摘要：光子晶体光纤由于独特的导光原理和灵活的结构设计，性能明显能优于传统光纤，在光通信和激光技术等领域具有非常广阔的应用空间。文章介绍了光子晶体光纤的导光原理，研究了其主要特性，并分析了其在波分复用器、光纤激光器、光纤放大器及光耦合器件等方面的应用。
关键词：光子晶体光纤 特性 光器件
0 引言
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是光纤技术发展的主要方向，对于大容量光纤通信和高功率光纤激光器的研究开发具有重要意义。光子晶体光纤又称为多孔光纤(Holey Fiber，HF)或微结构光纤(Micro-Structured Fiber，MSF)，它是在石英光纤的包层中沿轴向均匀地排列空气孔，并在纤芯端面存在一个破坏了周期性结构的缺陷所构成，从而使入射光能被控制在光纤纤芯中传输。光子晶体光纤由于包层中的二维光子晶体结构，可以作为更加优异的光传输介质，在新一代光纤通信系统和激光技术等重要领域具有极其广阔的应用范围。
1 光子晶体光纤的导光原理
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。
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1（b）。
2 光子晶体光纤的特性
光子晶体光纤与传统光纤相比具有许多优异的性能，如：无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高非线性和高双折射特性等，为克服传统光纤发展中的瓶颈提供了可能的解决途径。
无截止单模性质对传统光纤而言，单模传输的光谱范围相对来说不是太宽，当归一化频率参量V<2.4048时，才是单模的。光子晶体光纤能在更宽的光谱范围内实现单模传输，不存在截止波长，只要包层中空气所占的百分比足够小，就能保证所有的波长单模传输。
可调节的色散特性由于PCF包层结构复杂，可以通过设计不同几何结构，改变光纤的波导色散，从而实现调节光纤总色散。改变光子晶体光纤的尺寸，就可以在几百纳米的范围内获得零色散波长；调节PCF包层参数可以取得近零超平坦色散；适当设计PCF芯层参数，可以在单一波长下实现高负色散。
光子晶体光纤具有高非线性特性，如自相位调制、交叉相位调制、四波混频、受激拉曼散射、孤子自频移和超连续谱生成等。可以通过减小有效纤芯直径和采用高非线性系数的材料做纤芯来增大其非线性系数，如英国的Southampton大学研制的RG-PCF，其纤芯直径约为1.2μm，在1550nm处的非线性系数为70W，比标准通讯光纤高达70倍。
光子晶体光纤的双折射特性是由于氧化硅和气孔之间高的折射率对比，以及气孔对光波模式场的非常强的约束，使光子晶体光纤易于获得很高的双折射，其值通常比传统的保偏光纤高一个数量级。通过改变纤芯的形状或包层中空气孔的形状和排列从而破坏光纤的对称性就可以获得很高的双折射。
3 光子晶体光纤的应用
随着研究的不断深入，光子晶体光纤的应用范围也不断拓展，涉及到通信、制造业、航天航空、军事、石化等科技领域。
在通信领域，光子晶体光纤作为传光介质，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。作为光纤元件，通过对光子晶体光纤的优化设计，还能够制造新型的光纤放大器、波长转换器和光纤光栅等；光子晶体光纤能够解决光脉冲无法长距离传输的难题，在飞秒激光领域的应用中实现了超大功率激光器、超快激光器系统的开发；能量传输方面的应用针对于空芯光子晶体光纤，可以作为高效率光耦合器件，用来制作肿瘤切割和内窥镜等医疗器件。
4 结束语
光子晶体光纤因其新颖的结构和优异的功能，给光纤技术的发展带来了重大突破。光子晶体光纤的导光机制、制备工艺以及性能测量等将不断提高与完善，为开发新一代性能优异的光子器件开辟了广阔的应用领域。
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