光子晶体光纤的发展和应用

Development and Applications of Photonic Crystal Fibers

摘要: 近年来，光子晶体光纤由于自身灵活多变的结构而具有很多传统光纤无法比拟的奇异特性，其在各领域的应用已经引起广泛关注。本文首先对光子晶体光纤的概念、分类和原理作了简要介绍，回顾了国内外光子晶体光纤的发展，介绍了光子晶体光纤的理论分析方法、制备工艺和相关参数及特性，讨论了几种不同材料及结构制成的光子晶体光纤的特点，对光子晶体光纤在激光、传感和通信等领域的应用以及我们的研发成果进行了介绍。最后，对光子晶体光纤进一步的发展和研究进行了展望。

Abstract: Photonic crystal fibers (PCFs) have attracted increasing attention in recent years due to the unique flexible structures that enable unprecedented advantages and superior performance compared with traditional optical fibers. In this paper, the concept, classification and principle of PCFs are introduced first. Then the development of PCFs in both academic and industrial fields is reviewed, and the theoretical analysis method, preparation process and related parameters and properties of PCFs are illustrated. Next, the PCFs made of different materials and diverse structures are characterized. Furthermore, the applications of PCFs in fiber lasers, fiber-optic sensing and communications, as well as our works in the fields are discussed. Finally, comprehensive insights into the overall situation, challenges and prospectives of PCFs are provided.

1. 引言

光纤技术是二十世纪最主要的技术成果之一。上世纪60年代，高锟博士小组首先提出用石英来传输信号的建议，1970年康宁公司成功地研制出了传输损耗为20 dB/km的石英光纤。之后光纤技术快速发展，在通信系统、传感器、光纤激光器、医疗设备和光学器件等诸多领域中都具有重要的应用。几十年来，光纤技术无论在哪个应用领域，从最开始的石英光纤到磷酸盐、硼酸盐、硫化物和氟化物乃至塑料等光纤的发展，光纤的原理和结构并没有改变——均是基于光内全反射理论和采用纤芯和包层的结构。随着科技的发展，对传统光纤的要求越来越高。例如，人们对互联网速度的要求越来越高。为了满足这一需求，光纤通信系统开始向更高传输速率、更远传输距离和更大容量的方向发展。因此，要求传统光纤中消除色散和降低损耗，但传统光纤受其结构、材料和制造工艺等因素的限制，性能的提升非常缓慢。另外，在高功率光纤激光器的发展中，单模输出功率的提高是其发展的关键。近年来随着包层抽运、光束整形和抽运耦合等技术的发展，输出功率迅速提高。2004年，Jeong等人采用掺镱双包层光纤首次实现了单根光纤千瓦量级的激光输出 [1] 。2010年，又实现了单根光纤10 kW近衍射极限的激光输出 [2] 。尽管光纤激光器的输出功率提高得很快，但是由于受光纤的非线性效应、光损伤及热损伤等物理机制的限制，欲更大幅度地提高单个激光器的功率已经相当困难。因此，具有大模场的光纤是解决光纤激光器功率提升的一种有效途径 [3] 。由于光纤的非线性效应与光纤的模场面积成反比 [4] ，模场面积越大非线性效应越弱，非线性功率阈值越高。然而，如果要求高光束质量的激光输出，须使光纤单模运转。而传统的单模光纤由于难以制作较小的数值孔径或者为达到较强的束光能力，纤芯的直径一般较小，大模场的单模光纤较难实现。基于以上原因，人们在不断地探索新型光纤，期盼着能克服传统光纤的不足。在这种情况下，光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)作为一种特殊的新型光纤应运而生 [5] 。

光子晶体光纤是近几十年来光纤传感、光纤通信及光纤激光器等领域的重大发明之一，并快速地应用到多个领域。相对于传统光纤，PCF具有许多奇异的特性，如无截止波长的单模传输特性 [5] [6] [7] [8] [9] ，色散可调特性 [10] ，高双折射特性 [11] [12] ，有效模面积可控特性 [4] [13] ，光子禁带效应 [14] 等。这些新奇的特性，为光学与光电子器件的设计提供了新的机会，并展示了许多新的功能。例如，利用PCF可制作全光开关 [15] 、光波长转换器 [16] 、色散补偿器及全光2R再生器 [17] 等多种器件，并被期望广泛用于通信、生物、空间成像、医药、环境、军事、印刷、制造业等科技领域。

目前，国外研究PCF比较著名的机构有英国的Bath大学、南安普顿大学和Blaze Photonics公司、丹麦的NKT公司和日本的NTT实验室等。国内的燕山大学、天津理工大学、北京交通大学、上海光机所、清华大学、南开大学等也较早地展开了对PCF的研究工作。随着PCF理论研究的深入和制作工艺的完善，PCF的应用领域得到了不断的拓展，并推动了PCF的实用化进程。现在，PCF的制作技术已经得到很大的提高，人们已经能拉制出各种复杂结构的PCF，并且一些不同用途的PCF产品已经被推出。虽然这些PCF产品的价格较贵，还无法普遍应用，但随着科学技术的不断发展和研究的逐渐深入，低成本且具有优良性能的PCF必定会被广泛应用。

2. 光子晶体光纤简介

20世纪80年代末出现了一种新型的光波导材料——光子晶体，他是一种由人工制成的电介质结构，使具有不同折射率的介质周期性排列，形成了光子晶体(Photonic Crystal, PC)。类似于半导体和绝缘体中存在的电子禁带，在某些材料中也可以制成在一定范围内特定方向上或全部方向上禁止光传播的材料。由于其具有光子带隙(Photonic Band Gap, PBG)特性，我们也称之为光子带隙材料，或称光子晶体PBG材料。PC最初被Yablonovitch [18] 和John [19] 于1987年分别单独提出。PC是根据传统晶体类比而来的，但与传统晶体比，在周期性尺寸、性质和制备方法等方面又有区别。PC按折射率周期性变化的空间维度可分为一维、二维和三维PC，如图1所示，分别对应了1-D，2-D和3-D的PC结构。1992年，英国Bath大学的Russell第一次提出光子晶体光纤(PCF)的概念 [20] 。在PCF的中心处引入缺陷，如在包层中添加按周期排列的空气孔，改变PCF的周期结构，则有缺陷的地方便成了PCF的纤芯，光在其中传播而不能进入PC包层，这就是PCF。

Figure 1. Structures of three kinds of photonic crystals

图1. 三种光子晶体结构

PCF也被称为微结构光纤或多孔光纤，是一种具有特殊结构的光纤。其纤芯周围周期性排布着波长量级的气孔，入射光被限制在纤芯中并沿着纤芯传播。PCF可按不同的特点和传光机理分类。例如，按形状可分为三角形、六边形、八边形、正方形和混合型等；按照材料可分为石英玻璃PCF，到后来的碲酸盐玻璃、硫化物玻璃、肖特玻璃和塑料光纤等；按照光纤的特性可分为大模场面积光子晶体光纤、高非线性PCF、高双折射PCF、色散补偿PCF和超低损耗PCF等；按照模式数量可分为单模PCF和多模PCF。而以上的分类都只是按照PCF的某一个显著特点来分类的，不足以解释PCF到底是什么。所以，还是从最根本的传光机理来分类是最科学的：带隙型光子晶体光纤(Photonic Bandgap PCF, PBG-PCF)和折射率引导型光子晶体光纤(Total Internal Reflection PCF, TIR-PCF)，如图2所示。

