PCF導光機理可以分為(wei) 兩(liang) 類：折射率導光機理和光子能隙導光機理。

　　折射率導光機理：周期性缺陷的纖心折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定的差別，從(cong) 而使光能夠在纖芯中傳(chuan) 播，這種結構的PCF導光機理依然是全內(nei) 反射，但與(yu) 常規G.652光纖有所不同，由於(yu) 包層包含空氣，所以這種機理稱為(wei) 改進的全內(nei) 反射，這是因為(wei) 空芯PCF中的小孔尺寸比傳(chuan) 導光的波長還小的緣故。

　　光子能隙導光機理：在理論上,求解電磁波(光波) 在光子晶體(ti) 中的本征方程即可導出實芯和空芯PCF 的傳(chuan) 導條件,其結果就是光子能隙導光理論。如圖1 所示,中心為(wei) 空芯,雖然空芯的折射率比包層石英玻璃低,但仍能保證光不折射出去,這是因為(wei) 包層中的小孔點陣構成光子晶體(ti) 。當小孔間的距離和小孔直徑滿足一定條件時,其光子能隙範圍內(nei) 就能阻止相應光傳(chuan) 播,光被限製在中心空芯之內(nei) 傳(chuan) 輸。最近有研究表明,這種HF 中可傳(chuan) 輸99 %以上的光能,而空間光衰減極低,因此光纖衰減可能隻有標準光纖的1/ 2～1/ 4 。但並不是所有PCF 都是光子能隙導光。

　　空芯PCF的光子能隙傳(chuan) 光機理的具體(ti) 解釋是：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳(chuan) 光機理是利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波隻能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳(chuan) 播。雖然在空芯PCF中不能發生全內(nei) 反射，但包層中的小孔點陣結構就像一麵鏡子，這樣光就在許許多多的小孔的空氣和石英玻璃界麵多次發生反射。 

　　PCF的特性

　　PCF 有如下特點:結構設計很靈活,具有各種各樣的小孔結構;芯和包層的折射率差可以很大;芯可以製成各種各樣;“包層折射率”是強烈依波長而變的函數,包層性能可以反映在波長尺度上。正因為(wei) 有以上特點, PCF 有著以下許多奇異特性:

　　(1)無截止單模( Endlessly Single Mode)

　　傳(chuan) 輸普通單模光纖隨著纖芯尺寸的增加會(hui) 變成多模光纖。而對於(yu) PCF ,隻要其空氣孔徑與(yu) 孔間距之比小於(yu) 0. 2 ,無論什麽(me) 波長都能單模傳(chuan) 輸,似乎不存在截止波長。這就是無截止單模傳(chuan) 輸特性。這種光纖可在從(cong) 藍光到2μm 的光波下單模傳(chuan) 輸。更為(wei) 奇特的是這種特性與(yu) 光纖的絕對尺寸無關(guan) ,因此通過改變空氣孔間距可調節模場麵積。在1 550 nm可達1～800 μm2 ,實際上已製成了680 μm2 的大模場PCF ,大約是常規光纖的10 倍。小模場有利於(yu) 非線性產(chan) 生,大模場可防止發生非線性。這對於(yu) 提高或降低光學非線性有極重要的意義(yi) 。這種光纖具有很多潛在應用,如激光器和放大器(利用高非線性光纖) ,低非線性通信用光纖,高光功率傳(chuan) 輸。

　　(2)不同尋常的色度色散

　　真空中材料色散為(wei) 零,空氣中的材料色散也非常小。這使得空氣芯PCF 的色散非常特殊。由於(yu) 光纖設計很靈活,隻要改變孔徑與(yu) 孔間距之比,即可達到很大的波導色散,還可使光纖總色度色散達到所希望的分布狀態。如零色散波長可移到短波長,從(cong) 而導致在1 300 nm 實現光弧子傳(chuan) 輸;具有優(you) 良性質的色散平坦光纖(數百nm 帶寬範圍接近零色散) ;各種非線性器件以及色散補償(chang) 光纖(可達2 000 ps/ nm·km) 都應運而生。

　　(3)極好的非線性效應雙折射效應

　　G.652光纖中出現的非線性效應是由於(yu) 光纖的單位麵積上傳(chuan) 輸的光強過大造成嚴(yan) 重損傷(shang) 係統傳(chuan) 輸質量的一個(ge) 現象。然而，在光子能隙導光PCF中，我們(men) 可以通過增加PCF纖芯空氣孔直徑（即PCF的有效麵積）來降低單位有效麵積上的光強，從(cong) 而達到大大減少非線性效應的目的。光子能隙導光的這個(ge) 特性為(wei) 製造大的有效麵積的PCF奠定了技術基礎。

　　(4)優(you) 良的雙折射效應

　　對於(yu) 保偏光纖而言，雙折射效應越強，波長越短，所保持的傳(chuan) 輸光偏振態越好。在PCF中，隻需要破壞PCF剖麵圓對稱性，使其構成二維結構就可以形成很強的雙折射。通過減少空氣孔數目或者改變空氣孔直徑的方式，可以製造出比常用的熊貓牌保偏光纖高幾個(ge) 數量級的高雙折射率PCF保偏光纖。

