光子晶体光纤的概念及发展

高慧敏　陈飞

摘 要 ：光子晶体光纤具有独特的结构和导光机制，展现出比传统光纤优异的光传输特性，将对未来光通信领域的发展产生重要的影响。文章介绍了光子晶体光纤的概念及光子晶体光纤特有的光传输特性，阐述了光子晶体光纤在光信号传输及光纤器件制作领域中热点研究方向的最新进展。

关键词：光子晶体光纤，光传输特性，光纤器件

中图分类号：N04；TN253 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0054-03

Introduction of the Concept and Development of Photonic Crystal Fiber

GAO Huimin CHEN Fei

Abstract： Due to its particular structure and light guide mechanism， photonic crystal fiber represents excellent optical transmission characteristics compared with traditional fiber， and will produce important influence on the development of optical communication. This paper introduces the concept and particular optical transmission characteristics of photonic crystal fiber， expatiates on the latest development of the hot research aspects in the field of light transmission and fiber apparatuses.

Keywords： photonic crystal fiber， optical transmission characteristics， fiber apparatuses

收稿日期：2014-06-28

作者简介：高慧敏（1983—），女，山西大同人，硕士，审查员，从事光学领域的专利审查。通信方式：gaohuimin@ sipo. gov. cn。

引 言

近年来，随着光通信领域的快速发展，对光纤的传输性能提出了更高的要求，光子晶体光纤应运而生，其在单模传输、色散、非线性、双折射等方面具有传统光纤不可比拟的特性，国内外研究人员利用光子晶体光纤开发出了多种性能优异的光纤器件。笔者将概述光子晶体光纤的结构特点、导光机制及传输特性，并对其在太赫兹波传输、温度传感器及热敏光开关方面的应用进行较详细的论述。

一 光子晶体光纤的概念

光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）又称微结构光纤（microstructured fiber）或多孔光纤（holey fiber），是以石英为光纤基底材料，在光纤中设置纵向延伸的规则排列空气孔，并通过在光纤的中心处引入缺陷结构来形成纤芯[1] 。

根据缺陷结构的不同，分为两种导光机制不同的光子晶体光纤：全内反射光子晶体光纤（total internal reflection PCF，TIRPCF）和光子带隙光子晶体光纤（photonic band gap PCF，PBGPCF）。全内反射光子晶体光纤通过中心缺失一个空气孔形成缺陷结构，导光机制为全内反射导光；光子带隙光子晶体光纤通过在中心引入一个更大的空气孔形成缺陷结构，导光机制为光子禁带导光（见图1）。

图1 全内反射光子晶体光纤（左）和光子带隙光子晶体光纤（右）

二 光子晶体光纤的特性

与传统光纤相比，光子晶体光纤可实现对光传输特性的灵活调整，其光传输特性取决于光纤基底和孔内介质材料的折射率，以及光纤内孔的直径、间距和排布方式。

光子晶体光纤具有无截止单模传输、可调模场面积、宽波段色散平坦、高双折射、高非线性、低损耗等优异光传输特性，适合于多种波段光信号的传输以及多种类型光纤器件的制作。

三 光子晶体光纤的发展现状

随着对光子晶体光纤特性的深入研究，在光信号传输及光纤器件制作领域，光子晶体光纤均得到了广泛的应用。对光子晶体光纤的研究和应用从经典的石英-空气孔光子晶体光纤，逐步发展到塑料或聚合物相关的光子晶体光纤，以及空气孔填充固体或液体介质的光子晶体光纤。近年来，对塑料或聚合物光子晶体光纤以及空气孔填充光子晶体光纤的研究成为热点，主要的应用有太赫兹波传输、温度传感器以及热敏光开关。以下将对上述几种较典型的光子晶体光纤器件的研究进展进行介绍。

1.太赫兹波传输

太赫兹波（Terahertz ，THz）是介于毫米波和红外波段之间的电磁波，频率范围为0.1THz～10THz，其在天文学、移动通信、卫星通信、军事领域均有着广阔的应用前景。

