光子晶体光纤制备工艺的发展与现状

李锦豪，姜海明，2，谢 康，2

（1.广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006；2.广东工业大学 省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室，广东 广州 510006）

1987年，贝尔通信实验室的Yablonovitch在研究抑制自发辐射的时候，首次提出光子晶体的概念[1]。同时，多伦多大学的John在讨论光子局域特性的时候，也提出类似的概念[2]。1989年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验中成功证实在三维光子晶体中存在带隙。1992年，英国南安普顿大学的Russell教授首次将光子晶体的思想引入光纤，提出了PCF的概念[3]。其设计思想是，在纤芯中引入不同线缺陷，在包层中利用周期性排布的高低折射率材料形成带隙，从而将频率落入光子带隙中的光限制在缺陷纤芯中传输。1998年，Knight等成功研制出第一根真正意义上的PCF[4]，即光子带隙光纤（photonic band gap fiber，PBGF），将光子晶体和光子带隙的概念引入光纤光学，使得光纤光学的内容发生了质的变化。自此，PCF受到了国内外专家学者的密切关注，成为光电子学发展的前沿热点。

第一根PCF拉制成功至今已有将近30年，PCF因其灵活多变的几何结构，使其拥有众多优异的光学性能，其丰富的光学特性使其在光学等领域具有重要的科研价值和广阔的应用前景，同时，PCF不再局限于通信领域的应用，在生物、空间成像、医药、环境、军事、印刷、制造业等科技领域也有广泛的应用[5-15]。

1 光子晶体光纤分类及其导光机制

早期PCF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（PBG-PCF）。带隙型PCF能够约束光在低折射率的纤芯传播。随着PCF的发展，发现空芯光纤中还存在一种不同于光子带隙的导光机理——限制耦合导光[16]。

折射率引导型PCF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PCF以类似全内发射的机制导光，这一点与普通光纤相似。其纤芯为实芯，包层中引入了周期性排列的空气孔，但是并没有形成有效的光子禁带，芯区的折射率大于包层的有效折射率。在折射率分别为n1和n2，而且n1>n2的两种材料组成的光波导中，只有传输常数β满足k0n2<β

相对于折射率引导型PCF，光子带隙型PCF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。从光学原理的角度出发，还可以用布拉格散射的原理来解释。在空芯光子带隙光纤中，假设石英折射率为n1，空气折射率为n2，由于n1>n2，想要光波在低折射率的空芯中传输，光波的传输常数β需要满足β

近年来，在研究晶格尺寸较大的空芯PCF时发现了一种不同于光子带隙的导光机理——限制耦合导光。空芯PCF的包层由大间距的方形晶格构成，晶格的介质壁很薄，方形晶格结构的边长为Λ，壁厚为t。光纤中同时存在位于中心空气孔的芯模和位于包层的包层模两种模式。包层模又分为空气模式和介质模式。介质模式在包层介质中传输，受材料吸收影响，损耗最大。在空气中传输的芯模和包层中的空气模损耗较小。由于芯模与介质模在内层介质壁处有少量的交叠，因此会发生耦合，但是耦合模式仅发生在芯模与介质模匹配的频率处。

其中f为频率，m为正整数，c为真空中的光速，t为壁厚，n为包层介质壁的折射率。

式（1）说明，在基于限制耦合原理导光的PCF中，频率为f的芯模不能被包层有效束缚，可以耦合到包层模，因此将频率f称为耦合频率，而其他频率模式均可被包层束缚，以较低的损耗在空芯中传输。限制耦合原理要求PCF具有大尺寸的晶格间距，所以在尺寸较大的光纤中更容易实现[16]。

2 光子晶体光纤的制备工艺

PCF制备主要分为两步，第一步是PCF预制棒的制备，第二步是PCF预制棒的拉丝以及后处理。PCF预制棒结构参数决定了最终光纤的技术指标，对光纤特性影响很大。经过预制棒制造工艺后，要想得到可实用的光纤，还需要通过高温炉将预制棒加热软化，在牵引的作用下将预制棒拉制成一定直径的光纤。

