圖1 3種不同結構的抗彎曲光子晶體(ti) 光纖

這種空氣與(yu) 石英複合結構的新型光纖具有很強的抗彎性。其抗彎能力相比當前的G.657.B3光纖提升100倍以上，彎曲半徑可以降低到2毫米以下，可以用於(yu) 高端有線製導領域。

2.靈活的色散裁剪特性

改變光子晶體(ti) 光纖中的空氣孔大小與(yu) 間距，光子晶體(ti) 光纖的色散和色散斜率會(hui) 急劇變化。如實心光纖的零色散點在1300nm波長附近，也可以通過設計將零色散點向長波長移動，但是難以獲得短波長的零色散。光子晶體(ti) 光纖就可以實現傳(chuan) 統實心光纖無法實現的短波長零色散特性、寬波段的色散平坦特性(如圖2)，以及超大負色散特性。

Huttunen等報道了一種具有高折射率纖芯的雙芯光子晶體(ti) 光纖，色散係數為(wei) -59000ps/(nm.km)，並且能夠實現105nm的寬帶色散補償(chang) 。Huttunen還提出了一種有效麵積為(wei) 80μm2、內(nei) 芯折射率為(wei) 1.5、外芯折射率為(wei) 1.3859的雙芯光子晶體(ti) 光纖，其1550nm的色散係數為(wei) -1600ps/(nm.km)，補償(chang) 帶寬達330nm，可實現整個(ge) C+L波段(1530nm～1625nm)的色散補償(chang) 。

圖2 不同結構的光子晶體(ti) 光纖色散裁剪特性

3.良好的非線性特性

高非線性光子晶體(ti) 光纖的非線性係數是普通石英單模光纖的幾十至幾百倍，可以高達245W-1.km-1。因此，在光子晶體(ti) 光纖中不需要超快飛秒脈衝(chong) ，所用脈衝(chong) 泵浦的峰值功率可以低到次千瓦量級，這比常規光纖所需的功率低1～2個(ge) 數量級，在此情況下就可以產(chan) 生較大的非線性頻率變換和雙倍程(400nm～1600nm)的超連續光譜(如圖3)。另外，光子晶體(ti) 光纖的色散特性具有較大的設計靈活性，保持包層內(nei) 空氣孔間距不變而增大空氣的填充比例就可以減小纖芯麵積從(cong) 而增強非線性效應，同時纖芯和包層之間極大的折射率差使得波導色散增大，結果零色散波長可以移至短波長波段(670nm～880nm)，使得這些光纖特別適合采用摻鈦藍寶石激光或Nd3+泵浦激光光源的超連續光發生器。

圖3 非線性光子晶體(ti) 光纖產(chan) 生的超連續光譜

4.獨特的光子帶隙特性

更為(wei) 神奇的是，光子晶體(ti) 光纖還有一神奇的“變種”。如果去除光子晶體(ti) 光纖的實心纖芯，換成“空心”就形成了類似於(yu) 宇宙“蟲洞”的時光隧道，大大減小了光纖傳(chuan) 輸的非線性效應、色散和損耗，可用於(yu) 大功率激光傳(chuan) 輸、新型通信及光纖傳(chuan) 感，圖4是一種空心帶隙型光子晶體(ti) 光纖。

圖4 空心帶隙型光子晶體(ti) 光纖端麵

5.良好的耐輻照特性

光子晶體(ti) 光纖的纖芯可以不摻雜，實現純二氧化矽的纖芯，因此該光纖可以具有很強的耐輻照性，在航空航天和光纖陀螺等領域有諸多應用。其中摻鉺耐輻照光子晶體(ti) 光纖采用空氣包層進行設計，纖芯中摻鉺，但是不引入具備色心特性的金屬鍺元素，大大提升了其在太空中應用的耐輻照可靠性。圖5是一種摻鉺光子晶體(ti) 光纖，其在1530nm的吸收為(wei) 2.5dB/m，內(nei) 包層數值孔徑0.50。

圖5 摻鉺耐輻照光子晶體(ti) 光纖端麵

6.大模場特性

采用光子晶體(ti) 光纖技術製造雙包層摻鐿光纖可以解決(jue) 大有效麵積與(yu) 單模傳(chuan) 輸的矛盾，它可以根據激光器件的要求，設計製造纖芯摻雜濃度高、模場麵積大、內(nei) 包層數值孔徑大，同時維持纖芯單模傳(chuan) 輸的高要求。

雙包層摻鐿光子晶體(ti) 光纖的基本原理就是：內(nei) 包層采用小占空比的空氣微孔點陣，實現纖芯的單模傳(chuan) 輸，既能夠實現較大的模場麵積，減小高功率激光傳(chuan) 輸形成的非線性效應，又能夠實現高光束質量的激光輸出;外包層采用較大的空氣孔，形成較大的折射率反差，從(cong) 而增大內(nei) 包層的數值孔徑，提高泵浦光耦合效率，其內(nei) 包層975nm的數值孔徑可以達到0.9。而且外包層中分布著較大的空氣孔，沒有光輻射到光纖的塗層上，大大地提高了該光纖激光器的散熱性能和耐熱性能。

