前言

光子晶體光纖（photonic crystal Fiber，PCF）的概念。與普通光纖是由包層與纖芯兩種介質組成向類比，光子晶體光纖通常是由單一介質構成的，其包層周期性地規則對稱分布著具有波長量級的空氣孔陣列，包層外為涂覆層。因此，也可以稱其為“多孔光纖”（Holey Fiber）或“微結構光纖”（Microstructure Fiber）。光纖的中心，即被空氣孔陣列包層包圍的纖芯部位，可以視為周期結構陣列中存在的“缺陷”。

光子晶體光纖的微結構特性主要由三個參量決定，即空氣孔的直徑d，相鄰兩孔之間的距離Δ，以及纖芯的直徑D。光子晶體光纖的這種微結構特定決定了它與傳統光纖的特性有很大差異。

一、光子晶體光纖的結構類型、機理與特性

根據纖芯缺陷部位的介質情況，可以將光子晶體光纖區分為兩類：纖芯可以是實心的，即與包層介質相同，稱其為折射率引導型光子晶體光纖。這種光子晶體光纖可視為由許多石英芯的細微管按照設計要求的六角形等做規則排列，纖芯缺陷處插入實心細石英棒，而后在高溫下通過數次復絲拉伸獲得；纖芯也可以是空心的（即為空氣孔），稱其為光子帶隙引導型光子晶體光纖。

圖1.折射率引導型光纖晶體光纖

折射率引導型PCF的傳光機理，與傳統階躍光纖的纖芯與包層界面處全反射的傳光機理類似。纖芯為石英材料，其折射率為包層則為由石英材料和空氣孔構成的二維光子晶體，其多孔的陣列結構有效地降低了包層的平均折射率（包層折射率可視為石英與空氣折射率的平均，并以空氣填充率加權），因而包層材料的有效折射率低于纖芯即其折射率差構成了與傳統階躍光纖類同的內反射傳光機理。為此，又稱之為內全反射（Total Internal Reflection）PCF，簡稱TIR-PCF。

圖2.折射率引導型光纖晶體光纖特征參數

由于PCF的特殊結構，使之具有一些常規光纖難以具有的特性。對于普通的階躍折射率光纖，滿足單模傳輸的條件是對于給定的光纖，對應著一個特定的波長 ，只有當工作波長時，才能保證單模傳輸；而對于光子晶體光纖，V參數同樣可以用來判斷PCF中的模式。但不同的是，通過適當的結構設計，如調節占空比，孔徑大小等可以使包層的有效折射率在一個很大的變化范圍內得到改變，而不再是常數。例如，可以獲得較大的相對折射率差Δ，其值甚至可超過常規光纖（約0.01）一個數量級以上。另一方面隨著波長的減小，光場越來越集中在折射率高的纖芯中，這相當于等效地提高了包層折射率，從而有效地減小了纖芯與包層之間的折射率差Δ，使得歸一化頻率V趨于恒定值，因而使之能在更大的波長范圍內滿足單模傳輸條件。這表明，當空氣孔直徑d與空氣孔間距Δ之比d/Δ＜0.15時，光子晶體光纖對任意波長的光（從紫外到紅外的全波長范圍內），均可保證單模傳輸。此即重要的PCF無截止的單模傳輸特性。這一特性具有重要的意義。

二、具體應用

例如，由于上述結論中不涉及PCF的纖芯直徑D，即與光子晶體光纖的纖芯直徑無關。這就意味著當我們將光子晶體光纖用于激光，特別是飛秒激光的產生、放大和傳輸時，可以將纖芯做得較大。從而在保證單模傳輸和光束質量的情況下，不僅大大提高其能夠承受的平均功率，而且大大減小了因非線性效應對飛秒激光峰值功率的限制。此即高功率非低線性的應用。正因為如此，用大模場光子晶體光纖研制的飛秒激光振蕩級可輸出高達10 W的平均功率而沒有脈沖分裂，放大器輸出功率高達數百瓦而能保持高質量的單模輸出。

結語：目前，大模場光子晶體光纖的纖芯直徑已經接近100 um，平均功率數百瓦的單模高光束質量的飛秒激光放大系統已經實現；也可將纖芯面積做得很小，從而可以極大地提高泵浦效率。