光子晶体光纤

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,PCF)又被称为微结构光纤（Micro-Structured Fibers, MSF)，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。

光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构（它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs），这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导；相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs） ，实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIR-PCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传播。相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBG-PCFs）只是在近期才得到实验证明。

设计和研发新型光纤的重点是拉制工艺的控制和使用材料的选取。传统单模光纤要求纤芯和包层材料的折射率相似(一般来讲折射率差在1%左右),而光子晶体光纤却要求折射率差值很大,达到50%～100%。普通光纤中微小的折射率差常常用气相沉积的技术得到所需的预制棒,而光子晶体光纤所需的大折射率差值通常利用堆管技术制作预制棒。

光子晶体光纤的典型拉制过程:首先是完成预制棒的设计和制作,预制棒里包含了设计好的结构;然后将预制棒放在光纤拉制塔中,利用普通光纤的拉制方法在更精密的温度和速度控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶体光纤。在拉制过程中,通过调整预制棒内部惰性气体压强和拉制的速度来保持光纤中空气孔的大小比例,从而获得一系列不同结构的光子晶体光纤。一些研究小组还报道一些特殊的预制棒制作方法,这些方法可以用来拉制特殊材料或特殊结构的光子晶体光纤。例如,由于软玻璃材料并不像硅一样易形成管状,普通的堆管制作预制棒的方法不适用,利用直接挤压形成预制棒的新技术则能制作这类材料的光子晶体光纤预制棒。通过堆叠、冲压和钻孔的方法可以很好地制作聚合物材料的光子晶体光纤预制棒。通过一种独特的卷雪茄技术将聚合物与玻璃合成布拉格结构的光子晶体光纤。而P.Falkenstein等则是在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料,将它们按设计要求排列好并融化成型后,利用酸腐蚀掉不需要的部分形成空气孔,这种方法形成的预制棒能拉制出结构更完美、更符合设计要求的光子晶体光纤。

光子晶体光纤按照其导光机理可以分为两大类：折射率导光型（IG-PCF)和带隙引导型（PCF）。带隙型光子晶体光纤能够约束光在低折射率的纤芯传播。第一根光子晶体光纤诞生于1996年，其为一个固体核心被正六边形阵列的圆柱孔环绕。这种光纤很快被证明是基于内部全反射的折射率引导传光。真正的带隙引导光子晶体光纤诞生于1998年。带隙型光子晶体光纤中，导光中心的折射率低于覆层折射率。空心光子晶体光纤（Hollow-core PCF,HC-PCF）是一种常见的带隙型光子晶体光纤。光子晶体光纤主要通过堆叠的方式拉制而成，有些情况下会使用硬模（die）来辅助制造

折射率引导型光子晶体光纤又可以分成:无截止单模型、增强非线性效应型和增强数值孔径型等。而光子带隙型光子晶体光纤又可以分成:蛛网真空型和布拉格反射型等。

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[,因此报道中的数值远远未达到本征损耗值。

这类光纤是由纯石英纤芯和具有周期性空气孔结构的包层组成。由于空气孔的加入,包层与纤芯相比具有较小的有效折射率,即由于石英空气包层的有效折射率小于纤芯的折射率,这种结构的光子晶体光纤以类似全内发射的机制导光,这一点与普通光纤相似。因此一个简单的分析方法就是把这类光子晶体光纤等效为折射率阶跃型光纤,得到包层的有效折射率后就可以用折射率阶跃型光纤的方法加以分析和计算。通过调整预制棒的结构参数能得到所需结构与尺寸的光子晶体光纤,具有非常灵活设计自由度。不同的空气孔结构和排布使得折射率引导型光子晶体光纤具有特定的模式传输特性。特别需要指出的是,研究还发现折射率引导型光子晶体光纤包层中空气孔的周期排列不是必要的,随机排列足够多的空气孔也能够有效降低包层的折射率,实现改进的全内反射。因此,这种光纤已经不同于早期提出的空气孔周期排列的光子晶体光纤,为了突出包层中排列有波长量级的空气孔的这一特征,折射率引导型光子晶体光纤更适合被称为多孔光纤或微结构光纤。

相对于折射率引导型光子晶体光纤,光子带隙型光子晶体光纤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。

20世纪60年代,在现代硅光纤技术发展起来以前,毛细管曾经被研究作为通信光波导的代替品。现在常见的中空光纤则是将极细的毛细管内表面上镀反射膜来增强反射率,通过内部反射来导光。这项技术被广泛应用于红外波段,毕竟制作较大的空气孔相对简单,并且镀膜较易实施。但是因为镀膜是在光纤拉制后,因此这种光纤长度相对较短,并且传输的模式质量差。而对于光子带隙型光子晶体光纤来讲,光纤拉制过程将预制棒横向上的空气孔尺度减小到光波长量级,并不需要更多的工艺。这项技术已经生产出了很长的中空光子晶体光纤并且可以通过改变包层结构调整导波模的特性。

光子带隙型光子晶体光纤有着更大的发展空间。可能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,例如可以构成具有无衍射和损耗极限的单气体微腔。文献中报道了充氢气的光子带隙型光子晶体光纤可以作为受激拉曼散射实验的微腔,这种光纤中受激拉曼散射的阈值比先前的实验低了两个数量级。在类似的思想引导下,光子带隙型光子晶体光纤可以用作气体检测或控制,或者用作气体激光器的增益微腔。

光子晶体光纤

折射率引导型光子晶体光纤具有无截止单模特性 、大模场尺寸 /小模场尺寸和色散可调特性（调节d,Λ等，无须掺杂)等特性。被广泛应用于色散控制 (色散平坦，零色散位移可以到800nm)，非线性光学（高非线性，超连续谱产生），多芯光纤，有源光纤器件（双包层PCF有效束缚泵浦光）和光纤传感等领域。

空隙带隙型光子晶体光纤具有易耦合，无菲涅尔反射，低弯曲损耗、低非线性和特殊波导色散等特点被广泛应用于高功率导光，光纤传感和气体光纤等方面。光子晶体光纤的发展为光纤传感开拓了广阔的空间，尤其是在生物传感和气体传感方面为光纤传感技术带来新的发展。

光子晶体光纤克服了传统光纤光学的限制,为许多新的科学研究带来了新的可能和机遇。尽管现在只有一小部分研究小组能够制造这种光子晶体光纤,但是极快的发展速度和非常有效的国际间科学合作使得光子晶体光纤在许多不同领域中的应用获得快速发展。最典型的例子就是英国Bath大学研究者们参与的一个合作,他们制作的光子晶体光纤成功地用于德国普朗克量子光子学研究所T.Hansch教授领导的研究小组所研究的高精密光学测量中。值得一提的是,从发现光子晶体光纤能够产生超连续光谱这一特性到将其应用到光计量学中的时间间隔仅有几个月,而T.Hansch教授则因在超精密光谱学测量方面成就斐然,尤其为完善“光梳”技术作出了重要贡献而获得了2005年度的诺贝尔物理学奖。光子晶体光纤正在以极快的速度影响着现代科学的多个领域。利用光子带隙结构来解决光子晶体物理学中的一些基本问题,如局域场的加强、控制原子和分子的传输、增强非线性光学效应、研究电子和微腔、光子晶体中的辐射模式耦合的电动力学过程等。同时,实验和理论研究结果都表明,光子晶体光纤可以解决许多非线性光学方面的问题,产生宽带辐射、超短光脉冲,提高非线性光学频率转换的效率,用于光交换等。不难想象,不久的将来我们还会发现光子晶体光纤更多的性质,更多的应用领域。