C.D.Brooks等對纖芯直徑為(wei) 100μm、內(nei) 包層直徑290μm、外包層直徑1.5mm摻鐿雙包層光子晶體(ti) 光纖(如圖6)，進行增益階段的主振蕩功率放大(MOPA)試驗，獲得了峰值功率4.5MW的單橫模激光輸出，光譜線寬20GHz，光束質量因子M2～1.3。該光纖是迄今為(wei) 止報道的纖芯直徑最大的雙包層摻鐿光子晶體(ti) 光纖。

圖6 超大模場的雙包層摻鐿光子晶體(ti) 光纖的端麵掃描

7.空分複用特性

光子晶體(ti) 光纖具有靈活的空間排布工藝技術，可利用光子晶體(ti) 複用光纖技術製造空分多芯光纖，如雙芯光纖、7芯光纖、19芯光纖等(如圖7)。Jun Sakaguchi等利用長16.8km的7芯光纖、97路100GHz間隔的WDM波分複用通道、2路PDM傳(chuan) 輸86-Gb/s的QPSK信號，總速率達到109Tb/s。7芯光纖傳(chuan) 輸串擾很低，可以忽略不計。該實驗首次突破了以往100Tbit/s的單纖傳(chuan) 輸容量限製，打破了原有的世界紀錄，顯現出作為(wei) 未來大容量傳(chuan) 輸媒質的多芯光纖巨大潛力。該研究團隊采用19芯光纖傳(chuan) 輸高達305TB/s的信號。

圖7 3種多芯光子晶體(ti) 光纖

光子晶體(ti) 光纖的應用前景

1.光子晶體(ti) 光纖激光器

光纖激光器已經廣泛應用於(yu) 激光切割、激光焊接、激光鑽孔、激光雕刻、激光打標、激光雷達、傳(chuan) 感技術和空間技術以及激光醫學等領域。國際上，摻鐿光纖激光器單根光纖已經實現了9600W的單模激光功率輸出。2016年，我國摻鐿光纖激光器的單纖輸出激光功率達到5kW。常規摻鐿雙包層光纖利用摻雜實現光纖包層與(yu) 纖芯之間的折射率差，使得維持單模傳(chuan) 輸的纖芯麵積難以增加，限製了雙包層摻鐿光纖激光器性能的進一步提高。

雙包層摻鐿光子晶體(ti) 光纖的誕生，可以解決(jue) 大有效麵積與(yu) 單模傳(chuan) 輸的矛盾，它可以根據激光器件的要求，設計製造纖芯摻雜濃度高、模場麵積大、內(nei) 包層數值孔徑大，同時維持纖芯單模傳(chuan) 輸的高要求，大大地提高了該光纖激光器的散熱性能和耐熱性能。2005年德國Jena公司采用雙包層摻鐿光子晶體(ti) 光纖，單纖獲得了1530W的激光輸出。

2.光子晶體(ti) 光纖放大器

鉺鐿共摻光子晶體(ti) 光纖放大器是近年來光纖放大器的研究熱點，國外在該方麵進行了大量的基礎應用研究。Akira等將0.7nJ、700fs、47MHz、32mW的1557nm種子光注入到9米鉺鐿共摻雙包層光子晶體(ti) 光纖，在7.1W的975nm泵浦光功率作用下，在1550nm獲得了100fs、74nJ、350mW的放大激光輸出，光束質量因子M2小於(yu) 1.05，表現出單橫模特性。該鉺鐿共摻雙包層光子晶體(ti) 光纖的參數為(wei) ：晶格常數Λ=22μm，占空比d/Λ=0.54，空氣外包層直徑222μm，纖芯Er3+和Yb3+的濃度分別為(wei) 140ppm和2000ppm，模場直徑26μm，纖芯數值孔徑為(wei) 0.04，內(nei) 包層數值孔徑為(wei) 0.58，976nm泵浦吸收係數為(wei) 1.6dB/m。

3.超連續光譜與(yu) 新型光源

超連續譜(SC)是高功率密度脈衝(chong) 激光通過非線性介質產(chan) 生的強烈光譜展寬，利用光脈衝(chong) 在光子晶體(ti) 光纖中的自相位調製(SPM)、受激喇曼散射(SRS)以及四波混頻(FWM)等非線性效應，可使輸入脈衝(chong) 展寬得到超連續譜，在超連續光譜中取出特定波長的激光就可以製造不同波長的新型光源。超連續譜光源在飛秒激光脈衝(chong) 的相位穩定、光學相幹層析(OCT)、超短脈衝(chong) 壓縮、激光光譜學和傳(chuan) 感技術等領域具有廣泛的應用。