2.1 光子晶体光纤预制棒的制备工艺

目前，PCF预制棒的制备工艺主要有堆积法、打孔法、挤压法、溶胶-凝胶法以及3D打印等，下面将依次介绍各种制备工艺。

2.1.1 堆积法

PCF通常有几十甚至上百个周期性排列的空气孔，从PCF的概念提出来以后，一直没有好的制备方法，直到1995年英国南安普顿大学的Russell团队提出了一种相对简单的堆积方法[16]。主要步骤如下：（1）将石英玻璃管拉制成所需尺寸的毛细管；（2）按照设计需要，通过手工将毛细管和毛细棒堆积起来，形成空气-石英结构，然后用细线将这些毛细管和毛细棒进行捆绑；（3）将堆积好的毛细管束放入外套管中，形成初始预制棒结构。堆积法可以制作复杂周期结构的PCF预制棒，成本低，而且非常灵活，不过制作过程复杂，成功率低。

2.1.2 打孔法

对于PCF预制棒，最容易想到的是打孔法。1991年，Yablonovitch通过在一块折射率为3.6的绝缘体材料上应用打孔法制成第一例人工光子带隙晶体。2005年，Feng[17]等利用超声波打孔机在硅酸铅玻璃（SF玻璃）预制棒上制作多孔微结构。2007年，英国南安普顿大学的Webb[18]等利用机械打孔的方式制备了石英悬垂芯PCF预制棒。2013年，德国耶拿光子技术研究所的Becker[19]等报道了利用激光打孔技术制备的PCF预制棒。2015年，宁波大学戴世勋教授团队利用机械打孔方法制备了硫化物玻璃PCF预制棒[20]。但是打孔法不适合石英玻璃，玻璃是一种易碎材料，张力和弯曲性不强，在打孔过程中容易断裂。因此，打孔法对于制作非石英玻璃预制棒是一种有效手段。打孔法方便、快捷，效率更高。但是，对预制棒进行打孔，使得孔内表面粗糙，需要额外的抛光等，增加了制作时间和难度[16]。

2.1.3 挤压法

挤压法是在高温高压下，熔融玻璃通过微结构模具被挤压成与设计微结构一致的预制棒，已经成功应用于玻璃和聚合物PCF的预制棒制作。2003年，V V Ravik[21]等利用挤压工艺制备出第一根非石英玻璃PCF预制棒。2003年，Kumar V[22]等采用挤压工艺制备了碲酸盐玻璃PCF预制棒。2006年，燕山大学的周桂耀[23]等在国内首次采用挤压工艺制备了SF6玻璃PCF预制棒。挤压法在制作复杂结构的PCF预制棒时，受到模具材料的热力学性能的影响会导致预制棒形变，使得空气孔的准确定位难度增大。挤压法常用于制备硫化物玻璃光纤、氟化物玻璃光纤等，这是由于这些玻璃的熔点低，比较适合采用挤压操作。对于石英玻璃而言，其熔融温度高，模具材料的选择困难，因此不易采用。随着PCF预制棒制备工艺的发展，挤压法由于模具成本高等原因，逐渐退出了历史的舞台。

2.1.4 溶胶-凝胶法

1846年，法国化学家J.J.Ebelmen发现正硅酸酯在空气中水解时会形成凝胶，从而开创了溶胶-凝胶（Sol-Gel）化学的新纪元。溶胶-凝胶法用于制作PCF预制棒是在1998年首次被提出的，并于2002年由Gary R.Pickrell[24]等采用该方法制作出PCF预制棒。具体的制作步骤如下：第一步，制作出有一系列金属棒的模型；第二步，接着往模型中填充pH高的硅胶颗粒，颗粒的尺寸为纳米量级，pH降低的过程就是溶胶到凝胶的过程；第三步，凝胶完成后，去除金属棒，凝胶体内形成圆柱形的空气孔；第四步，用热化学方法处理凝胶体消除水蒸气、有机和金属污染。溶胶-凝胶法可通过调整模型设计来制作任意结构的PCF预制棒，相对于堆积法在制作预制棒的过程中有很多潜在污染，溶胶-凝胶法可用化学处理工艺去除杂质，材料污染低，可以制作出比采用堆积法更清洁的以二氧化硅为基质的PCF预制棒，但不适用具有掺杂结构的PCF预制棒制作。

