光子晶体光纤的特性及应用概述

高 静 陈海良

燕山大学理学院

光子晶体光纤（PCF）是一个新兴的研究领域，其传输机理与传统光纤相比有本质的区别，在光通信和光纤传感等领域引起了科研工作者的极大兴趣。本文介绍了两种最基本的光子晶体光纤，分别为全内反射型PCF 和光子带隙型PCF，并对光子晶体光纤具有的优异特性和应用领域进行了简要概括。

引言

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）又称微结构光纤，一般由石英材料构成，在光纤横截面上呈二维周期性结构。沿光纤轴向规则排列着波长量级的二维光子晶体，即空气孔从而构成微结构包层；光纤的纤芯可以是石英，也可以是空气孔。

具有规则微结构的光子晶体光纤的概念是由英国Bath大学的P.St.J.Russell 在1992年首次提出来的。1996年，P.St.J.Russell，J.C.Knight，T.A.Birks 等人率先研制出世界上第一根光子晶体光纤，如图1 所示。在这种新型的光波导中，纯石英实芯周围排布有六边形对称的石英-空气包层材料。P.St.J.Russell 等人制备的光子晶体光纤在较宽的光谱范围内（至少458～1550nm），可支持单模低损耗的光信号传输。

由于光子晶体光纤中空气孔的尺寸和排布可改变，这样能根据特定需要来调整光纤中的光传输状态，引起了国内外众多光纤工作者的广泛关注，关于PCF 理论研究及实验制备的论文、专利开始不断增多。

光子晶体光纤分类

按照导光方式的不同，通常将光子晶体光纤分为两种：一种为全内反射型光子晶体光纤（TIR-PCF），另一种为光子带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）。

（1）全内反射型PCF

全内反射型PCF 是由纯石英实芯和石英-空气孔光子晶体包层组成。包层材料的有效折射率小于纤芯材料的折射率，与普通光纤的导光原理类似，光在纤芯-包层界面上发生全反射，图1 即为此类结构的光纤。传统光纤是通过掺杂物质使包层低于纤芯的折射率，折射率差值不大。而全内反射型PCF 中的纤芯和包层折射率差异可通过控制包层中的空气孔比率来实现，折射率差值可以设计成很大。在光子晶体光纤中，包层区域呈六角形对称和周期性折射率调制，当满足一定条件时就能形成光子禁带，从而提高纤芯导光能力。

结构上的特殊，使得全内反射型PCF 具备有别于普通光纤的特点：通过改变光纤的结构参数控制光纤的传播模式、色散特性、偏振态等。这类PCF 对包层空气孔的大小及排列要求并不严格，制作相对容易，目前技术已较成熟，大多数关于PCF 的研究和应用都是基于这类光纤。

（2）光子带隙型PCF

与全内反射型PCF 相比，光子带隙型PCF 的不同之处在于中心为空芯的石英光纤，空芯为传光通道，此类光纤对包层中空气孔的尺寸、间距和排列周期要求严格。如图2 所示，为美国Thorlabs 公司的HC-1550-空芯光子晶体光纤。不同于TIR-PCF，PBG-PCF 的纤芯折射率小于包层有效折射率，它是利用光子带隙效应来传导光的。当入射光的频率位于光子带隙内时，由于光子晶体的禁带作用，光会被束缚在引入的缺陷（空芯）中传播；而频率落在光子带隙之外的光被禁止传播。PBG-PCF 以空气作为纤芯，极大减少了石英对光的吸收和散射，特别适合做大功率激光传输。由于光进入空芯石英光纤时没有发生菲涅尔反射，所以这种光子带隙型PCF 可用于制作高效率光耦合器件。若在空芯中注入特定的气体或液体，它们可能与传输的光有非常强的相互作用，这在传感、检测、材料的非线性光学性质研究等方面有非常广的应用前景。

光子晶体光纤特性

光子晶体光纤新颖的微结构，给PCF 带来了独特性能，为光纤的研究和应用注入了新的活力。

（1）无截止单模传输特点

图1 光子晶体光纤扫描电子显微图（TIR-PCF）

图2 PBG-PCF 截面图

在传统光纤中，归一化频率V<2.405 时，光纤只容许基模即单模传输。而对于PCF，光纤单模与多模传输的V 的临界值发生了变化。

在PCF 中，当波长λ 减小时，模场分布向纤芯处集中，包层有效折射率变大，那么纤芯和包层的有效折射率之差也就减小了，使归一化频率V 接近一固定值。当空气孔直径d 与孔间距Λ 之比小于这个固定值时，V 始终低于产生多模的临界值。这表明PCF 具有无截止单模传输特点，并且与光纤绝对尺寸无关，为实现大模场面积的PCF 提供了解决途径。美国Thorlabs 公司可生产无截止单模、大模场面积的PCF。以型号为LMA-25 ESM 的光子晶体光纤为例，该光纤芯径为25μm，有效模场面积约为265μm2，在无非线性效应和材料损坏的前提下支持高功率的低损耗传输。