PBG-PCF的原理为光子禁带，由于该种光纤的纤芯一般采用空气孔，纤芯的折射率n_core低于包层的折射率n_cladding，所以不像传统光纤一样满足全反射机理，而其包层具有周期排列的空气孔结构，并且该结构要求空气孔的半径长度、空气孔的间距和空气孔的排列十分严格，这种特殊的排列方式形成布拉格衍射效应，致使频率位于带隙内的光被限制在纤芯中传播，无法在包层中传播而泄露出去，达到导光的目的。第二种TIR-PCF的导光原理与传统光纤一样，利用内全反射原理传光，但区别在于PCF的包层材料与纤芯材料一般相同，纤芯为实心，而包层上有规则或随机排列的空气孔，使包层的有效折射率n_cladding低于纤芯的折射率n_core。

Figure 2. Two types of PCF (photonic crystal fiber)

图2. 两种类型PCF

3. 国内外光子晶体光纤的发展简介

第一根光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)于1996年诞生 [5] ，由英国南安普顿大学的Knight和Birks等人制作出来。1997年，Birks等人发现这根光纤具有无截止单模传输特性 [6] 。1998年，第一根带隙型PCF问世，端面如图3(a)所示，Knight等对其进行了分析，发现入射光由于光子带隙效应被限制在较低折射率的纤芯里进行传播 [21] 。1999年，Cregan等拉制出了第一根在空气中传光的带隙型光纤，如图3(b)所示，其包层气孔呈现出密集而有序的周期性，具有能够实现光子带隙效应的结构，处于频率缺陷态的光子被束缚在中心大气孔也就是缺陷态处进行传播 [22] 。此后，随着光子晶体光纤的研究和制备工艺的日益改善，人们也对两种PCF的结构和特性有了更多的了解，在相继发现它们的其它特性的同时，也在逐渐降低两种PCF的损耗。2000年，英国Bath大学的Ortigosa-Blanch等成功研制了第一根髙双折射PCF [23] ，波长1550 nm处的双折射值为3.7 × 10⁻³，拍长为0.41 mm。同年，贝尔实验室的Ranka等人第一次报道了PCF中的反常色散特性 [24] 。2003年，Russell [25] 与Knight [26] 分别于《Science》和《Nature》发表了关于PCF的综述性文章，象征着PCF制作工艺的成熟化，新结构的研发获得了巨大的进步，同时人们对PCF的损耗和其它特性的研究更加细致和深入，获得了迅速的进步。2004年，Tajima等制备出了1310 nm和1550 nm处损耗分别为0.37 dB/km和0.71 dB/km的折射率引导型PCF [27] 。2005年，丹麦技术大学的Nielsen等报道了在1550 nm处损耗为0.48 dB/km的折射率引导型PCF。这一年，Bath大学的Roberts等将带隙光纤的最低损耗降到了1.2 dB/km。近来，科研人员不再限制于研究单一的基质-气孔周期排列的PCF，也对一些新型的PCF更加关注。例如，填充液晶、液体、金属、掺杂稀土和特殊空气孔排列等结构的PCF。2008年，Schmidt等设计了一种晶格呈三角排布且具有并行金属纳米线的PCF，对熔融状态的金属加压，使其进入到石英材质的空心管中，其在亚波长尺度成像、液晶装置、极化玻璃、电化学等诸多应用领域具有巨大的潜在价值 [28] 。2009年，Vogel等报道了一种大模场面积的单模PCF，该光纤由19个掺镱纤芯组成，并产生了自相干，为大模场高亮度掺稀土PCF激光器提供新了的技术途径 [29] 。2010年，Buczynski等人用铅铋镓硅玻璃制成的PCF成功地获得了从近红外到中红外(700~2500 nm)的超连续谱 [30] 。2015年，Belli等人设计了一种填充氢气的PCF，得到了从真空紫外124 nm到红外1200 nm的超连续谱，该光纤在紫外波段的转换效率达到5% [31] 。2017年，De等人报道了具有高双折射(10⁻²量级)、低损耗(1.55 μm处为10.2 dB/m)和具有色散位移特性的无复杂包层的十边形PCF [32] 。PCF从诞生之日起发展迅猛，直到今日，PCF在理论、性能和应用探索等方面均获得了重大进展，加快了其实用化的步伐。

Figure 3. (a) The first photonic bandgap PCF; (b) The first photonic bandgap PCF transmitting light in the air; (c) PCF manufactured by Tsinghua University; (d) PCF manufactured by Yanshan University

图3. (a) 第一根光子带隙光子晶体光纤；(b) 第一根在空气中传光的带隙光子晶体光纤；(c) 清华大学制备的光子晶体光纤；(d) 燕山大学拉制的光子晶体光纤

从上世纪末第一根PCF的诞生至今，中国科研人员在PCF的模拟、制备、测量、特性和应用等方面也做了大量的研究和贡献。燕山大学较早地开展了PCF的研究工作。2001年，侯蓝田、李曙光等人首次提出了研制无序光子局域化和光子晶体相结合的新型传能光纤的设想 [33] 。2002年，燕山大学红外光纤与传感研究所在侯蓝田的领导下，在中国率先拉制出了第一根集成式PCF。2003年，清华大学的倪屹等采用毛细玻璃管拼接并拉丝的方法试制成功PCF (如图3(c))，该光纤在633 nm以上波段为单模传输，而且芯区面积比常规单模光纤大了一个量级 [34] 。同年，国内很多大学和科研机构开始对PCF的色散特性、模式、产生超连续谱和相关应用等作了报道 [35] [36] [37] [38] 。2005年至今，国内更多的科研人员加入了PCF的研究队伍，不仅对PCF的非线性、各特性的模拟与分析、器件制备、各领域的应用等方面做了大量的研究，还在不断探索着新型结构和新型材料的PCF，这促使我国PCF技术的迅速发展。2007年，刘兆伦和侯蓝田等设计了一种第一层为椭圆空气孔缺陷的宽带色散平坦PCF。结果表明，改进的PCF的色散曲线可以在很宽的波长范围内保持色散平坦并具有较低的色散值 [39] 。2009年，燕山大学的陈月娥等报道了国内自行研制和制备的以高功率光子晶体光纤激光器为目标的Yb³⁺掺杂双包层PCF (端面如图3(d))，并公开了相关制备流程、工艺和关键技术 [40] 。2012年，Du等设计了一种高双折射的金属填充型PCF，经过对金丝直径及气孔尺寸等几何结构参数的优化，最终获得了一种能够在两个通讯窗口进行偏振滤波的PCF [41] 。2013年，Xue等设计了一种填充液体且涂覆金属层的PCF [42] ，可以很好地实现在通讯窗口的偏振滤波作用。同年，天津理工大学的曹晔等人提出了一种新型的微结构纤芯的PCF，在纤芯中引入10个呈矩形排列的小圆空气孔，该光纤在波长1.55 μm处双折射最大值可达3.45 × 10⁻²，限制损耗最低为2.88 × 10⁻⁹ dB/m。2014年，燕山大学陈月娥等设计了一种集成型多芯PCF，通过对比显示，集成多芯PCF能实现高功率、高光束质量的激光输出，为制作高功率光纤激光器提供了新的解决方案 [43] 。2015年，南开大学的吴宵宵等制备出了一种石墨烯包层结构的高双折射PCF，并获得了高达0.13的双折射率，限制损耗低于10⁻⁶ dB/km [44] 。近年中国科学院上海光学精密机械研究所也提出了稀土离子掺杂的软玻璃全固态光纤概念，避免了空气孔带来的缺陷，使得全光纤激光器成为可能，并使得PCF与传统光纤容易焊接，降低了连接损耗。