2.1.5 3D打印

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型技术。虽然3D打印技术早已经面世，但是应用在PCF预制棒的制作上是近几年的事。2015年，澳大利亚悉尼大学的Kevin Cook[25]等采用3D打印的技术制作出带有六个空气孔的PCF预制棒，PCF预制棒材料为改进的丁二烯聚合物。PCF预制棒的长10cm，直径1.6cm。2016年，英国阿斯顿大学的M.G.Zube[26]等采用3D打印技术制备了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）空芯PCF预制棒，并将其拉制成空芯PCF。尽管该结构不完美，但却为3D打印PMMA材料PCF预制棒的制作提供了参考。2016年，澳大利亚悉尼大学的John Canning[27]等采用3D打印机直接打印出了30μm的PCF，光纤的材料由氟化丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯醇（PETG）组成，通过测量损耗只有0.26dB/cm，跟标准光纤相比，还有很大的改进空间，不过它已经证明了只要3D打印机的喷嘴温度合适，任何材料都可以直接打印成光纤。在之后3D打印石英玻璃材料上取得了突破性进展，为3D打印技术应用于复杂结构PCF的制备创造了条件。2021年，法国雷恩大学的Julie Carcreff[28]等采用3D打印技术首次打印出空芯的硫化玻璃PCF预制棒。3D打印未来可能会是PCF预制棒制作的一个趋势，3D打印的优势在于可以制作出任何复杂的结构，有利于未来光纤光学的发展。而且用3D打印光纤也得到了验证，也许在不久的将来，PCF的制备只需要一台3D打印机。同时，3D打印的光学损耗还有待提高，3D打印PCF技术在其他的许多方面有待开发，包括理论、增材制造、相关设备等。

2.2 光子晶体光纤的拉丝工艺

PCF预制棒制作完成后，要想得到光子晶体光纤，还需要通过高温炉将预制棒加热软化，在牵引的作用下将预制棒拉制成一定直径的光纤。传统实芯PCF的横向结构是预制棒的等比例缩小形式，空芯PCF拉丝是一个非常复杂的过程，影响因素多，要使最终的PCF保持初始设计结构，需要精准控制拉制参数。下面讨论影响空芯PCF拉丝过程的因素。

首先，最容易想到的就是拉丝塔的配置，不一样的设备对PCF拉丝会有不同程度的影响。2002年，美国新泽西州州立大学的Xu[29]等讨论了加热炉的长度和直径对于拉丝过程的影响。加热炉越长，空芯PCF的变形量越大，而加热炉直径的改变影响甚微，所以优化加热炉的长度对于批量生产PCF是有必要的。2005年，同样美国新泽西州州立大学的Xu[30]等讨论了加热炉的温度分布对于拉丝过程的影响。加热炉内温度分布的不均匀会导致预制棒的温度分布也不均匀，从而导致预制棒表面和中心线的温度分布出现较大滞后，最终导致空气孔变形。加热炉加热均匀，合适加热长度以及适当的拉丝速度，可以获得较低的表面张力，从而拉制出高质量的PCF。

在2000年和2001年，J.Y.Murthy[31]等以及J.Liu[32]等用有限体积法对拉丝过程的辐射传热进行了数值建模。同样在2000年，Ido Anteby[33]等利用有限元法对拉丝过程的辐射传热进行了数值建模。上述文献对拉丝过程的数值建模均没有考虑PCF的具体结构。2001年，英国南安普顿大学的Fitt[34]等基于流体力学的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）对PCF毛细管拉丝过程建立了模型，通过与实验数据对比，验证了模型的准确性。

