未来通信的“新晋网红”

赵绚

提到自然界中的晶体，我们首先会想到玲珑的雪花和剔透的水晶，它们都具有规则而美丽的外形。而在微观尺度上，构成这些物质的微观粒子有规律地周期性排列，如同列队整齐的士兵。2009年诺贝尔物理学奖得主高锟，自20世纪60年代起，就预言了超低损耗的通信光纤。“新晋网红”光子晶体光纤最显著的特点是能够选择性地阻挡某些频率范围内的电磁波，而这都是由它周期性的折射率分布导致的，因为其新颖的原理和精巧的结构，它也在许多方面展示出优越的特性。

光子晶體光纤特性大起底

光子晶体的结构千变万化，光子晶体光纤的原理也有很多种。从特性上来讲，主要就是三种：折射率导光型光子晶体光纤、光子带隙型光子晶体光纤和具有独特拓扑性质的光子晶体。

第一种原理便是折射率导光型光子晶体光纤，传统光纤利用光的全反射原理导光，基本结构是高折射率的纤芯外面包裹低折射率的包层，这样才能使一定角度入射的光发生全反射，从而保持在纤芯中传输。光子晶体光纤以一种更有效的方式降低了包层的折射率：增加空气孔。因为空气占比越大，包层的平均折射率就越低。

第二种原理便是光子带隙型光子晶体光纤，光子晶体具有光波长尺度的周期性微结构。这种周期性导致光子晶体对不同颜色的光“区别对待”，能够阻挡某些波长的光。比如，红色光在其中畅行无阻，绿色光却被挡在“门”外。在光纤的包层中构造光子晶体，就可以将这些波长的光束缚在纤芯中传输。这种光纤并不要求纤芯的折射率高于包层，因此光纤的中心部分可以是空气。

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光子带隙是光子晶体的核心特征。频率落在带隙中的光入射到光子晶体时，将被光子晶体强烈反射，几乎无法穿过光子晶体。基于带隙的反射性质，光子晶体可被用于实现多种光学器件，如光学谐振腔、激光器、光波导和窄带滤波器等。

第三种原理就是具有独特拓扑性质的光子晶体。它的材质特殊，形状像是缠绕交织的藤蔓。沿着螺旋路径改变“藤蔓”的粗细，光就可以被限制在螺旋的中心轴处。这种光纤的优点是信号只能朝一个方向传输，即使遇到障碍也不会“掉头”。

光子晶体光纤究竟好在哪里？

光纤中的不同模式就像是马拉松赛场上的运动员，全体运动员形成的队伍就像是光纤中传输的信号。由于模式的前进速度有快有慢，能量十分集中的信号经过一段距离的传输后就会发生变形，就像运动员的队伍分散开来一样。对于传统光纤，电磁波的频率越高，就会有越多新的模式出现，单模传输的频率范围很窄。这不仅限制了传输速率，也对光源有较高要求。

对于光子晶体光纤，因为其具有无尽单模模式，单模传输的频率范围可以无限大。也就是说，不论频率多高，光纤中都只存在一个传播模式，这样光纤就不存在信号变形的问题，因此特别利于远距离通信。具体来说就是，其包层不是由单一物质，而是由折射率不同的两种物质组成的。波长越短（频率越高），能量就可以越纯粹地集中在折射率高的部位，空气孔部分被电磁波“忽略”了。这样，在电磁波看来，包层和纤芯的折射率越来越“像”。折射率差别越小，对光的限制作用就越弱，本可以稳定传输的新模式会泄漏到包层中，留下来的只有最低频率的本征模式（基模）。无尽单模还意味着我们可以将纤芯直径做得很大，同时仍保持单模传输，这有利于减小非线性效应，对优化光纤激光器和光纤放大器的性能十分重要。

像制作嵌字豆糖一样制作光子晶体光纤？

制作光子晶体光纤最常用的便是拉丝法。这种方法与制作嵌字豆糖（徽州传统美食）如出一辙。嵌字豆糖需要先做出横截面同比例的放大版，然后拉伸变细。有经验的匠人能够施加合适的力度，保证字体不变形。而光纤的制作则需要极为苛刻的工艺条件。首先，根据光纤的结构将毛细管㈣堆叠起来，形成光纤预制棒;然后送入精密的光纤拉丝塔，在炉中进行高温软化，加热后的预制棒向下滴落，底端慢慢变细，直径稳定下来后，在外层涂覆树脂材料并进行固化，形成保护层。这样，发丝般粗细的光子晶体光纤就做好了。

万物互联的时代，光纤构成5G承载网的错综血脉;在追求微创的外科手术中，光纤是激光的灵巧导管，把脉冲送至手术刀难以触及的病灶;在航海、航空、航天和国防工业中，光纤陀螺仪能精确地测定方向，引导飞船航行在茫茫宇宙。一根细细的玻璃纤维，已经深入现代生活的方方面面，为我们的生活创造无限种可能。

（责任编辑/陈天昊 美术编辑/李子夜）