总之，PCF灵活多变的结构及其优异的特性决定着它在光源器件、通讯、国防科技等许多领域有着重要的应用价值。

4. 光子晶体的参数和相关特性

PCF因其灵活多变的构造而具备许多优异的特性，并可通过改变包层结构参数(如空气孔直径d及孔间距 $\Lambda$ )来调节相关特性，例如改变空气孔数量、大小来调节包层有效折射率，从而改变模场、损耗等的大小，而且大量的实验研究发现包层结构参数与PCF各参数和性能密切相关，所以不能再沿用传统光纤的计算公式，需作出相应的调整，也正是这个原因，才发现了PCF具有一些传统光纤不可比拟的新奇特性。

4.1. 归一化频率与无截止单模传输特性

归一化频率V决定着光纤中传播的模式数，对于传统的阶跃型光纤，单模传输的定义及条件如下 [6] ：

$V=\frac{2\text{π}\rho }{\lambda }\sqrt{n_{\text{co}}^2-n_{\text{cl}}^2}<2.405$ (1)

(1)式中，ρ为纤芯半径，n_co和n_cl分别为纤芯和包层的折射率。而PCF的结构复杂，不同于传统光纤，所以归一化频率的定义需要加以修正。光在纤芯中传播与传播常数β有关 [6] ：

$k{n}_{\text{0}}>\beta >{\beta }_{\text{FSM}}$ (2)

(2)式中， $k=2\text{π}/\lambda$ ，n₀是纤芯的折射率，β_FSM是基本空间填充模(FSM)的传播常数，是相对于无限大的PCF包层而言，所以β_FSM也是允许在包层传播的最大传播常数，由于传统阶跃光纤的β与k_n1有关，所以Birks等对其定义为 [6] ：

$n_{\text{eff}}={\beta }_{\text{FSM}}\cdot k$ (3)

(3)式中 $k=2\text{π}/\lambda$ 。通过(2)式可知，纤芯的横向波矢k_T介于0到 $k_{\text{Tmax}}={\left(k^{\text{2}}{n}_0^2-{\beta }_{\text{FSM}}^2\right)}^{1/2}$ 之间，再根据纤芯和包层的边界条件量化k_T，这样V值就由ρk_Tmax获得，其中孔间距 $\Lambda$ 可粗略的认为是缺陷的纤芯的半径，所以PCF的有效归一化频率可被确定 [6] ：

$V=\frac{2\text{π}\Lambda }{\lambda }\sqrt{n_0^2-n_{\text{eff}}^2}$ (4)

(4)式中 $\sqrt{n_0^2-n_{\text{eff}}^2}$ 为PCF的数值孔径，通过公式可看出，V不但与波长有关还与孔间距 $\Lambda$ 有关，同时Birks等人也给出了V与 $\Lambda /\lambda$ 的关系，发现当 $\Lambda /\lambda$ 趋于无限大，也就是波长趋于0时，V趋于一个常数，所以只要设计好 $d/\Lambda$ 的比值，就可实现无限单模传输。

随后Niels Asger Mortensen和Jacob Riis Folkenberg对用石英棒替换一个空气孔作为纤芯的三角型PCF进行研究，详细地探究了V与 $\Lambda /\lambda$ ， $\lambda /\Lambda$ 与 $d/\Lambda$ 的关系，发现当 $V<\text{π}$ 就可实现单模传输，而单模与多模的边界为 $d/\Lambda =0.406$ ，并给出了相应的关系式 [9] ：

${\lambda }^{\ast }/\Lambda =\alpha {\left(d/\Lambda -d^{\ast }/\Lambda \right)}^{\gamma }$ (5)

(5)式中α与γ为一常数， $d^{\ast }/\Lambda =0.406$ 。当 $d/\Lambda >d^{\ast }/\Lambda$ 时， $\lambda /\Lambda <{\lambda }^{\ast }/\Lambda$ 为多模传输， $\lambda /\Lambda >{\lambda }^{\ast }/\Lambda$ 为单模传输。当 $d/\Lambda \le d^{\ast }/\Lambda \left(0.406\right)$ 时，就可支持无限单模传输。

4.2. 数值孔径(Numerical Aperture, NA)

在阶跃型光纤中，数值孔径表示光进出光纤时的锥角大小，即束光能力的大小，是一个很重要的参数。高数值孔径的PCF是通过增大空气包层与纤芯材料的折射率差来提高数值孔径的。高数值孔径有利于提高耦合效率、传送高功率激光，尤其适合应用于激光尾纤、光纤传感、点火系统及包层泵浦等。

传统光纤的NA值定义为：

$NA=\sin \theta =\sqrt{n_1^2-n_2^2}$ (6)

公式(6)中n₁是纤芯的折射率，n₂是包层的折射率，可看出NA与材料和传输光波长有关。但在折射率引导型光子晶体光纤中，由上面知，NA值也按照传统光纤的公式来定义：

$NA=\sqrt{n_0^2-n_{\text{neff}}^2}$ (7)

(7)式中的有效折射率n_eff不再是材料的真实折射率，而是有效折射率，与包层的结构参数有关，当包层的孔径变化时，有效折射率n_eff也随之变化，所以通过计算可得出NA与 $d/\Lambda$ 的关系曲线，如图4，无论当 $\Lambda$ 还是d固定不变时，NA都随 $d/\Lambda$ 和λ的增大而变大 [45] 。

(图片来自《光谱学与光谱分析》，2010，30(7)：1908~1912。)

Figure 4. Relationship between NA and λ

图4. 不同d/Λ数值下NA与λ的关系

4.3. 有效模场面积与限制损耗特性

在光纤中，光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量在包层中传输，纤芯直径不能反映光纤中的能量分布。于是人们提出了有效面积的概念，其计算公式为 [46] ：

$A_{\text{eff}}=\frac{n_2{\left[{\displaystyle \iint E_{\text{t}}\left(x,y\right)\cdot E_{\text{t}}^{\text{*}}\left(x,y\right)\text{d}x\text{d}y}\right]}^2}{{\displaystyle \iint {\tilde{n}}_2\left(x,y\right){\left[E_{\text{t}}\left(x,y\right)\cdot E_{\text{t}}^{\text{*}}\left(x,y\right)\right]}^2\text{d}x\text{d}y}}$ (8)

(8)式中， $E_{\text{t}}\left(x,y\right)$ 是横截面的电场分布(*表示共轭)， ${\tilde{n}}_2$ 表示某点材料的非线性折射率系数。

通常包层微结构的空气孔层数是有限的，纤芯中传导的光从纤芯通过包层空气孔间隙泄漏到包层，从而造成光纤的传输损耗，称为限制损耗。基模的限制损耗值为 [47] ：

$L_{\text{c}}=\frac{40\text{π}}{\lambda \ln 10}Im\left(n_{\text{eff}}\right)\left(\text{dB}/\text{m}\right)$ (9)

(9)式中n_eff是基模的有效折射率，I(n_eff)表示基模有效折射率的虚部。

PCF的有效模场面积(A_eff)是由空气孔的直径d和孔间距Λ决定的，与光纤的尺寸无关，所以可以通过调节d和 $\Lambda$ 以及 $d/\Lambda$ 来调整A_eff。一般，包层的填充率的增大会有效的减小纤芯面积和纤芯–包层折射率差，使模场面积减小，但也不尽然。Vittoria Finazzi等人对三角形4环单实芯石英PCF的有效模场面积进行了详细分析，发现当纤芯直径( $d_{\text{co}}=2\Lambda -d$ )小于波长时，由于芯径太小而不能很好地限制光波，模场会迅速变大，有效模场面积随芯径的变化有最小值 [46] 。