太赫兹波极易被介质材料吸收，在传统石英光纤中传输损耗很大，甚至无法传输。韩国和日本的科学家分别利用高密度聚乙烯和聚四氟乙烯制成了太赫兹光子晶体塑料光纤，损耗小、色散低，模场能被有效限制在缺陷中。2011年，南京邮电大学吴昊等人提出一种新型的太赫兹波塑料光子晶体光纤（见图2）[2]，其包层由两种不同直径的空气孔周期排列而成，基底材料为聚乙烯，纤芯圆孔填充聚四氟乙烯，可得到低损耗、超平坦趋于零色散的太赫兹光子晶体光纤，其在46～54μm 波长范围内具有±0.5ps/（nm·km）的色散值，在47.5μm处损耗为2.6dB/km。

图2 太赫兹光子晶体光纤

2.温度传感器

通过在全内反射型光子晶体光纤的空气孔中填充折射率温度敏感液体，可形成基于光子晶体光纤的温度传感器。光子晶体光纤温度传感器的工作原理是当周围温度发生变化时，孔内温度敏感液体的折射率随温度变化而改变，从而改变光纤包层的等效折射率，光纤内模场分布发生变化，通过对出射光功率的测量可实现对温度的传感。

早在2009年、2010年就已有采用酒精、液晶作为温度敏感液体的报道[3]。2011年，天津大学王若琪等人更提出在全内反射光子晶体光纤的空气孔中填充酒精和氯仿等温度敏感液体的混合液，能够得到更高灵敏度的温度传感器[4]，而且通过调节混合液体中各组分的比例可对温度传感器的温度敏感度和敏感区间进行方便的调节，仿真并实验获得了0.75dB/℃的光子晶体光纤温度传感器。

3.热敏光开关

利用空气孔中填充有折射率温度敏感液体的全内反射光子晶体光纤还可以制作热敏光开关，在温度敏感液体的折射率趋近于光子晶体光纤的纤芯折射率时，全内反射导光机制被破坏，纤芯限制光的能力消失，光模场扩散到包层中，实现热敏光开关从导通到断开状态的跃变。

通过调节混合液体中各组分的比例，可得到不同温度敏感度和不同敏感区间的热敏液体，从而可得到不同温度跃变点的热敏光开关。2011年，王若琪等人还提出了包层空气孔填充折射率从1.44385到1.4439，折射率的变化量为5.0×10-5，仅需 0.1℃的温度变化就足以从导通状态跃变到断开状态的热敏光开关[5]。

四 结 语

综上所述，光子晶体光纤所具有的全新结构和导光机制，使其展现出传统光纤所不具有的诸多光传输特性，是非常有发展潜力的新一代光传输介质。通过对光子晶体光纤基底、纤芯材料的改进，能实现对太赫兹波段的高效传输，通过在光子晶体光纤空气孔内填充温度敏感液体，还可设计出高敏感度的温度传感器和热敏光开关，在未来的光通信领域具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] Birks T A， Knight J C， Russell P St J.Endlessly singlemode photonic crystal fiber[J]. Opt. Lett. 1997， 22（13）： 961-963.

[2] 吴昊，施伟华，赵岩，等. 新型太赫兹波塑料光子晶体光纤的色散特性[J].光通信研究. 2011，（1） ：40-42.

[3] Yu Y， Li X， Hong X，et al. Some features of photonic crystal fiber temperature sensor based on liquid ethanol filling[J]. Optics Express， 2009，18（15）：15383-15388.

[4] 王若琪，姚建铨，周睿，等. 填充混合液体的光子晶体光纤温度传感研究[J]. 光电子· 激光.2011，22（11）：1609-1612.

[5] 王若琪.基于液体填充的光子晶体光纤微结构设计[D]. 天津：天津大学，2011.