2002年，Fitt[35]等在原有的建模基础上，考虑了PCF毛细管中加压的情况。在Fitt的建模基础上，拉开了研究人员对于PCF拉丝过程建模以及研究控制参数对PCF拉丝影响的大幕。2003年，K.Lyytikainen[36]等通过实验研究加压对于三种不同壁厚PCF毛细管拉制后尺寸变化的影响。实验发现，薄壁PCF毛细管加压后，尺寸变化更大。2004年，澳大利亚悉尼大学的Katja Lyytika¨inen[37]等分别对空芯和全固态的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）PCF传热过程进行建模，讨论了空芯PCF和全固态PCF升温速度在不同空气系数下的变化，通过实验和模型验证，高空气系数（0.4-0.7）下的空芯PCF升温速度快于全固态PCF，低空气系数（0.1）下的空芯PCF升温速度慢于全固态PCF。

2005年，S.C.Xue[38]等对PCF拉丝过程建模，通过实验观察到，PCF加热没有达到稳定时，PCF空气孔会膨胀，加热达到稳定后，PCF空气孔会缩小塌陷。同年，F.R.Villatoro[39]等将传热过程和PCF的具体结构进行了结合，讨论了PCF的结构对加热到熔融状态下时间的影响。主要讨论了两点，第一是预制棒结构的空隙率（空气孔的横截面积和聚合物光纤横截面积的比值）对加热时间的影响，预制棒的空隙率越大，加热到熔融状态下的时间就越短，因为空气的导热率虽然比聚合物小，但是空气的热扩散系数更大，所以空气比聚合物更快达到稳定状态，空隙率高的光纤预制棒加热到熔融状态更快。第二是PCF预制棒的结构对加热时间的影响，在具有同样的空隙率，空气孔越靠近预制棒的中心，加热的时间越短。2006年，S.C.Xue[40]等研究了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）PCF和硅PCF在不同拉伸比（拉丝速度与送料速度之比）以及不同宽高比（预制棒半径与软化区域长度之比）下空气孔的变形。忽略惯性力，空气阻力，同时不考虑空气孔中的加压。在其他条件相同的时候，PMMA材料的PCF拉丝过程空气孔容易膨胀，而硅PCF拉丝过程空气孔容易塌陷。拉伸比越大，空气孔容易膨胀，拉伸比越小，空气孔容易塌陷。不过这项研究纯粹是理论计算，而且没有考虑加压这项重要的因素。

2007年，S.C.Xue[41]等对聚合物光纤的加热时间进行了两点讨论，第一，全固态聚合物光纤和带孔聚合物光纤的比较，得出带孔光纤的加热时间更短，这一点也可以从F.R.Villatoro的研究中推论得出。第二，带孔聚合物光纤是否考虑孔内辐射进行对比，考虑孔内辐射加热时间更短。

2008年，周述文[42]等分析了PCF预制棒在拉丝时的受力情况，其中对表面张力和黏滞力的影响进行了较详细的分析，讨论了加压拉丝工艺。同年，郭铁英[43]等对引入气压控制的PCF拉制过程进行了数值模拟，讨论了送料速度、牵引速度、温度、气压等各参数之间的协调控制及其对最终光纤结构的影响。并在此基础上，对包含非均匀孔径PCF的制作进行了探讨。2009年，郭铁英[44]等根据流体力学的相关理论建立了毛细管拉制过程的简化模型。通过理论计算，分析了毛细管制作中的各种工艺参量，如控制参量、设备参量、预制棒结构参量等，对最终毛细管结构的影响。

2013年，Giovanni Luzi[45]等采用渐近分析和基于流体力学的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）对PCF毛细管拉制过程进行建模，采用有限元的方法求解，分别将两种方法的结果与实际比较，表明只要内压或温度不过高，解析渐近分析更接近实际。2014年，Roman Kostecki[46]等把Fitt的建模应用于结构更复杂的PCF预制棒上，不仅仅是单根毛细管，通过Fitt的方程得到控制参数后，进行实验对比。结果表明，Fitt的模型不适用于结构复杂的PCF预制棒。