在高功率激光器中，由于功率大，模场面积小，能量密度大，会导致显著的非线性效应，而且一些单模光纤中因耦合效率等因素，也需要大模场面积。所以，大模场单模PCF可以很好地解决这个问题。较小的包层空气填充率就可保证大模场面积，可是也会造成较大的限制损耗，从 [46] 可知限制损耗随有效模场面积与 $\Lambda$ 和 $d/\Lambda$ 都有关，我们选定 $d/\Lambda =m$ ，以 $d=m\Lambda$ ，代入

$d_{\text{co}}=2\Lambda -d$ (10)

得到

$d_{\text{co}}=\left(2-m\right)\Lambda$ (11)

从(11)式可知，令 $m=0.6$ ， $\Lambda =1.0\mu \text{m}$ 时， $d_{\text{co}}<\lambda$ ，A_eff随 $\Lambda$ 增大而减小， $\Lambda =1.2\mu \text{m}$ 时， $d_{\text{co}}>\lambda \left(1.55\mu \text{m}\right)$ ，A_eff随 $\Lambda$ 增大而增大，即把A_eff与芯径的关系转换成了A_eff与孔间距的关系，如果 $\Lambda <1.2\mu \text{m}$ 时，限制损耗随A_eff的减小而减小，当 $\Lambda >1.2\mu \text{m}$ 时，限制损耗随A_eff的增大而减小，限制损耗并不是随有效截面积单调递增或递减。所以在设计PCF时，如果时，我们在追求大模面积的同时，不能忽略随之增大的限制损耗，一定要综合考虑。

4.4. 高双折射与保偏性能分析

理想的单模光纤的横截面及折射率分布是高度对称的，可以传输两种基模HE₁₁^x和HE₁₁^y，这两种基模相互正交且具有相同传输常数 ，因此这两个基模是相互简并的。但实际的光纤并不是那么完美，例如，由于截面形状的不对称或者横截面应力的存在，x和y方向折射率有区别，导致模式简并特性被破坏，两模式的传播常数存在以下差别：

$\Delta \beta =\left|{\beta }_{\text{x}}-{\beta }_{\text{y}}\right|$ (12)

(12)式中β_x和β_y分别是x轴和y轴的传播常数，双折射的值一般用模式双折射B来衡量：

$B=\Delta \beta /k_0=\left|{\beta }_{\text{x}}-{\beta }_{\text{y}}\right|/k_0$ (13)

将HE₁₁^x和HE₁₁^y模式的有效折射率 $n_{\text{eff}}^{\text{x}}={\beta }_{\text{x}}/k_0$ 和 $n_{\text{eff}}^{\text{y}}={\beta }_{\text{y}}/k_0$ 代入(13)式可得：

$B=\left|n_{\text{eff}}^{\text{x}}-n_{\text{eff}}^{\text{y}}\right|$ (14)

B即是两个正交偏振模的有效折射率之差，差值越大保偏性能越好。PCF中获得高双折射一般通过提高几何尺寸的非对称程度或改变某一方向的应力等方式。提高非对称性的方法有：改变纤芯附近的空气孔的形状、尺寸或排列，改变包层空气孔的形状、尺寸或排列。提高某一偏振方向上的应力的方法有：在空气孔中填充各向异性材料。传统光纤的双折射一般在10⁻⁴的量级上，而光子晶体光纤已经到了10⁻²的量级 [32] ，具有优越的保偏性能。这与PCF特殊的纤芯和包层的结构参数有关，如椭圆形单实纤芯三角形PCF，纤芯椭圆率 $\eta =d_{\text{y}}/d_{\text{x}}=1$ (d_x和d_y为椭圆的短轴和长轴)时，即为圆形，双折射B = 0，当η偏离1时，双折射不断增大，并且随着纤芯面积S的减小，双折射B越大 [48] 。当纤芯的形状和大小不变，改变包层孔径d和孔间距 $\Lambda$ 的大小，双折射也会相应的变化，同一波长在不同的孔间距具有不同的双折射，且每一模式下双折射曲线都有一个峰值 [48] 。

4.5. 非线性效应

PCF可以实现超连续谱的产生、光孤子效应和波长变化等非线性效应。非线性系数是光纤性能的重要参数，其计算公式如下：

$\gamma =\frac{2\text{π}{n}_2}{\lambda A_{\text{eff}}}$ (15)

(15)式中，n₂是背景材料的非线性折射率系数，A_eff是有效模场面积。传播光波长一定时，一般通过增大n₂或者减小A_eff来增大非线性系数。上面已经提到A_eff与孔径d和孔间距 $\Lambda$ 有关，所以γ与d和 $\Lambda$ 也有关系，在背景材料和λ确定的情况下，非线性系数γ与A_eff成反比。如图5所示，当空气孔径不变时，非线性系数随波长和孔间距变大而减小 [49] 。

Figure 5. Relationship between nonlinear coefficient and wavelength

图5. 不同孔间距下非线性系数与波长的关系

4.6. 色散

在光纤通信中，光纤色散会直接导致光脉冲展宽，从而导致信号的失真，所以色散是衡量光纤性能的一个重要参数。PCF的总色散可近似为 [47] ：

$D\approx D_{\text{m}}\left(\lambda \right)+D_{\text{w}}\left(\lambda \right)$ (16)

(16)式中D_m(λ)为材料色散，D_w(λ)为波导色散，计算公式如下 [47] ：

$D_{\text{m}}\left(\lambda \right)=-\frac{\lambda }{c}\frac{{\text{d}}^2{n}_M}{\text{d}{\lambda }^2}$ (17)

$D_{\text{w}}\left(\lambda \right)=-\frac{\lambda }{c}\frac{{\text{d}}^2\mathrm{Re}\left(n_{\text{eff}}\right)}{\text{d}{\lambda }^2}$ (18)

材料色散与光纤的结构无关，一旦背景材料确定，其材料色散就确定下来，可通过Sellmeier公式求得。而波导色散与n_eff的实部有关，前面提到n_eff与包层的参数有关，所以D_w(λ)与包层结构参数d和 $\Lambda$ 有关，即光纤总色散D与PCF结构参数相关。2017年邹辉等人在三角形PCF中引入类矩形栅格和三角形栅格排列两种圆形空气孔，通过改变矩形栅格大空气孔径d₂和小空气孔的间隔 $\Lambda$ ，得到X偏振态的色散系数与波长的关系，如图6，可以看出该光纤的X偏振态具有两个零色散点，并且通过改变包层结构参数，在同一波长下，可获得不同的色散系数 [12] 。

(图片来自《激光与光电子学进展》，2017，54(12)：1-12。)

Figure 6. Relationship between dispersion coefficient and wavelength

图6. 不同孔径和间隔下色散系数与波长的关系

5. 光子晶体光纤的理论分析方法

如上所述，与传统光纤的设计不同，PCF是一种全新的波导，其特性与光纤内部灵活多变的复杂结构息息相关，如果想获得具有一定特性的光子晶体光纤，首先要设计这些空气孔的位置、大小、间距及占空比等波长量级的特征参数，再根据电磁场理论研究方法对其结果分析，但正是由于其自身的结构复杂性，使得这样操作比较困难。所以，为了精确地对其分析和计算，以便快速地获得目标特性的PCF，一般先采用数值研究的方法来模拟计算。数值研究方法主要有时域有限差分法、有限元法、光束传播法等通用性强和结果可靠的数值方法，以及有效折射率法、多极法、平面波展开法等针对性强的数值方法。

