论光子晶体光纤技术现状和发展

论光子晶体光纤技术的现状和发展
摘要: 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。

光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。

近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤的研究工作。

本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。

关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性
1 引言
1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。

几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。

如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。

光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。

具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。

光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），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。

这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。

独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具
有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。

在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。

以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。

近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。

目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。

本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。

2 光子晶体光纤概述
2.1 光子晶体光纤导光原理
光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。

带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图2-1（a）。

折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。

由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。

由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）
（a）带隙型光子晶体光纤（b）折射率引导型光子晶体光纤
图2-1光子晶体光纤扫描电子显微图
由于PCF的新颖性，这里有必要区分有关概念。

光子晶体指的是在一维、二维或者三维空间上介电常数周期分布的材料；PBG是指在二维或三维空间中，某一限定波长范围内所有的光模式都被抑制。

根据上述定义，光纤布拉格光栅(FBG)也是光子晶体，它存在阻带但不存在禁带结构。

PBG只在特别设计的光子晶体中才会出现，一般光子晶体并不都具有PBG结构，相应的也并非所有的PCF都利用PBG结构导光。

2.2 光子晶体的制备方法
首先将熔融制成的石英毛细管紧密地放置于一根粗石英管内，形成二维的光子晶体结构，然后将中心位置的空芯毛细管替换成相同外径的实芯棒以制备实芯结构，或者抽去中心附近的若干根石英毛细管形成空心结构，从而得到了符合设计需求的光子晶体光纤预制棒;最后，用拉丝塔将预制棒在适当环境下拉制成光子晶体光纤，然后进行抗腐蚀性等后处理。

该方法简单、易操作，堆积法[18]目前是制备光子晶体光纤的最常用方法。

（1）堆积法
普通单模光纤随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤[4]。

对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可在从蓝光到2μm的光波下单模传输，不存在截止波长。

这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1550nm可达1～800μm，已制成了680μm的大模场PCF，大约为常规光纤的10倍。

小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。

这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器(利用高非线性光纤)，低非线性通信用光纤，高光功率传输等。

（2）挤压法
光对于由塑料或玻璃材料构成的光子晶体光纤，需利用模具挤压法[5]来制备。

首先，根据光子晶体光纤的结构设计相应的模具;然后，在高温高压的条件下，将熔融的塑料或玻璃倒入模具，挤压出光子晶体光纤预制棒;最后利用拉丝塔将预制棒拉制成光子晶体光纤。

此方法的优点在于制作效率高，适合量产;缺点在于对制作材料有一定的温度要求。

（3）超声波打孔法
挤压法制备光子晶体光纤需要设计生产模具，增加了制备成本，超声波打孔法则避免了这个问题。

利用超声波打孔机，可以在玻璃棒中打出周期性排列的空气孔，从而制备出光子晶体光纤预制棒。

2005年，X.Feng等人己经制备出了六边形结构的实芯光子晶体光纤。

（4）浇铸法
利用聚合物光子晶体光纤预制棒的化学原位制备技术，采用对预聚物浇铸后再加热聚合的方法，可以制备出了微结构光纤预制棒及光纤，2006年，西安光机
所己通过此法成功制备出保偏光子晶体光纤。

3 光子晶体光纤的特性
3.1 单模传输特性
普通单模光纤[4]随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。

对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可在从蓝光到2μm的光波下单模传输，不存在截止波长。

这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积，在1550nm可达1～800μm，已制成了680μm的大模场PCF，大约为常规光纤的10倍。

小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。

这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器(利用高非线性光纤)，低非线性通信用光纤，高光功率传输等。

3.2非线性特性
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[6-7]，当改变包层空气孔直径和空气孔间距时，有效模场的能量密度也会发生强弱变化，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、波长转换和受激布里渊散射等，其在制作参量光纤放大器、产生超连续谱、宽带拉曼光纤放大器和光波长变换器等光电器件方面有许多应用[8-10]。

3.3 双折射效应
保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。

在PCF
中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。

通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制成比常用熊猫保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤[11]。

