的改进，光子晶体光纤生产已经进入产业化阶段，目前世界上主要的光子晶体光纤生产厂家有丹麦的NKT集团下面的NKT Photonics A/S公司。主要产品有高非线性光子晶体光纤、空芯光子晶体光纤、保偏光子晶体光纤和大模场光子晶体光纤。国内生产光子晶体光纤的公司主要有武汉长飞光纤光缆有限公司，主要产品有单模无截止光子晶体光纤，高双折射光子晶体光纤和实心带隙型光子晶体光纤。目前国际上对制备光子晶体光纤基本特性的研究和光纤的制备上已经取得了长足的进步，但在光纤普及、建设产业等方面，光子晶体光纤尚待大力发展。
参考文献
[1]任海振，杨林峰.光学教学中若干前沿问题的介绍[J]. 科技信息2012年 第33期.
[2]刘博文，王清月，徐博，等.基于中空光子带隙光纤的飞秒激光脉冲压缩[J].中国激光2009 363：620-624.
作者简介
席炜，女，出生1974年12月，汉族，讲师，工学硕士，主要研究方向光纤通信。
[关键词]光纤 光纤特性 PCF
中图分类号：P528 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0006-01
随着信息时代的到来，信息的数据量呈爆炸式增长。通信技术向更大的信息传输容量和更远的传输距离发展。开拓频率更高的光波应用，成为通信技术发展的必然。光纤技术是现代通信的重要技术之一，而如何更好的控制光子传输状态是科研人员一直以来研究的重点。随着上世纪80年代光子晶体概念的提出，1992年英国南安普顿大学的Knight J C等人首次将光子晶体的概念引入光纤领域，提出了光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF），并于1996年成功的拉制了第一根PCF，标志着性能卓越的新一代光纤问世。经过近20年的发展，光子晶体光纤的应用标志着信息产业的发展进入了一个全新的阶段，对信息化社会的发展有着十分重要的意义。
一、光子晶体光纤的概念及种类
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF），又叫微结构光纤或多孔光纤。与普通的单模光纤相比，光子晶体光纤是一种端面呈二维周期性分布且轴向带有线缺陷分布的二维光子晶体。光纤的纤芯因空气孔或者石英材料构成线缺陷，而包层则按规则形状排列成光子带隙结构，进而某一波长范围内的光被禁止在纤芯内传播。
根据导光原理的不同，大致可以将光子晶体光纤分为两大类：一是全内反射型光子晶体光纤。二是光子带隙型光子晶体光纤。全内反射型光子晶体光纤又称折射率引导型光子晶体光纤，一般由石英和空气构成，其截面结构具有周期性。它的纤芯一般为石英，通过在包层中引入空气孔，大大的降低了包层的折射率，使纤芯折射率大于包含了空气孔的包层的有效折射率，从而将光信号约束在纤芯中传播。这种光纤的导光机制与传统光纤一样，属于全内反射型。这种光子晶体光纤对结构的周期性要求较小，制备工艺难度较低，近些年发展迅速。光子带隙型光子晶体光纤的包层由蜂窝型空气孔构成，而纤芯是通过缺失若干个空气孔形成的，包层的有效折射率比纤芯高。通过引入低折射率材料——空气作为缺陷，利用缺陷纤芯，使得只有满足一定条件下特定频率的光才能在缺陷区域中传播，即所谓的光子带隙效应。它是利用周期性包层结构的光子带隙效应把频率位于带隙内的光信号限制在纤芯中传播。由于带隙型光子晶体光纤具有低损耗、超低非线性、强波导色散等新颖的传导特性，一经出现就受到了广泛的关注。
二、光子晶体光纤的特性
1.无截止单模传输特性
单模传输特性是光子晶体光纤中最早被发现，也是最引人注目的特性。对于普通光纤，当传输光的波长大于截止波长时，才可能实现单模传输，而光子晶体光纤具有对于任何波长都可以实现单模传输。单模传输可以提高光电器件的信号质量及传输速率。另外，光子晶体光纤的无限单模传输特性与光纤的绝对尺寸没有任何关系，仅与光纤结构的空气孔孔径与孔间距的比值有关。因此无论如何改变光纤尺寸，单模传输的特性始终不变，光纤结构的模场面积可根据该特性灵活设计。
2.大的有效模场面积
有效模场面积是光纤的一项重要的光学参数。光子晶体光纤除了可以实现近紫外到近红外全波段单模传输外，其纤芯还可以做的很大。若将该类光纤用于制作光纤激光器和大功率传输系统中，则输出功率可得到大幅提高。在高功率传输领域如密集波分复用系统、大功率激光器、长距离通信等方面有重要应用。