时域有限差分法(FDTD)是在Yee氏网格空间中，将带有时间变化的麦克斯韦方程转变为有限差分的形式，网格上的电磁场分量只与其相连网格上的电磁场分量有关。此法可直接模拟电磁波的传播及电磁波与物体的相互作用过程，简单直接，易于编程，并且可减少计算量，但不太适用于晶格结构复杂的PCF的计算。

有限元法(FD)是以有限元原理为基础而产生的数值研究方法，即将研究区域网格化，然后取得对应的插值函数，使得研究域转化为一定数目的单元格子，然后利用边界条件解决研究问题，所以研究的准确度与格子的数目相关，但格子数目过多会导致计算量的大幅提升。此法从部分到整体，极大地简化了分析过程，并且合理的划分网格数目与边界条件结合，能够解决大部分电磁场中的研究问题，也能提高计算速度，广泛地吸引了各国研究者们的注意。

光束传播法(BPM)是在给定初始场的前提下，逐步地计算出各个传播截面上的场分量，最初是以快速傅里叶变换，对标量波动方程进行计算，获得标量场，但不能分辨出场的不同偏振以及场之间的耦合。后来Yevick等提出了有限差分光束传播法，将波导截面分成很多格子，用差分方程表示每个格子的场，带入边界条件，就得到整个横截面的场分布，不断重复上述步骤，即可得到整个波导的场分布。

有效折射率法将PCF的包层等效为单一材料，与纤芯的折射率不同，此法可将复杂的问题简单化，并可使用常规光纤的研究方法来对PCF研究。此种方法计算简便，易被理解，但不能精确地预测色散、偏振等模式特性。

平面波展开法是利用线性叠加的平面波代替所要研究的电磁场，根据对其处理获得所需的本征方程，通过求解本征方程可以取得研究区域电磁场的整体分布情况，进而获得禁带范围。此法精确度很大程度上取决于平面波叠加式中的项数，但过多的项数会大幅提高计算量。

多极法以傅里叶–贝塞尔函数为基础，利用该函数展开的模场和合理的边界条件，再联立独立空气孔对应的函数，即可取得电磁波的传播常数。此法只适用于圆空气孔的PCF的计算，能够获得复数形式的传播常数，其实部和虚部能够分别用来研究限制损耗和色散特性，如果气孔数较少，此法速度很快，且准确性也很高。

利用上述方法编写的分析PCF的仿真软件很多，例如CUDOS、BeamPROP、COMSOL等仿真应用软件。CUDOS仿真软件是悉尼大学利用多极法编写的，在该软件中，可通过编程给出光纤结构、材料的折射率和入射波长等参数，计算出基模场、基模等效折射率等；BeamPROP是由Rsoft公司开发的，不仅能仿真出PCF中传播的基模和高阶模，也能给出传播方向上光的传输和耦合情况。如图7所示，是利用BeamPROP软件模拟的单芯六角石英PCF的基模模场和折射率分布的端面图。COMSOL仿真软件由中仿科技公司开发，该软件利用有限元法对PCF的传输特性进行仿真。

6. 光子晶体光纤的制备方法

光纤制备方法的发展进步是影响PCF实用化的基础，从光子晶体光纤的诞生开始，人们就在不断地改进和发明制备PCF的新方法，寻求操作简单的PCF制备方法。较为常见的方法有堆积法、挤压法 [50] 、溶凝胶制造法 [51] 、模具铸造法、钻孔法等。下面就对这几种方法进行介绍。

Figure 7. (a) Fundamental mode profiles; (b) Refractive index profiles

图7. (a) PCF端面的基模模场分布；(b) PCF端面的折射率分布

Figure 8. (a) Preform by stacking-capillary method; (b) Preform by drilling method

图8. (a) 堆积法制备的预制棒；(b) 钻孔法制备的预制棒端面

堆积法较为简单，世界上第一根PCF就是利用手工堆积毛细管完成的 [5] 。堆积法也是现阶段制备PCF的最主要和常用的方法。其制作可分为三个步骤：第一步，根据性能要求设计光纤结构、毛细管的数量和尺寸等；第二步，用光纤拉丝塔将石英管和石英棒拉制成具有精确外径的毛细管和细棒，把这些毛细管按合适的长度截断，按照预先设计的形状排列，并用特殊的粘合剂将它们固定，用准备好的棒或管并替换其中的一根或几根毛细管作为纤芯，然后放到一根粗的石英管内，制成预制棒，如图8(a) [52] ；第三步，将PCF预制棒放到光纤拉丝塔上，设置好参数进行拉丝。

挤压法与堆积法类似，也是根据预制棒的制作方法命名的。首先根据PCF的结构，设计相应的模具，然后将要制作光纤的基质材料加热到熔融状态，灌入模具中，在高温高压下，将熔融的玻璃或塑料通过模具挤压出PCF预制棒。挤压法已成功应用到制作PCF中 [53] 。

溶胶–凝胶法最早由美国OFS公司提出，其方法如下：首先根据PCF性能制作铸造模型，内有一系列金属棒，再填充高pH值纳米尺寸的硅胶颗粒；随pH值降低发生从溶胶到凝胶的变化；在凝胶过程中，抽走金属棒，则在凝胶体内留下圆柱形的空气孔；用热化学方法处理凝胶体以消除水蒸气、有机物和金属污染；在约1600℃的温度下，将干燥的多孔凝胶体烧结成粘性玻璃，最后送入拉丝塔拉制成光纤。

模具铸造法的制作过程也较为简单，早在2001年时，Choi等就通过浇铸法制备出按六方排列3层的聚合物PCF [54] 。通常是先根据设计的PCF的结构制作模具，然后将加热至熔融态的背景材料注入模具中，等到冷却定型后，将模具拆掉获得PCF预制棒，最后将预制棒送入拉丝塔中进行拉丝 [55] 。燕山大学的周桂耀等在2006年报道了一种无间隙孔的玻璃光纤制造新模具铸造方法，此方法不但可有效地阻止高温时PCF包层孔形变，也提供了一种无间隙孔PCF的制作方法且适宜于大批量的生产 [56] 。

钻孔法也是一种制备预制棒较为直接的方法。该方法一般与超声波技术结合，使打孔时钻头对玻璃摩擦力和挤压力较小。首先是设计PCF的结构，然后编程输入机床的控制系统，之后在机床上对准备好的圆柱形背景材料进行打孔来获得预制棒。2005年南安普顿大学的Feng等人用钻孔法制作了SF6玻璃的PCF预制棒 [57] 。图8(b)为使用钻孔法制得的预制棒。

制备PCF的方法很多，但对于不同背景材料的PCF，其预制棒的制作方式也不相同，且各有优缺点，如表1所示。

Table 1. Preparation methods of PCF

表1. 各种PCF制备方法的对比

7. 不同材料及结构光子晶体光纤的特点

第一根PCF使用石英制作，随后也出现了大量的不同结构和不同特性的PCF，但背景材料一般都是以二氧化硅为主，随着科技的进步，单一石英材料PCF的性能显现出自身的局限性：较窄的光学透过窗口(仅覆盖0.3~2.5 μm)、小的三阶非线性系数、较大的声子能量等。所以其已不能满足科学发展的需要，而且随着近年来PCF制备工艺技术的改进和成熟，人们开始尝试使用其它材料来制作PCF，来寻求更新奇的性能，以应对更高需求的应用。这些不同材料大部分也是按照传统光纤的制备材料来分类的，如磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、硫化物玻璃、硼酸盐、铝硅酸盐、肖特(SCHOTT)玻璃、聚合物玻璃、铋玻璃等等。除了上述的这些材料，人们还在一些不同结构PCF中填充各类气体、液体和固体等材料，以及制作或集成多芯PCF，来实现一些特殊的功能。下面就几种常用材料制作的PCF的性能特征和应用进行介绍。