       光子晶體(ti) 光纖在光纖通信的應用

　　PCF在光纖通信係統中的潛在應用主要有兩(liang) 個(ge) 方麵：傳(chuan) 輸光纖和光器件。PCF作為(wei) 傳(chuan) 輸光纖的研究要點是改進製造工藝、降低光纖損耗。PCF作為(wei) 光器件的研究要點是通過調整PCF的結構尺寸來實現PCF器件所需要的性能。

　　眾(zhong) 所周知，作為(wei) 光信號傳(chuan) 輸介質，無論是G.652光纖還是PCF都應該滿足低損耗、小色散和低非線性效應。與(yu) G.652損耗機理相同，PCF損耗主要來源於(yu) 吸收和散射。此外，由於(yu) PCF結構的特殊性，也自然帶來了一些特殊的損耗來源，如模式泄漏損耗和結構缺陷損耗。表1給出了PCF的損耗來源。

　　人們(men) 采取了一係列措施來降低PCF的損耗，主要有（1）提高芯/包層材料的純度；（2）采用減少汙染包層材料管的工藝；（3）通過合理設計空氣填充比/空氣孔數量來降低泄漏模式。

　　PCF具有的低損耗、小色散、低非線性效應特性，使得其在光纖通信領域的應用是非常有前途的，尤其對於(yu) 長途通信係統。隨著PCF設計方法和製造工藝的不斷改進，PCF性能正日趨完善。特別是K.Tajima等人通過合理設計結構參數，如空氣孔直徑d和空氣孔間距r，以及d/r比值，大道理既減少PCF的衰減，又改善PCF的色散和色散效率的目的。現在，PCF已經進入實驗室的光纖通信係統傳(chuan) 輸試驗研究階段。

　　2003年初的世界光纖通信會(hui) 議（OFC）上，日本電報電話公司（NTT）接入網業(ye) 務係統實驗室的K.Tajima等人報道了他們(men) 研製出的衰減為(wei) 0.37 dB/km 的超低衰減、長長度的PCF。PCF具有完全的單模特性，可用工作波長範圍為(wei) 0.458—1.7μm。

　　C.Peucheret等人的研究小組利用5.6 km 的PCF線路進行工作波長為(wei) 1550 nm的40Gbit/s的傳(chuan) 輸實驗。這個(ge) 實驗係統所用的PCF的有效麵積是72平方μm、衰減為(wei) 1.7dB/ km、色散係數為(wei) 32 ps/（km. nm）。實驗表明，PCF作為(wei) 光信號傳(chuan) 輸介質時，係統的性能沒有劣化，與(yu) G.652光纖相比，PCF最大優(you) 勢是在保證很小的偏振模色散係數的前提下，色散係數、有效麵積和非線性係數可以靈活設計。

　　如上所述，PCF本身就是一種良好的色散補償(chang) 光纖。通過靈活設計PCF的3個(ge) 特征結構參數：纖芯直徑、包層空氣孔直徑和包層空氣孔間距，我們(men) 就可以獲得很大的正色散，或者很大的負色散，或極寬波段的平坦色散PCF。特別是PCF的靈活色散、色散效率補償(chang) 帶寬管理能量比G.652光纖大幾倍，故PCF具有優(you) 良的色散補償(chang) 性能，有希望代替普通的色散補償(chang) 光纖，成為(wei) 新一代色散補償(chang) 光纖。

　　由於(yu) 普通色散補償(chang) 光纖的芯/包層折射率差小（1.45/1.3），所以其色散補償(chang) 能力差。而PCF的芯/包層差大（1.45/1），因此PCF具有很強的色散補償(chang) 能力。清華大學的研究人員從(cong) 理論上計算了PCF的色散值，在計算中所選擇的PCF結構參數是：空氣孔間距為(wei) 0.8μm,空氣孔直徑與(yu) 空氣孔間距之比是0.835。計算得到，在1.55μm PCF的色散值可以達到-2050 ps/（km. nm），可以補償(chang) 120倍長度的G.652光纖（17 ps/（km. nm））,可以補償(chang) 240倍長度的G.655光纖（8.2 ps/（km. nm））,從(cong) 而大大縮短了色散補償(chang) 光纖的長度。因此，PCF的色散補償(chang) 作用在高速率、大容量、遠距離的WDM係統中將會(hui) 具有極大的應用價(jia) 值。#p#分頁標題#e#

　　PCF可以構成光纖激光器和光纖放大器，究其理由是通過調整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設計出模場麵積範圍為(wei) 1--1000μm2的 PCF，使得PCF在光纖激光器和光放大器研製中比G.652光纖更具有優(you) 勢。

　　已經取得研究進展的PCF與(yu) 光纖通信相關(guan) 應用還有：光波長變換、拉曼放大器、光孤子激光器、光纖光柵和連續譜發生器等。