（2）高双折射特点

通过改变PCF 的结构参数来破坏光纤横截面的对称性，可制作出具有高双折射特性的光子晶体光纤。这种光纤常采用双芯或多芯结构，在空气孔的形状、大小、分布等方面有所调整来实现。冯朝印等人设计了一种新型高双折射PCF，数值模拟得到优化的PCF 在1550 nm 处的双折射率高达0.0236，高于普通保偏光纤两个数量级，为光纤通信中的偏振模色散补偿技术提供了新的解决方法。

（3）灵活的色散可调特点

光纤色散使传输的脉冲信号展宽，导致前后信号间发生重叠干扰，限制了光纤的传输容量和速率，阻碍了光纤通信的发展。

光子晶体光纤的出现为有效调节色散带来了希望。通过合理地改变PCF的结构参数（如空气孔大小、孔间距等），可人为调控光纤的色散特性，设计出宽波段范围内中心波长可移的色散平坦PCF，具有较大色散系数的色散补偿光纤等。已报道的高负色散系数、宽波段补偿的PCF，在1550 nm 处可实现-2000 ps/（nm·km）的色散，为常规色散补偿光纤的20 倍。目前，零色散点位于可见光波段、平坦和超平坦色散的光子晶体光纤，已在光孤子传输、孤子激光器、超短脉冲压缩等领域得到了应用。

（4）良好非线性特点

光子晶体光纤具有的可调节色散特点以及高双折射特点，为非线性效应研究提供了条件。光纤的非线性系数定义为：

其中，λ0 为中心波长；n 为材料的非线性折射率；Aeff 为有效模场面积。

由（1）式，得到有效模场面积越小，光纤的非线性系数就越大，这种高非线性效应的光纤可用于光纤激光器、光调制器、拉曼放大器、光开关等非线性器件的研究。若有效模场面积增大，相应的非线性系数就会随之降低，即设计具有大模场面积的光子晶体光纤，可将非线性系数降至最低。

光子晶体光纤应用

根据前几节所述内容，由于PCF 具有独特的微结构和优异性能，经过多年的发展研究，PCF 已在多个领域得到了应用。

PCF 的高非线性效应和高度可调的色散特性，成为超连续光谱产生的理论依据。J.K.Ranka 等人最早研究非线性效应，将蓝宝石激光器发出的短脉冲入射到PCF 中，观察到波长范围为400～1600 nm 的超连续谱现象。在设计中，需选择合适的光子晶体光纤结构参数和输入脉冲参数，来得到最优的超连续谱展宽。这种超连续谱可应用于光学频率测量、建立光学原子钟、生物医学成像、多光子光谱显微镜等领域。

基于PCF 的大模场面积、单模宽带传输等特点，发展了光子晶体光纤激光器。按照增益介质不同，可分为两类：一种是通过掺杂稀土元素来得到受激发辐射频谱，完成光放大；另一种是根据非线性效应，利用受激色散完成光放大。其中，掺稀土元素的PCF 激光器不仅可以提高抽运光的耦合效率，还能有效减少由于高功率运转时所产生的非线性效应、热效应，实现高光束质量、高功率的激光输出，成为PFC 研究的重要内容之一。目前报道的PCF 激光器掺稀土元素主要有掺Yb3+、掺Er3+以及掺Nd3+，其中以掺Yb3+光子晶体光纤激光器为最热研究对象。丹麦的Crystal fibre A/S 公司是全球领先的PCF 研发和制造商，技术上较成熟，现已推出了大数值孔径双包层掺Yb3+的PCF，并在此基础上该公司进行了高功率PCF 激光器的开发研究。

光子晶体光纤的微结构和特殊性能，也为传感器的制作带来了新的研究方向。常见的光子晶体光纤传感器包括：PCF 光栅传感器、干涉型PCF 传感器、荧光型PCF 传感器，以及吸收型PCF 传感器。在现有技术的基础上，今后PCF传感器的研究将向着集成化、网络化、全光纤化发展。

除了以上几种应用外，PCF 还可用于光开关、光纤陀螺、参量放大器、产生多信道超短脉冲源、光纤色散补偿等领域的研究。

结束语

光子晶体光纤的特殊微结构，使其具有独特的光学性能。经过多年的发展研究，PCF 已在光通信、光纤激光器、光传感、光电子器件制造等领域取得了很大进步。我们深信，随着科研工作的深入开展，光子晶体光纤在波导和色散特性研究、非线性效应的理论与实验研究，以及制备和性能测试等方面均会有更大的成绩，为光纤发展应用开拓广阔的空间。