4.光開關(guan) 與(yu) 傳(chuan) 感器

光子晶體(ti) 光纖由於(yu) 具有較高的非線性效應，包括自相位調製、交叉相位調製等，利用該非線性效應可以研製高速、偏振無關(guan) 的高性能集成化微型全光開關(guan) 。全光開關(guan) 是波長路由全光網絡和下一代光網絡的核心部件，P.Petropolous等提出基於(yu) 光子晶體(ti) 光纖自相位調製效應的全光開關(guan) 方案，J.E.Sharping等提出基於(yu) 光子晶體(ti) 光纖的交叉相位調製效應的全光開關(guan) 方案。

光子晶體(ti) 光纖中分布著許多空氣微孔，將不同的液體(ti) 、氣體(ti) 、固體(ti) 材料填充到空氣微孔中就可以製造出各種各樣的傳(chuan) 感器。Thomas Tanggaard等將液晶填充到PBG型光子晶體(ti) 光纖的空氣微孔中，製造出一種全光傳(chuan) 感器件，該器件對溫度非常敏感，0.4℃的溫度變化就可以產(chan) 生60dB的消光比，是一種較好的溫度傳(chuan) 感器件或光開關(guan) 。

5.光刹車與(yu) 全光通信

為(wei) 了實現高速全光通信，首先必須實現能夠光速控製與(yu) 光的存儲(chu) 。2005年1月，美國康奈爾(Cornell)大學的Yoshitomo Okawachi等首次利用光纖中受激布裏淵散射(SBS)非線性效應實現了可調諧的慢光時延，通過調整泵浦激光波長可以調節被時延的波長，通過調節泵浦光的光強可以實現時延的大小變化，試驗中實現了25ns的時延。

光纖中實現慢光是慢光研究曆史上的裏程碑，它直接將慢光技術推向實際工程化應用，充分發揮了光交換的快速高效特性。2007年12月，美國杜克(Duke)大學的Daniel J. Gauthier等在《Science》上發表論文，利用光纖中的受激布裏淵散射(SBS)非線性效應，成功進行了慢光的讀寫(xie) 試驗，實現了慢光的全光緩存技術，這是全光通信史上的重大技術突破，並且實現了6個(ge) 歸一化脈衝(chong) 時延，這是目前光纖SBS慢光的最大歸一化時延。

展望未來，光子晶體(ti) 光纖將在如下幾個(ge) 領域取得突破性應用。

高速大容量長途傳(chuan) 輸：光子晶體(ti) 光纖具有靈活可裁剪色散特性，可以製造出色散平坦、大有效麵積，同時具備無盡單模特性的光子晶體(ti) 光纖，並且可以製造出少模光纖和多芯光纖，少模與(yu) 多芯光子晶體(ti) 光纖可望在Tbit/s超大容量的高速光纖通信領域實現應用。

寬帶光源與(yu) 波長變換器件：超高非線性光子晶體(ti) 光纖非線性係數是常規單模光纖的100倍以上，能夠實現1000nm的超連續光譜，可以為(wei) 光通信DWDM係統提供光源，節省大量激光光源成本;同時利用非線性實現的波長變化器件，其靈活性是其它非線性光纖器件無法比擬的，可以實現超跨度波長變換。

光載微波保密通信：采用非線性光子晶體(ti) 光纖與(yu) 差頻技術，其保密功能非常強，可以實現ROF通信。

高功率光纖激光器：采用光子晶體(ti) 光纖技術製造的大模場摻稀土光子晶體(ti) 光纖，具備良好的抗熱損傷(shang) 能力，同時激光光束質量好，空氣形成的內(nei) 包層數值孔徑較大，大大提高激光二極管與(yu) 光纖的耦合效率，實現kW級激光輸出，在大功率切割焊接以及激光打標等領域具有廣泛應用。

慢光與(yu) 光存儲(chu) ：利用光子晶體(ti) 光纖的超高非線性效應，可以實現光速減慢與(yu) 光速控製，這為(wei) 未來的光存儲(chu) 與(yu) 光交換奠定了技術基礎，也為(wei) 全光通信提供了技術實現的新路徑。

光子晶體(ti) 光纖具有普通光纖所不具備的各種新穎特性，其在光器件領域應用遠遠不止這些，光子晶體(ti) 光纖靈活而善變的新奇特性給科研工作者提供了更為(wei) 廣闊的想象與(yu) 創新的空間，預示著微結構光纖將會(hui) 在光通信、光器件、光傳(chuan) 感、先進激光等領域具有廣泛的應用前景。 （作者：江蘇亨通光纖科技有限公司 陳偉(wei) ）