3.色度色散特性
色散是衡量光纤性能的重要参数，决定着光纤是否在超连续光谱、超短脉冲的产生等领域得到应用，对光通信和设计光纤激光器等起着决定性作用。空气中的材料色散非常小，近似真空中的情况。这使得空气芯的光子晶体光纤的色散非常特殊。只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散。所以通过改变光子晶体光纤的结构参数，如空气孔的排布方式、空气孔形状、空气孔半径和空气孔间距等，可以调节波导色散的数值大小，进而实现对光子晶体光纤总色散调节。
4.良好的非线性效应
光子晶体光纤是理想的非线性光学介质，因为与传统光纤相比，光子晶体光纤的纤芯更小，从而更容易产生非线性效应，当改变包层空气孔直径和空气间距时，有效模场的能量密度也会产生强弱变化，从而使光纤的非线性性能发生相应变化，易于实现丰富的非线性现象。非线性效应对于光纤通信进行大容量传输有较大不良影响，但通过结合可设计的色散，可以产生丰富的非线性现象，如三次谐波产生、四波混频、波长转换等，在制作参量光纤放大器、产生超连续光谱、光波长变换器等光电器方面有许多应用。
三、光子晶体光纤的应用
由于光子晶体光纤具有以上优良特性，使得其在光纤通信、光电传感和光纤传感等许多方面都有着广阔的前景，可以认为光子晶体光纤的出现对于光通信以及光纤器件行业都是一个重大的突破。
1.基于光子晶体光纤的传感器
光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、结构简单紧凑和便于形成光纤网络等众多优势。近年来，各类光纤传感器已经被设计并研制出来应用到电力电网、桥梁建筑和生化检测等各个重要领域，用于检测应力、温度、折射率等重要物理量。其中主要包括吸收型光子晶体光纤传感器、荧光型光子晶体光纤传感器和干涉型光子晶体光纤传感器等。
2.基于光子晶体光纤激光器
光纤激光器目前已被广泛应用各个领域，是指以光纤中掺杂稀土元素后作为增益介质的激光器。主要包括激光空间远距离通信、激光光纤通信、激光切割、印刷、金属和非金属焊接、工业制造等。与传统的激光器相比，光纤激光器有很多优点：低激光阈值、高转换效率、低制作成本、简单的系统结构、可多波长输出且输出波长可调谐等。
3.基于光子晶体光纤的器件
光纤器件主要功能是对光信号或能量进行连接、合成、转换等。光纤器件具有结构简单、尺寸小、性能优等特点。光纤器件在光纤通信系统、光纤传感系统中必不可少的重要器件。目前研究人员根据光子晶体光纤的特性设计制作出了各类基于光子晶体光纤的器件。基于高双折射光子晶体光纤的光纤干涉仪，基于二氧化碳激光器微加工技术的空芯光子晶体光纤和实心光子晶体的光纤偏振器件等。
4.基于光子晶体光纤的光纤光栅
光纤光栅具有尺寸小、抗干扰等优点，已经被广泛应用于光纤传感系统中。基于普通光纤的光纤光栅对温度存在交叉敏感，所以在温度不稳定的应用环境中将引入一定测量误差。与普通的光纤光栅相比，基于光子晶体光纤的光纤光栅具有很好的温度稳定性，可以很好的解决温度交叉敏感问题，具有良好的应用前景和发展空间。
目前光子晶体光纤的生产制作技术已经得到很大的改进，光子晶体光纤生产已经进入产业化阶段，目前世界上主要的光子晶体光纤生产厂家有丹麦的NKT集团下面的NKT Photonics A/S公司。主要产品有高非线性光子晶体光纤、空芯光子晶体光纤、保偏光子晶体光纤和大模场光子晶体光纤。国内生产光子晶体光纤的公司主要有武汉长飞光纤光缆有限公司，主要产品有单模无截止光子晶体光纤，高双折射光子晶体光纤和实心带隙型光子晶体光纤。目前国际上对制备光子晶体光纤基本特性的研究和光纤的制备上已经取得了长足的进步，但在光纤普及、建设产业等方面，光子晶体光纤尚待大力发展。
参考文献
[1]任海振，杨林峰.光学教学中若干前沿问题的介绍[J]. 科技信息2012年 第33期.
[2]刘博文，王清月，徐博，等.基于中空光子带隙光纤的飞秒激光脉冲压缩[J].中国激光2009 363：620-624.
作者简介
席炜，女，出生1974年12月，汉族，讲师，工学硕士，主要研究方向光纤通信。