3.4 色散特性
色散[12-13]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。

光纤的总色散可以视为波导色散、材料色散和模式色散之和。

由于光子晶体光纤的包层结构独特，其光纤纤芯和包层的折射率差可以很大，从而增大了波导色散对光纤总色散的影响。

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[14]，进而实现对光子晶体光纤的总色散调节，这样可以得到符合不同要求的色散特性。

理论表明，色散补偿光子晶体光纤远远超过了传统色散补偿光纤的色散补偿能力，在色散补偿方面有着巨大的应用前景。

除此之外，通过设计结构参数，可以获得具有平坦色散特性的光子晶体光纤，此种光纤可用于超连续谱产生、密集波分复用系统、宽带光波长转换等领域[15-16]。

3.5 多芯传输
光子晶体光纤的结构相比传统光纤有重要优势，通过灵活排布空气孔，可为光纤的多芯传输[16]提供了可能。

光子晶体光纤的优势在于在光通信领域可以明显提高光纤的传输容量，减少光纤用量;在光子晶体光纤传感领域，可通过调整光纤结构来改变祸合模参量，从而对传感性能进行调制。

3.6 弯曲损耗特性
弯曲损耗[17]是将光纤应用于通信线路时必须面对的问题，不同于与传统光
纤，光子晶体光纤在长波方向和短波长上同时存在着弯曲损耗边。

当光波波长超过光纤的长波弯曲损耗边界时，光纤的有效模场会大量扩散到低折射率区，从而受到强烈的损耗，而在具有无截止单模特性的光子晶体光纤中，当波长低于短波弯曲损耗边界时，单模范围在短波方向的限制会被二阶弯曲边所取代，有效模场会因为光子晶体光纤纤芯和包层折射率差的消失而受到强烈的损耗。

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等行业都是一个重大的突破。

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己经取得了长足的进步，但在光纤普及、建设产业等方面，光子晶体光纤尚待继续大力发展。

4 光子晶体光纤的应用
4.1折射率引导型光子晶体光纤的应用
光纤的色散主要是材料色散和波导色散，对于给定的材料，材料色散是不变的，而波导色散是依赖于光纤的设计参数，可以改变。

传统光纤的零色散点一般在1.3μm附近，折射率引导型PCF的波导色散和光纤自身的结构参数有关，因此改变折射率引导型PCF的结构参数有助于设计出具有所需色散的光纤。

比如：可以改变结构参数将光纤设计为在可见光区域具有大的反常波导色散，使得整个光纤的零色散点可以移至可见光波段[20]。

试验发现，较大的d/Λ(d为空气孔直径，Λ为空气孔间距或调制周期），较小的芯径，光纤的反常色散也较大，其零色散点越靠近短波段。

这类光纤可应用于产生低于1.3μm的光孤子[21]，而采用传统光纤通常是不可能的。

另外，和传统光纤相比折射率引导型PCF更易实现在宽带内的色散平坦化设计[22]，当d/Λ=0．4时能够在宽带内获得较平坦的曲线。

文献[10]
发展了设计色散平坦化PCF的理论，并且重点研究了在1.55μm附近的光通信窗口的色散平坦化设计，其色散平坦宽度近300nm，预示着折射率引导型PCF必将在光通信系统扮演重要角色。

4.2 带隙引导型光子晶体光纤的应用
带隙型光子晶体光纤的独特结构和导模机制以及种种优良特性，给它在光通信、气体传感与检测、医学，非线性光学等方面提供了广阔的应用前景，下面分别介绍。

（1）大功率激光的传输
理论上，因为空芯光子晶体光纤用空气孔导光，不受传统石英芯光纤本征吸收和瑞利散射的影响，大大减小了材料的非线性和光纤的损耗，极大增加了传送功率和传输距离，减少了传输损耗。

以前对于光纤的传能研究集中在大孔和多模传输方面。

用石英光纤传输高能微妙激光几十焦耳，光束质量M²因子最好的大约为20，而且输出为非高斯输出，传统光纤受石英损伤阈值的影响(约5μJ，波长520nm，8ns脉冲)。

