光子晶體光纖（PCF）由于具有傳統(tǒng)光纖無(wú)法比擬的奇異特性，吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，在短短的十年內(nèi)PCF 的研究取得了很大的進(jìn)展。本文闡述了PCF的一些獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)、制作技術(shù)及其理論研究方法， 介紹了PCF的發(fā)展以及最新成果。 BlVHP8/b  
　　Status and Development of Research of photonic crystal fiber and photonic crystal fiberGao Xuesong, Gao Chunqing, Hu Shuling, Li Jiaze, Wei Guanghui School of information science & technology, Beijing Institute of technology 100081 Kr
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　　Abstract: Due to their fantastic properties, photonic crystal fibers（PCF）have recently attracted great interests from science and industry circles. For conventional single mode fibers, these properties are unapproachable and incogitable. The study on PCF has got rapid progress in recent ten years. Some unique optical properties, fabrication techniques and the theoretical research methods of PCF are presented in this paper. m}]{Y'i]R  
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Key words: photonic crystal, photonic crystal fiber, photonic crystal fiber laser QK-aH1r  
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　　1、前  言 k6tCfq;  
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　　光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF），又稱多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖，以其獨(dú)特的光學(xué)特性和靈活的設(shè)計(jì)成為近年來(lái)的熱門研究課題。這類光纖是由在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成，通過這些微小空氣孔對(duì)光的約束，實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)。獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，靈活的制作方法，使得PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性，有效地?cái)U(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。在光纖激光器這一領(lǐng)域內(nèi)，PCF經(jīng)專門設(shè)計(jì)可具有大模面積且保持無(wú)限單模的特性，有效地克服了常規(guī)光纖的設(shè)計(jì)缺陷。以這種具有新穎波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和特性的光纖作為有源摻雜的載體，并把雙包層概念引入到光子晶體光纖中，將使光纖激光器的某些性能有顯著改善。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的很多大學(xué)和科研單位都在積極開展光子晶體光纖激光器的研究工作[2]。目前，國(guó)外輸出功率達(dá)到幾百瓦的光子晶體光纖激光器已有報(bào)道。本文闡述了PCF的一些獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)、制作技術(shù)及其理論研究方法，介紹了PCF的發(fā)展以及最新成果。 -)V0D,r$[  
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　　2、光子晶體光纖的導(dǎo)光原理 y,D9O/VP  
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　　按導(dǎo)光機(jī)理來(lái)說，PCF可以分為兩類：折射率導(dǎo)光機(jī)理和光子能隙導(dǎo)光機(jī)理。 46?z*~*G  
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　　2.1折射率導(dǎo)光機(jī)理 N63?4'_W  
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　　周期性缺陷的纖芯折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定差別，從而使光能夠在纖芯中傳播，這種結(jié)構(gòu)的PCF導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射，但與常規(guī)G.652光纖有所不同，由于包層包含空氣，所以這種機(jī)理稱為改進(jìn)的全內(nèi)反射，這是因?yàn)榭招綪CF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長(zhǎng)還小的緣故[3]。 *p{p.%Qs:  
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　　2.2光子能隙導(dǎo)光機(jī)理 vXJs.)D7  
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　　理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯PCF的傳導(dǎo)條件，即光子能隙導(dǎo)光理論。如圖2所示，光纖中心為空芯，雖然空芯折射率比包層石英玻璃低，但仍能保證光不折射出去，這是因?yàn)榘鼘又械男】�點(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時(shí)，其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播，光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。最近有研究表明，這種PCF可傳輸99 %以上的光能，而空間光衰減極低，光纖衰減只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的1/ 2～1/ 4[4]。 zEQ]5>mG  