相对石英玻璃，磷酸盐玻璃具有较高的稀土溶解度，所以瓦级功率输出所使用的磷酸盐光子晶体光纤(Phosphate Glass PCF)甚至不到10 cm，较短的光纤长度也降低了非线性效应，并在在结构紧凑、小巧灵活的激光器应用中有着很大的发展前景。自2005年Li等第一次使用磷酸盐PCF设计激光器获得了3瓦的输出功率后 [58] ，Franczyk等人在2014年仅用了6 cm长的掺6 mol%磷酸盐PCF将斜效率提高到了36.2%，实现了9 W (150 W/m)的激光输出 [59] ，这是当时单模磷酸盐光纤激光器里的最高值。中国科学院上海光学精密机械研究所也在2011年利用堆积法制做出了大芯径磷酸盐PCF [60] ，并在2014年首次提出了掺稀土离子的软玻璃全固态光纤概念 [61] [62] 。该方案利用低折射率的磷酸盐玻璃取代了空气孔，避免了空气孔的存在带来的缺陷，使得全光纤激光器成为可能，同时磷酸盐玻璃的使用也显著地提高了光纤的泵浦吸收率和非线性阈值。2015年Wang等人利用自行制备的6 wt%掺镱的高质量磷酸盐玻璃，成功制备了纤芯直径为17 μm单模输出、保偏的磷酸盐全固态PCF，在~40 cm的光纤中实现了13.8 W的激光输出，同时通过改变光纤对称性，实现了该种光纤的保偏输出，保偏度达85%，该研究结果发表在Scientific Reports [62] 。

碲酸盐玻璃具有宽的增益带宽、大的透光区域(0.35~6 μm)、较低的声子能量(~750 cm⁻¹)、高稀土离子掺杂浓度、高非线性系数、较好的热稳定性和化学稳定性。因此碲酸盐光子晶体光纤(Tellurite Glass PCF)在放大器、偏振分束器和红外波段超连续谱光源等器件上有着重要的应用。第一根碲酸盐PCF由英国巴斯大学制备出，该光纤在1550 nm处的非线性系数为47.8 W⁻¹km⁻¹ [50] 。Feng和Monro等人制作了第一根单模碲酸盐PCF，其在1550 nm处的非线性系数达到了580 W⁻¹Km⁻¹，是标准石英光纤的580多倍 [63] 。在2014年，Wei等人用椭圆形碲酸盐玻璃作纤芯，在1550 nm获得了高的双折射为7.66 × 10⁻²和非线性系数达到了3400 W⁻¹km⁻¹的光子晶体光纤 [64] 。美国塔夫茨大学的Domachuk和英国巴斯大学的Cordeiro等人在2008年用脉宽为100 fs的1550 nm激光器作泵浦源，在一段0.8 cm长、芯径为~2.7 μm的碲酸盐微结构光纤中获得了带宽为4080 nm的SC光源，其光谱覆盖789~4870 nm [65] 。燕山大学的刘等人对基于碲酸盐制作的偏振分束器进行了一系列的研究，发现随着光纤长度的缩短，消光的带宽增加(>284 nm)，当长度小于510 μm，在1.55 μm处消光比20 dB，可应用在大容量、宽带宽和集成的光通信系统中 [66] 。

硫系玻璃光子晶体光纤(Chalcogenide PCF)由于其材料具有优良的中远红外透过性能(约0.5~25 μm)、高折射率(约2~3.5 × 10⁻²)和极高的非线性折射率(n₂约为2~20 × 10⁻¹⁸ m²/W) [67] 等特性，利用这些特性，硫系玻璃PCF可应用在超连续谱、拉曼放大、中红外传感、中红外激光器等领域。第一根硫系PCF是由南安普顿大学于2000年报道的，基于Ga-La-S玻璃制作成的 [68] 。随后人们发展了各式各样结构的硫系PCF，但都是在不断探索和发展其特性。例如超连续谱在光学、医学及度量学等领域有着重要的应用，人们已经利用硫系PCF在中红外产生很多范围超连续谱 [69] [70] [71] ：用不同波长脉冲激光器抽运As₂S₃、As₂Se₃、Ge₁₅Sb₂₀S₆₅等硫系PCF，已获得了0.7~1.7 μm、2.1~3.2 μm、2.9~4.6 μm和8.5~11.6 μm的超连续谱。硫系PCF借助其极高的折射率，使自身具有很高的非线性系数，Fatome等人制备的As₄₀Se₆₀PCF的非线性系数高达2000 W⁻¹Km⁻¹ [70] 。宁波大学的曹凤珍等人利用硫系光子晶体光纤色散可控特性，设计了在3~5 μm宽波段实现色散平坦，且色散绝对值低于3.8 ps∙nm⁻¹km⁻¹ [72] 。

聚合物光子晶体光纤(Polymer PCF)可以由聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸脂(Polycarbonate, PC)、聚苯乙烯(Polystyrene, PS)、COC (Cyclic Olefin Copolymer)和全氟树脂等多种光学聚合材料制备，制备材料的多样性正是聚合物POF的优点之一。不同聚合物材料的玻璃化温度、透光率阿贝数、密度、折射率、热膨胀系数、吸水率以及机械性能各异，可以满足各种不同的应用需求 [73] 。第一根Polymer PCF是由澳大利亚悉尼大学光纤技术中心的Van Eijkelenborg等人于2001年用聚合物材料聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)制备的，测试结果表明该光纤可以实现单模传输 [74] 。聚合物PCF与石英PCF相比，一个最大的优点就是制备方法灵活多样 [52] ：钻孔法、挤出法、模具浇注聚合法、注塑法等多种工艺均可。而近年来聚合物PCF在传输、生物、传感、降低损耗和太赫兹波等方面也屡见报道：Shi等人在50 m长的聚合物POF上获得了7.3 Gb/s的传输 [75] ；Woyessa，等人2017年报道了基于PMMA制作的温度和湿度布拉格光栅微结构光纤传感器，测量范围在10%~90%RH和20℃~80℃，均方根偏差分别为0.8% RH和0.6℃ [76] ；Ren等人报道了一种基于聚合物POF的高灵敏度和无需标记的生物传感器，在600~840 nm的区域内的生物膜层的分辨率高达0.012~0.015 nm [77] ；空芯聚合物PCF实现了在850~1750 nm波长区域低损耗传输，像PC基质的Kagome型聚合物 PCF在1550 nm处实现了3.1 dB/m的“超低损耗” [78] ；而结合聚合物在太赫兹波段良好的传输性能和微结构光纤的结构特性，使得聚合物PCF用于太赫兹波导成为研究热点 [79] 。