只能传输几十μJ能量光脉冲，由于非线性效应的影响。

传输距离也十分有限，难以传导高质量高能脉冲。

相比之下，空芯光子晶体光纤有很高的损伤阈值和低非线性效应在传输超短波脉冲方面比传统的光纤有着明显的优势。

空芯光子晶体光纤工作波长可达800nm左右。

由于空芯光子晶体光纤能传输大功率激光的特性，以及极低的弯曲损耗，使它可以广泛应用于医疗，如制作肿瘤切割刀或内窥镜等医疗器件。

另外，也有可能在未来的量子通信中用来传送孤子压缩态。

（2）粒子传输
利用激光偶极力来控制微粒也是目前的一个热门研究领域，传统方法采用毛
细管作为媒介需要很高的激光能量才能达到目的。

但如果带隙性光子晶体光纤的空芯来传导，将大大降低所需的激光能量和提高控制能力。

Ashkin提出了只用光压就能推进小粒子并可使其克服重力悬浮[22]。

光压理论提供了一种无损操纵微小粒子的有效方，包括操纵生物物质、小粒子等。

粒子传送在很多领域都获得了应用，如生物学、化学、原子物理等。

但是，粒子传送一直受到激光束衍射效应的限制要想实现稳定传输。

甚至曲线传输，要求能够将稳定强度的光越过多个瑞利长度聚焦。

空心毛细管有这样的性质，但传输距离比较短。

空芯的光子晶体光纤由于其光子带隙结构，传输距离可比玻璃空心毛细管长好几倍，在激光强度为80mW时，空芯光子晶体光纤中粒子传输已经超过了150mm。

空芯光子晶体光纤中的光压足以使粒子克服重力悬浮(光纤垂直时)。

或者驱使粒子绕过小角度弯曲(光纤弯曲时)而在激光强度相当的情况下，利用光束聚焦和标准毛细光纤手段只能分别传输0.6mm和12mm。

文献报导了用波长514。

5nm氩离子连续激光器。

将激光垂直注人空芯光子晶体光纤来传输聚苯乙烯粒子。

实验中空芯光子晶体光纤的孔径为20μm空气填充率为70％，光纤长度在100-200mm之间。

实验分为两步：第一步是聚苯乙烯粒子进入空芯光子晶体光纤的悬浮过程：第二步是聚苯乙烯粒子在管线空芯中的传输实验中测量聚苯乙烯粒子进入光纤前的悬浮速度为l.3-1.5cm／s，波长514.5nm时损耗为l0dB／m。

这个实验采用的空芯光子晶体光纤损耗比较高，如果换成损耗低于l0dB／km的空芯光子晶体光纤将其加以改进，预计传输距离可以达到数百米。

4.3 光子晶体光纤在光纤光栅中的应用
宽带调谐长周期光纤光栅所用光纤截面如图4-1所示，这种大尺寸多孔光纤其纤芯掺锗，包层中有6个直径为40μm的圆形气孔成六边形排列。

这样形成直径约为30μm的内硅层。

光纤外径为125μm，纤芯直径为8μm光纤纤芯与包层(内
包层)折射率指数差为0.35%利用幅值掩模法将长周期光纤光栅写人。

制备的光栅周期为550μM。

然后在光纤包层气孔中注入丙烯酸聚合物，其折射率指数略低于包层并通过紫外光照加速聚合物凝固，从而制备了混合波导多孔光纤光栅根据热光效应，丙烯酸聚合物材料的光学特性受温度影响温度的变化，导致包层中丙烯酸聚合物折射率指数的变化，从而影响内硅层中包层模式的分布与有效折射率指数，进而影响纤芯基模与包层模式的藕合，最终表现为谱中谐波随温度变化而移动温度升高，发生红移温度降低，发生蓝移，即具有温度调谐的性能。

