1992年，ST.J.Russell 等人將光子晶體的概念引入到光纖中，提出了光子晶體光纖(簡(jiǎn)稱PCF)的概念，1996年，J.C.Knight在OFC上報(bào)道了第一個(gè)PCF樣品。PCF是由單一材料和周期性排列其中的沿軸向均勻的空氣孔構(gòu)成的新型光纖，其空氣孔的直徑為波長(zhǎng)量級(jí)。按照導(dǎo)光機(jī)理可將PCF分為兩類：光子帶隙型(PBG)和全內(nèi)反射(TIR)型PCF。

本文分析了PCF的一些重要特性和相關(guān)應(yīng)用, 探討了目前存在的問題和PCF發(fā)展前景。

一、光子晶體光纖的特性及相關(guān)應(yīng)用

光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它具有許多普通光纖不具備的的性質(zhì)，如支持寬波長(zhǎng)范圍單模傳輸，模場(chǎng)面積、色散的極大可控性，易于實(shí)現(xiàn)雙折射等等。這些特性預(yù)示著它將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

（一）全內(nèi)反射型PCF的特性與應(yīng)用

1、無休止單模傳輸特性。TIR型光子晶體光纖最引人注目的特點(diǎn)就是無休止單模特性，是指合理設(shè)計(jì)的PCF可以在近紫外到近紅外波段內(nèi)維持單模傳輸。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果表明[3]，光子晶體光纖可以在500nm～1600nm范圍內(nèi)保持單模傳輸，對(duì)光纖彎曲和扭轉(zhuǎn)都不能激發(fā)高階模，而且光纖對(duì)直徑小于0.5cm的彎曲損耗都不敏感。這種單模工作波段的擴(kuò)展為未來波分復(fù)用系統(tǒng)增加信道數(shù)提供了充足的資源。

2、模場(chǎng)有效面積可控特性。對(duì)于傳統(tǒng)光纖，要實(shí)現(xiàn)較小或較大的有效模場(chǎng)面積，需要對(duì)光纖的折射率分布作非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)，對(duì)工藝的要求較高。而PCF的有效面積極大地依賴于它的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在波長(zhǎng)為1.55μm處面積可調(diào)范圍在1～800μm2。而且PCF的制作方法可以使我們很容易地改變PCF的結(jié)構(gòu)參量，從而根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)極高或極低的模場(chǎng)有效面積。

增大PCF的空氣填充比，減小芯徑，可以降低PCF的有效模場(chǎng)面積，從而增大纖芯截面上單位面積的光功率密度，結(jié)合PCF獨(dú)特的色散特性，可使光纖在傳輸時(shí)易于產(chǎn)生自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、三階諧波發(fā)生、四波混頻、喇曼散射等非線性效應(yīng)，利用PCF的高非線性效應(yīng)，可制作符合DWDM全光通信網(wǎng)要求的全光開關(guān)、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、全光2R再生器等多種器件，還可以為許多量子通信系統(tǒng)提供糾纏光子源。普通光纖器件實(shí)現(xiàn)同樣的功能其光纖長(zhǎng)度一般在百米量級(jí)，而利用強(qiáng)非線性PCF可以降低到米甚至厘米量級(jí)。

3、色散可控特性。PCF的色散特性強(qiáng)烈依賴于包層空氣孔的尺寸、形狀和排列，據(jù)此可方便地設(shè)計(jì)PCF的色散量。已報(bào)道的高負(fù)色散系數(shù)、寬波段補(bǔ)償?shù)腜CF，在1550nm處其色度色散系數(shù)最高可達(dá)?2000 ps/(km?nm)，為普通DCF的20倍，并且當(dāng)這種PCF的色散系數(shù)為?680ps/(km?nm)時(shí)，可在波長(zhǎng)為1500～1600nm范圍內(nèi)獲得極為平坦的色散斜率補(bǔ)償(100±0.2%)，幾乎覆蓋了整個(gè)C、L波段和部分S波段，在DWDM系統(tǒng)中有極大的應(yīng)用價(jià)值。

利用光子晶體光纖包層的特殊結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增大氣孔直徑可使零色散點(diǎn)向短波方向移動(dòng)。已經(jīng)有零色散點(diǎn)在700nm附近PCF的報(bào)道，由此，PCF就可以在低于1.3μm時(shí)得到反常色散，這是普通光纖不可能得到的。利用該特性可以實(shí)現(xiàn)可見光波段孤子的產(chǎn)生與維持。目前在PCF中已成功產(chǎn)生了850nm光孤子，這種光纖也為制做工作在可見光波段的光孤子光纖激光器提供了可能。另外，利用這個(gè)特性還可以在低于傳統(tǒng)光纖三個(gè)量級(jí)的脈沖峰值功率下產(chǎn)生光譜覆蓋紫外到紅外的超連續(xù)光[4]，這在光頻率測(cè)量、極短脈沖的產(chǎn)生等領(lǐng)域的研究中有著極其重要的作用。

平坦的零色度色散也是光通信中令人關(guān)注的問題之一，對(duì)PCF適當(dāng)調(diào)整空氣孔的尺寸及纖芯的大小，可使波導(dǎo)色散處于反常色散區(qū)，與材料的正常色散相互補(bǔ)償，制作波長(zhǎng)從400～1600nm任何位置色散系數(shù)均為零的PCF，從而有可能將目前的光纖通信波段從1.3μm～1.6μm推至更短波長(zhǎng)范圍。

4、雙折射可控特性。打破纖芯的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，PCF可以產(chǎn)生較大的雙折射。圖3是日本NTT和三菱公司開發(fā)的產(chǎn)品[5]， d與d2的比值決定了雙折射的大小。隨著d/d2的減小雙折射增加，使得兩個(gè)垂直偏振模有較大的折射率差。NTT公司取d/d2=0.4，雙折射B=1.4·10-3，比熊貓型保偏光纖的雙折射高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

與傳統(tǒng)熊貓型或蝶結(jié)型等保偏光纖相比，高雙折射光子晶體保偏光纖有很多優(yōu)點(diǎn)：制作工藝簡(jiǎn)單；設(shè)計(jì)自由度大；可實(shí)現(xiàn)高雙折射(傳統(tǒng)保偏光纖雙折射的典型值為5·10-4，光子晶體光纖的雙折射一般可做到1·10-3，拍長(zhǎng)可達(dá)到100 mm，比前者提高一個(gè)數(shù)量級(jí))；對(duì)溫度變化不敏感。這些優(yōu)勢(shì)有望使高雙折射PCF成為現(xiàn)有保偏光纖的更新?lián)Q代產(chǎn)品。