PCF由于其结构灵活多变，表现出无截止单模传输、色散可调和高双折射等新颖的特性。近些年，人们在PCF包层或纤芯中的空气孔中掺杂或选择性填充材料(例如气体、液体和固体)来实现一些功能或开发具有独特性能的器件。气体和液体相比固体较容易注入PCF中，也使得充入气体和液体的PCF得以较早地发展，并且报道相对较多。Trabold等通过受激拉曼散射在填充氢气的空心芯PCF上实现了高阶模的放大 [80] 。Rodrigues等利用气体填充的Kagome PCF，通过改变气体压力和输入脉冲特性，可产生高功率可谐调的相干紫外光 [81] 。Yang等人设计了一种温度传感器，在折射率引导型PCF中填充高折射率溶液，形成类似带隙效应，使其同时成为激光滤波器和探头。该传感器随着温度的增加，发射光波向短波偏移，而输出光强度随着带隙的运动而增高，从而实现温度的测量，通过波长调制和强度调制分别获得了较高的温度灵敏度1.747 nm/℃和0.137 dB/℃ [82] 。研究人员用磁流体填充在PCF中，磁流体有效折射率随着外界磁场、温度的变化而改变，通过光谱仪检测PCF的输出损耗的改变，从而得出外界磁场或者温度的数值 [83] 。一般在PCF中填充固体材料多为金属 [84] 、聚合物 [85] 等功能性材料，而一些新的材料近年来也被不断地填充到PCF中。例如，Zhao等人于2013年首次展示了基于包层填充石墨烯PCF的饱和吸收特性，是通过光和包层填充的石墨烯层之间的倏逝波耦合作用产生的 [86] 。

多芯PCF是在同一根PCF的中心区域同时移除一些气孔，形成多个同时导光的纤芯。基于其设计更灵活、显著的非线性效应、大模场面积以及纤芯耦合等优势，在产生高功率超连续谱、制作高功率光纤激光器、制作传感器件、制作光器件和通信上，相对于单芯PCF更具优势。早在2000年，Blanchard等就报道了利用设计的三芯PCF制作了弯曲敏感的传感器，相比传统的传感器降低了成本 [87] 。2006年，Taylor等人利用多芯PCF演示了低串扰、高密度通道的通信方法 [88] 。2012年，重庆大学的刘敏等人设计了一种全内反射和光子带隙效应两种导光机制的混合双芯PCF，并制作了长度为5.2 mm的偏振分束器，在31 nm和60 nm的带宽范围内，分光比分别小于−30 dB和−20 dB，综合性能较好 [89] 。2014年，燕山大学陈月娥等人报道了一种双包层七芯PCF，该光纤能实现高功率、高光束质量的激光，这为制作高功率光纤激光器提供了新的解决方案 [43] 。2016年，Wei等人制作了七芯的双包层PCF，并利用该七芯PCF建立了一个转效率为74.3%的百瓦级的超连续光源 [90] 。2017年，Liu等人设计了纤芯掺杂液晶的七芯PCF，并第一次利用七芯PCF制作温度传感器，利用全矢量有限元法分析了有效模场、色散、限制损耗与温度的关系，结果显示该七芯PCF在制作温度传感器方面具有显著优势 [91] 。

空芯反谐振光纤是通过泄漏模导光的，当纤芯中掠入射光的横向传播常数与包层壁不发生谐振时，可看作是一个宽带导光窗口。这种光纤的结构尺寸一般较大，包层结构简单。最早由Benabid等提出kagome包层结构的空芯光纤，但是该空芯微结构光纤没有完整带隙特性，与光子带隙型光子晶体光纤的导光机理不同 [92] 。近年来，由于设备的完善和制作技术的进步，反谐振微结构光纤得到了较多的研究。2014年，Belardi等成功的制备了无节点空芯反谐振光纤，该光纤弯曲半径为2.5 cm时，在3.35 μm处的弯曲损耗仅为0.25 dB [93] 。王璞课题组在2016年报道了自制的高性能无节点空芯反谐振光纤，从1050 nm到1900 nm的波段范围内损耗为200 dB/km [94] 。由于光在空气中传播对环境温度不敏感，Van Newkirk等利用这个特性，用空芯反谐振光纤代替传统光纤，降低了由于温度造成的时延敏感度 [95] 。2017年，Wheeler等制备了具有低损耗、宽工作带宽和高模态纯度的空芯反谐振光纤，测得三种不同的优化的光纤在1.0 μm、1.55 μm和2.5 μm处的损耗分别为12.3 dB/km、13.9 dB/km和9.6 dB/km [96] 。

8. 光子晶体光纤的应用

PCF包层区域中以波长量级周期性或准周期性分布的空气孔使其具有传统光纤所无法比拟的特性，作为新一代优异的光学介质，它在激光器、传感、医疗、超连续光源、光纤通信等方面具有广泛的应用前景。

PCF在激光器中不仅可直接作为增益介质，也可起色散补偿和传输光能量等作用。并且由于具有大模面积、色散可调、数值孔径灵活可调、结构紧凑等特性，PCF光纤激光器具有更广泛的应用前景。自第一台大模场光子晶体光纤激光器问世以来 [97] ，大模场PCF可显著降低功率密度，减小非线性效应和提高损伤阈值等，使它成为光纤激光器中的一个新的研究热点。2008年，丹麦Crystal Fiber公司采用100 μm纤径和3957 μm²模场面积的棒状双包层PCF，获得了M² < 1.1，功率为2.53 kW的单模激光输出。通过对该光纤的进一步研究，发现提高泵浦光源功率，可获得10 kW的激光输出。2012年，天津大学的Zhang等报道了脉冲重复率为55 MHz、脉冲宽度494 fs至1.24 ps、最大脉冲能量为49 nJ的大模场可调谐超短脉冲光子晶体光纤激光器 [98] 。2013年，上海光学精密机械研究所首次报道了基于溶胶-凝胶法制作的Yb³⁺、Al³⁺和P⁵⁺共掺石英玻璃的大模场PCF，在1040 nm处获得了34.6 W的输出 [99] 。接着，2015年在Scientific Reports上报道了大模场单模掺钕石英玻璃全固态PCF，该光纤纤芯直径45 μm，在1064 nm处获得了0.8 W的M²为1.18的单模激光输出 [100] 。PCF的色散灵活可调特性可应用于脉冲锁模激光器，能有效地补偿谐振腔的色散并将脉冲进行压缩。早在2003年，Südmeyer等人利用PCF将Yb:YAG激光器输出880 fs脉冲压缩至30 fs [101] 。Abedin等人利用长度为20 cm的零色散波长位于1065 nm的PCF压缩脉冲，得到了中心波长1070 nm、脉冲宽度为20 fs的脉冲输出 [102] 。如今的超快脉冲PCF激光器已达几十飞秒的脉冲宽度。除上述报道，利用PCF的特殊性在结构紧凑、小巧灵活和体积小的激光器或在长度较短的光纤激光器实现高功率输出的应用中也都有着很大的发展前景 [58] [103] 。