测试制备的长周期光纤光栅温度调谐特性结果如图4-2所示。

其中的谐波是纤芯基模与低阶包层模式藕合所产生。

可以看出，基于聚合物硅混合波导多孔光纤的光栅温度调谐能力大大增强，当温度从25-120℃，调谐范围超过150nm。

图4-1 聚合物填充多孔光纤截面图图4-2 长周期光纤光栅温度调谐特性4.4 光子晶体光纤在光纤通信中的应用
（1）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1-1000um²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等第一个实验报道了连续波的掺镱光子晶体光纤激光器，实验中泵浦功率为300mw，耦合效率为40%时，最大实现了18mw的激光输出，激光阈值小于10mw[23]。

（2）拉曼放大器
传统光纤拉曼放大器中存在瑞利散射影响严重，必须根据线路的实际使用光纤情况进行设计灵活性差等缺点，光子晶体光纤拉曼放大器不仅具有传统光纤拉曼放大器的所有优点，还可以克服以上缺点，这对于光纤通信系统具有非常重要的意义。

（3）作为光信号传输媒质
目前PCF已进入实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段，K.Tajima等人于2003年通过改进PCF的制作工艺，制成了在1550nm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[24]。

2004年，K.Tajima等人利用他们所研制的Λ=5.6um，d/Λ=0.5的零色散波长在850-1550nm的超低衰减的60孔PCF进行了19×10Gbit/s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[25]。

4.5 高非线性光子晶体光纤的应用
光纤的非线性效应在光开关、放大器、波分复用和波长变换以及超连续谱产生等方面有着广泛的应用，但由于常规光纤的非线性系数较小，限制了相关器件的发展。

而PCF可以有非常优越的非线性效应，其有效面积可以比常规高非线性光纤减小1个数量级以上，因此具有很高的非线性系数。

对于要求光纤具有高非线性折射率的应用来说，具有相当大的吸引力，并且可以降低相关器件的成本，在未来大容量全光通信上有广阔的应用前景。

同时，由于PCF的色散可通过结构设计来进行调整，设计合适的零色散点和色散曲线，对于光纤非线性特性的应用更为有利。

5 总结
光子晶体光纤的奇异特性是一些传统光纤所没有的。

作为传光介质，在光子带隙中传输信息，具有超低损耗、超低非线性、超低色散，是未来光通信的理想材料。

这些性质，同样为生命科学、精细测量技术等带来美好前景。

作为光纤元件，通过对光子晶体光纤的优化设计，还能够制造全新特性的光纤激光器，如超大功率激光器、超快激光器系统等;还能够制造成光纤放大器、光纤振荡器、波长转换器、光纤光栅、偏振保持器等。