2015年，Michael J.Chen[47-50]等采用团队之前的建模模型验证了PCF表面张力的重要性，并且讨论了PCF表面张力和PCF空气孔中压力的关系。加热过程中，玻璃的温度和炉温会有一定差异，并且这个差异与PCF的直径大小有关系，对于大直径而言，差异为30%-31%，对于小直径而言，差异为25%-27%。Michael J.Chen团队的模型比较准确地预测了拉制过程中PCF的表面张力，但是对于空气孔中的压力预测有所偏差，可能有两方面的原因：第一，加热炉内压力测量仪器与实际压力的偏差；第二，PCF拉制过程中，空气孔自身会额外产生压力。

Michael J.Chen等倾向于第二种，并且在未来的工作中，将着重研究PCF空气孔在拉制过程是否存在自我增压的过程。2015年，G.T.Jasion[51]等在Fitt的基础上提出一种新方法来对PCF拉丝过程建模，并且对六孔PCF进行仿真，验证了该方法的准确性，但是缺少实验验证。2016年，Michael J.Chen[52]等利用渐进分析法和一种新的建模方法模拟六孔PCF的拉制过程，并且与实验和有限元仿真对比，渐进分析法与实验结果高度吻合，基本预测了空气孔的变形，同时验证了表面张力的重要性。同年，Peter Buchak[53]等提出了一种基于斯托克斯流变量公式求解表面张力的新数值方法。

2016年，A.N.Denisov[54]等通过建立PCF预制棒加热上端的传热模型以及实验验证，得出了PCF预制棒受热均匀的重要性，有利于拉制出性能稳定的PCF。2017年，Shi chengXue[55]等建立了一个简易模型，计算了加热炉内与PCF预制棒表面之间的对流换热量。2018年，Song Ningfang[56]等研究了空芯PCF包层的六边形圆角的空隙对于毛细管的影响。

综上所述，空心光子带隙PCF具备很多传统光纤所不具备的光学性能，例如，非线性效应低，功率损伤门限高等。因为空芯PCF复杂的结构，所以PCF拉丝工艺一直是研究人员们的研究热点，而影响空芯PCF拉制过程的主要因素有温度，表面张力以及压力。空芯PCF拉丝的核心问题是空气孔塌陷，从而导致设计好的结构遭到破坏，最终无法获得良好光学性能的PCF，于是将气压控制工艺引入了PCF拉丝系统中。研究人员们基于纳维-斯托克斯方程建立了许多PCF拉丝过程的流体力学模型以及PCF拉丝过程的传热模型，用来预测PCF拉丝过程的孔变形。但是对于结构灵活多变的PCF而言，并没有通用性，只针对特定结构的PCF有意义。除了上述三个主要因素外，影响PCF拉丝工艺的还有送料速度、拉丝速度、黏度、材料、PCF几何结构以及拉丝设备的不同，甚至测量参数仪器的准确性也会影响PCF的拉丝过程，这些因素都会给PCF拉丝工艺的发展带来困难。

3 结束语

PCF的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，具有低损耗、低非线性、低色散[57]，是未来光通信的理想材料。尽管PCF已在多个领域得到了广泛应用，但其也面临着制备工艺复杂、长距离结构难以保持、成本高等问题，因此，PCF并没有像传统光纤那样在各个领域大范围的应用和推广。复杂的几何结构一直是制约PCF制备的难题，进而也限制了PCF的发展。PCF的理论研究有很多报道，但是PCF制备难的问题一直制约着理论的验证。近几年，3D打印技术和光纤预制棒的结合，让人们看到了复杂结构PCF预制棒制备的可能，同时有报道表示，3D打印技术可以直接打印出光纤，如果可以量产，将会降低PCF制备的成本。不过无论是打印的预制棒还是打印的光纤，它们的损耗都远没有达到传统光纤的标准损耗。除了3D打印与光纤制备的结合，2017年，北京师范大学的Liu Yifang[58]采用静电纺丝的技术制作出了PMMA光纤。在未来，解决PCF制备难的问题仍将是PCF研究领域的重点之一，也是使PCF能得到更加广泛应用的前提之一。