近年来PCF的制作工艺的越来越成熟，基于PCF的传感技术的发展，使得其在温度、应变、压力、折射率等参数的传感测量方面，比传统光纤具有更高的灵敏性和精度，被用于研制气体、液体、生物、压力等各类传感器，并且已在环境检测和生物传感等领域得到广泛应用。目前PCF传感器按原理一般分为以下几类：吸收型PCF传感器，PCF光栅传感器，干涉型PCF传感器，荧光PCF传感器。吸收型PCF传感器一般是将气体或液体等介质填充在PCF的孔洞中，光在通过PCF后，透射光强度会衰减，或者随外界环境的变化，透射光发生改变，通过强度探测或光谱分析来测量介质的浓度和成分或者测量外界环境的变化量。例如，香港理工大学的Hoo和Jin等人在PBG-PCF中填充气体，通过监测通过气体的光的衰减来测定气体的浓度，由于PBG-PCF中约95.45%的光功率与气体相互作用，所以相比TIR-PCF具有更高的灵敏度 [104] ；深圳大学的Yu等人设计了一种乙醇填充的温度传感器，当外界温度变化，透射光的强度随之而变，可实现温度的测量，实验上用10 cm长的PCF传感器获得了0.315 dB/℃的灵敏度 [103] 。PCF光栅传感器利用光纤光栅的传光性能随外界条件(温度、折射率和应变等)的变化而变化。例如Martelli等人利用光纤布拉格光栅长度随温度和应变的变化，来改变传光性能，从而制成PCF光栅温度和应变传感器 [105] ；Maity等人于2014年提出了超灵敏长周期PCF光栅传感器，通过测量该长周期光栅的两个谐振波长峰之间的差随温度、应变和折射率的变化，来确定被测物理量的大小，可制成高性能多参数传感器 [106] 。干涉型PCF传感器大多是基于纤芯基模和包层模式之间的干涉，一束光分成两部分别在纤芯和包层传播，并在汇合时发生干涉。Zhou等人报道了一种折射率计，该传感器是基于双芯PCF的Michelson干涉仪，可在1.34~1.37的折射率范围内实现800 nm/RIU的分辨率 [107] 。荧光PCF传感器基于PCF的截面可灵活设计，增加荧光的吸收面积和接收角，荧光经PCF传输，通过探测器检测，实现对样品的定量分析。Konorov等人报道了一种非接触式荧光检测方法，用半导体激光通过PCF纤芯照射在样品上激发出荧光，然后利用较大的薄层区域收集荧光，反向传输到监测装置上，可以测量样品的性质或通过荧光的变化来测量外界环境参量 [108] 。总之，PCF由于其光子带隙的独特性，使PCF传感元件具有许多传统光纤无法比拟的特性，在光纤传感中的应用越来越广泛。

超连续谱是通过高功率皮秒或飞秒脉冲耦合进光纤中，激发多重光学非线性效应(四波混频、自相位调制、交叉相位调制、拉曼效应、光孤子自频率频移等)而实现的激光频谱展宽。超连续谱光源应用领域广泛，尤其是在生物医学中，已作为医学领域中各分析仪器(流式细胞仪，荧光显微成像，光学相干层析、共焦显微生物医学分析等)的一种主要的光学器件，其提供了强有力的技术支持。PCF中产生的超连续谱具有光谱范围宽、色散平坦、损耗低、功率高、容易实现零色散等优势：Belli, F.利用充氢气的kagome PCF实现了从124~1200 nm的超连续谱 [31] ；天津大学姚建铨课题组在2005年用钛宝石OPA对PCF泵浦，获得了300~1350 nm的超连续谱，同时发现如果泵浦波长靠近PCF的零色散波长，超连续谱的平坦性越好、宽度越宽 [109] ；Ebnali-Heidari等人在PCF中填充光学流体来控制色散，实现了低损耗、超平坦色散，通过模拟发现用中心波长位于1250~1625 nm的飞秒脉冲可实现640~1180 nm的超平坦超连续谱 [110] ；2014年国防科学技术大学谌鸿伟等人报道了用七芯PCF实现了百瓦量级超连续谱，谱宽为750~1700 nm，平均功率为104.2 W [111] 。如上所述，PCF超连续谱具有如此多的优异特性，自超连续谱在PCF中产生以来，在生物医学领域迅速推广和发展。Nagahara等人在2004年用钛宝石激光器对PCF泵浦，将获得的超连续谱耦合进扫描近场显微镜的光学探针中，实现了宽谱段扫描近场光学成像和样品吸收透射光谱测量，并且在740~830 nm探针脉冲的时间精确度为1~2 ps [112] 。Isobe等人用钛宝石飞秒激光器对4.5 mm长的PCF泵浦获得近红外波段的超连续谱光源，该波段同时涵盖了三种荧光染料的最优激发波长，从而达到三波长双光子荧光同步显微成像 [113] 。采用PCF产生的超连续光谱也被人们用于荧光寿命成像显微，并可通过调节泵浦源来调节超连续谱光源。光学相干层析成像是一种三维层析成像技术，在医学细胞、血液分析中具有重要作用。Humbert等人在2006年将PCF产生的超连续谱作为光源引入光学相干层析成像系统中，并在没有使用滤光片的条件下，中心波长位于809 nm，在自由空间得到了1.5 μm的纵向分辨率 [114] 。

PCF众多的优异性和独特的结构，不仅在激光、医学和传感领域广泛应用，PCF还作为一种新型的光器件和光传输介质为光纤通信带来了新的活力。2003年，日本电报电话公司(NTT)就在光纤通信(OFC)会议上报道了他们研制的长度10 km、损耗为0.37 dB/km的PCF，其研究人员随后进行了波分复用实验，传输速率达到80 Gbit/s。2007年Anonymous利用PCF在可见光波段实现了10 Gbit/s的传输速率 [115] 。2006年，Kwok等人报道了利用平坦色散PCF获得了超宽带宽(>100 nm)全光波转换，转换速率为10 Gbit/s [116] 。西安邮电大学的Hui等人于2014年基于平坦色散高非线性PCF中的自相位调制原理，实现了1至8个不同光波同时多点传送，速率为20 Gbit/s [117] 。2016年他们又基于单模、色散平坦、高非线性的PCF中的四波混频和交叉相位效应，通过实验实现了速率为10 Gbit/s、1至4个不同光波多点传送的非归零码到归零码的光调制格式转换 [118] 。PCF在光纤通信中各种功能的应用实现的同时，人们也在不断降低PCF的损耗，通过色散补偿、平坦、单模等特性，期望实现Tbit/s超高速率的光纤通信。

PCF应用广泛，涉及领域之多，除了上面介绍的几种应用，利用PCF还可制作放大器、保偏器、光开关、定向耦合器、波长转换器、化学反应器等。总之，PCF灵活的结构，造就了PCF的广泛应用，而且近来随着光子晶体光纤制备工艺的成熟和理论的完善，PCF的应用可谓“随处可见”，也促使其不断地向未知的技术和新领域拓展，相信PCF在不久的将来会在诸多领域起到举足轻重的作用。

9. 总结与展望

本文对PCF的发展历史、设计参数和特性、制备方法、不同材料的PCF及应用作了介绍。光子晶体光纤的无截止单模特性、高保偏性、高非线性、超宽波段的低色散和低损耗等性能，或利用其制作的传输光纤都已超越了传统光纤。特别，通过PCF制作的激光器、超连续谱光源、传感器、起偏器、放大器、光纤光栅和密集波分复用系统等，在激光、通信、生命科学等领域发挥了极其重要的作用，这些也都体现了PCF与众多不同领域技术结合的可能。所以，在将来发展光子晶体光纤更多新的特性与应用也是顺其自然的。现在PCF的制备工艺多样、相对成熟，已经可以开发生产各类PCF，但还需继续优化老工艺和开拓新工艺，降低生产成本，制备更多类型和性能更优异的PCF。目前大部分器件的尾纤都是传统光纤，所以PCF与器件的连接和熔接技术需要更进一步开发研究，让PCF获得更多的应用。可以预料，由于PCF自身的独特性，必定推动其在更多领域的发展，而且未来仍然是各领域研究的热点。

NOTES

^*通讯作者。