总之，可以制造出现有分立激光系统，通信系统中的所有器件，而且能够实现集成化、超小型化、现代化。

作为特殊载体，不远的将来，可在空芯光子晶体光纤中实现纳米结构光子学研究，实现纳米制造、纳米组装、纳米成型，制备出一系列纳米半导体材料和系统集成。

同样，空芯光子晶体光纤中可以实现平面半导体的一些制备工作和大规模集成，使纳米技术、半导体技术与光子晶体一光纤微结构技术结合起来构造出全新的科学领域和发展方向。

总之，光子晶体光纤不是孤立的材料和元件，它对信息技术、生命科学、新材料的研究具有重大的推动作用。

参考文献:
[1]KawanishiS, Yamamoto T , Kubota Tetal .IEICE Trans.Electron, 2004 , E87 -
C(3) :336
[2]KerbageC, Eggleton B J .Opt .Fiber Technol , 2004 , 10(2) :133
[3]汪徐德.光子光纤特性及应用研究[D].广州,华南师范大学,2007
[4]李曙光，刘晓东，侯蓝田.光子晶体光纤的导波模式与色散特性[J].物理学报，2003
[5]G.P.Agrawal, Nonlinear Fiber Optics.[M] Third Edition, San Diego: Academic
Press, 2001
[6]Fuerbach A, Steinvurzel P, Bolger J, et al.Nonlinear pulse propagation at zero
dispersion wavelength in anti-resonant photonic crystal fibers[J].Optics Express, 2005, 13(8):2977-2987
[7]Lee, J.H et al.A holey fibrera man amplifier and all-optical modulator.[J] Optical
Communication, 2001.Volume:6,Oct.2001 Page(s):46-47.
[8]J.E.Sharping, M.Fiorentino, P.Kumar, et al.All-optical switching based on cross-phase
modulation in microstructure fiber.[J] IEEE Photon.Technol.Lett.2002, 14(1), 7779. [9]Knight J C, Arriaga J, Birks T A, et al.Anomalous dispersion in photonic crystal
fiber[J].Photonics Technology Letters, IEEE, 2000, 12(7): 807-809.
[10]阮双琛,杨冰,朱春艳,等.13.4W光子晶体光纤激光器的研究.光子学
报,2004,33(1):89292
[11]L.P.Shen, W.P.Huang, et al., Design of photonic crystal fibers for dispersion-related
applications.[J]Journal of Light wave Technology, vo1.21, pp.1644-1651, 2003. [12]Ferrando A, Silvestre E, Andres P,et al.Designing the properties of dispersion-flattened
photonic crystal fibers[J].Optics Express, 2001, 9(13): 687-697.
[13]Hansen K.Dispersion flattened hybrid-core nonlinear photonic crystal fiber[J].Optics
Express,2003, 11(13): 1503-1509.
[14]Saitoh K, Koshiba M, Hasegawa T, et al.Chromatic dispersion control in photonic crystal
fibers: application to ultra-flattened dispersion[J].Optics Express, 2003, 11(8): 843-852.
[15]Saitoh K, Koshiba M.Highly nonlinear dispersion-flattened photonic crystal fibers for
supercontinuum generation in a telecommunication window[J].Optics Express, 2004, 12(10):2027-2032.
[16]Russell P S J.Photonic-crystal fibers[J].Journal of lightwave technology, 2006,
24(12):4729-4749.
[17]Nielsen M D,Mortensen N A, Albertsen M, et al.Predicting macro bending loss for
large-mode area photonic crystal fibers[J].arXiv preprint physics/0404057, 2004. [18]郭铁英，娄淑琴，李宏雷，等.光子晶体光纤拉制中工艺参数的控制[J].物理学报，
2009,58(9): 6308-6315.
[19]余重秀，苑金辉，申向伟.光子晶体光纤的研究新进展[J].光学学报，2011,
31(9):332-336.
[20]J.C.Knight et al.Anaomalous Dispersionin Photonic Crystal Fiber IEEE Photonics
Technology Letters,2000,12:807-809.
[21]J．H．V．Price et al．,Soliton trans miss on and super continuum generation in
holey fiber,using a diode pumped Ytterbium fiber source Optics Express ,2002,10382-387。

[22]J es Broeng et al．,Photonic Crystal Fibers：A New Class of Optical
Waveguides．Optical Fiber Technology,1999,5：305-330
[23]W ads worth W J, Knight J C, Reeves W H ,et al.Yb-doped photonic crystal fiber
laser［J］.Electron.Lett.,2000,36(17):1452-1453
[24]K。

Tajima,et al.Ultralow loss and long length photonic crystal fiber［J］.Light wave
Tech.,2004,22(1):7-10.
[25]K.Nakajima, et al.Ultrawide-band single-mode transmission performance in a
low-loss photonic crystal fiber［J］.Light wave Tech.,2005,23(1):7-11.
The status quo and development of the skills of photonic
crystal fiber
Abstract
Photonic crystal fiber (PCF) photonic crystal fiber,, also called porous fiber or microstructure fiber, with its unique optical properties and flexible designs become a hot research topic in recent years.Photonic crystal fiber in appearance and the traditional ordinary single-mode fiber are very similar, but the microscopic cross section of a photonic crystal fiber is completely different.At home and abroad in recent years, many universities and scientific research units are actively work for the research of photonic crystal fiber.This article elaborated the PCF some unique optical properties, production technology and some important applications, this paper introduces the development of PCF and the latest achievements.
Keywords: Photonic crystals, Photonic crystals Fiber, Nonlinear。