　　空芯PCF光子能隙傳光機(jī)理具體解釋為：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳光機(jī)理是利用包層對(duì)一定波長(zhǎng)的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空芯PCF中不能發(fā)生全內(nèi)反射，包層中的小孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)起到反射鏡的作用，使光在許多小孔的空氣和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。 ^twyy9VR  
　　當(dāng)光束從介質(zhì)1進(jìn)入介質(zhì)2時(shí)，光纖中光束傳輸常數(shù)β保持不變，如圖3（a）所示；如果β≤n1k0，其中k0為真空波矢量。而β>n2k0，則光束只能在介質(zhì)1中傳輸，而不能傳輸?shù)浇橘|(zhì)2中，這就是全反射情況，如圖3（b）所示[5]。 i~!g9o(  
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　　3、光子晶體光纖的參數(shù)特性 YD4I2'E  
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　　3.1空心光子晶體光纖 !?,, ZD  
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　　空心光子晶體光纖中的光是在由周期性排列的硅材料空氣孔圍成的空心中傳輸。因?yàn)橹挥泻苌僖徊糠止庠诠璨牧现袀鬏�，所以相�?duì)于常規(guī)光纖來(lái)說，材料的非線性效應(yīng)明顯降低，損耗也大為減少。據(jù)預(yù)測(cè)，空心光子晶體光纖最有可能成為下一代超低損耗傳輸光纖，在不久的將來(lái)，空心光子晶體光纖將廣泛應(yīng)用于光傳輸，脈沖整形和壓縮，傳感光學(xué)和非線性光學(xué)中。目前，已開發(fā)出多種商用空心光子帶隙光纖，波長(zhǎng)覆蓋440nm~2000nm。 _H| )g*]t  
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　　3.2高非線性光子晶體光纖 \mb4leg5  
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　　高非線性光子晶體光纖中的光是在由周期性排列的硅材料空氣孔圍成的實(shí)心硅纖芯中傳輸。通過選擇相應(yīng)的纖芯直徑，零色散波長(zhǎng)可以選定在可見光和近紅外波長(zhǎng)范圍（670nm~880nm），使得這些光纖特別適合于采用摻鈦藍(lán)寶石激光或Nb3+泵浦激光光源的超連續(xù)光發(fā)生器[6]。Blaze photonics的光子晶體光纖非線性效應(yīng)可達(dá)245W-1km-1，可用于頻率度量學(xué)、光譜學(xué)或光學(xué)相干攝影學(xué)中超連續(xù)光發(fā)生器。 4 ]oe`yx  
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　　3.3寬帶單模光子晶體光纖 1jC85^1Taq  
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　　常規(guī)單模光纖實(shí)際上是波長(zhǎng)比二次模截止波長(zhǎng)小的多模光纖，而寬帶單模光子晶體光纖是真正意義上的單模光纖。這種特性是由于其包層由周期性排列的多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成。Blaze photonics的寬帶單模光子晶體光纖的損耗低于0.8dB/km，主要用于空間單模場(chǎng)寬帶輻射傳輸，短波長(zhǎng)光傳輸，傳感器和干涉儀。   |~9jO/&r  
　　3.4保偏光子晶體光纖 2CC"Z  
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　　傳統(tǒng)保偏光纖雙折射現(xiàn)象由纖芯附近差異熱擴(kuò)張的合成材料形成，當(dāng)光纖在拉制降溫過程中差異熱擴(kuò)張產(chǎn)生壓力。相反保偏光子晶體光纖是由非周期結(jié)構(gòu)纖芯中空氣和玻璃的大折射率差而形成雙折射現(xiàn)象，從而得到更小的拍長(zhǎng)，減小偏振態(tài)和保偏消光比之間的耦合曲率[7]。例如Blaze photonics的保偏光子晶體光纖還有比傳統(tǒng)保偏光纖低得多的溫度敏感性，其拍長(zhǎng)可小于4mm（1550nm波長(zhǎng)），損耗小于1.5dB/km。主要用于光傳感器、光纖陀螺和干涉儀。 z_c-1iXCW  
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　　3.5超連續(xù)光譜發(fā)生器的光子晶體光纖 :!i=g+e]  
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　　超連續(xù)光子晶體光纖是特別設(shè)計(jì)用來(lái)把一種新的Q變換Nb3+微芯片激光器變成一種結(jié)構(gòu)緊密，低成本，譜寬覆蓋550nm~1600nm范圍，平坦度好于5dB的超亮光超連續(xù)光源。由于有較好的色散系數(shù)，20m長(zhǎng)的這種光纖就可以實(shí)現(xiàn)與脈沖為1ns，重復(fù)率為6k，與1064nm平均功率為幾十毫瓦激光器具有幾乎相同的變換效率。超連續(xù)光源主要應(yīng)用于光子學(xué)設(shè)備的測(cè)試、低相干白光干涉計(jì)、光相干攝像和光譜學(xué)中[8]。 ` nX,x-UM  
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　　3.6大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖 XfcYcN  
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　　大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖中的光是在由同心環(huán)的硅材料空氣孔圍成的實(shí)心硅纖芯中傳輸。由于實(shí)心纖芯和包層的大折射率差，使得該光纖數(shù)值孔徑比全硅多模光纖大得多。大數(shù)值孔徑增加了從白熾燈或弧光燈熱光源和從低亮度半導(dǎo)體激光器獲取光的能力。這種光纖在633nm處數(shù)值孔徑可達(dá)0.6，主要應(yīng)用于白熾燈或弧光燈光的傳輸、低亮度泵浦激光的傳輸以及光傳感器中[9]。 'iMzp]V;  
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