空心光纤──让光在空气中传播

　　空心光子晶体光纤能够通过空气而不是玻璃导光，因此在很多应用领域它比传统的光纤更有优势并将最终取代传统的光纤。

　　光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤(PCF)是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型 —— 折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型光子晶体光纤可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。但是，在这些类型光纤中，大部分光线仍然在玻璃中传播。带隙波导型与空心光纤公认是光子晶体光纤技术中最具革命性创新，在这类光子晶体光纤中，通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。

　　采用空心，而不是传统掺杂高纯度硅纤芯，其优点是光纤性能不受纤芯的材料特性限制。传统光纤的损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等参数都要受到硅材料相应参数的影响。通过合理设计，空心光纤可以实现超过99%的光在空气中而不是在玻璃中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响。因此在很多重要领域，空心光子晶体光纤(HC-PCF)比传统光纤更有优势。

　　与传统光纤不同，光子晶体光纤不是通过全内反射导光。相反，光子晶体光纤导引光的原理与多层镜的反射原理非常类似。多层镜是通过众多介质面的同相反射达到全反射的效果。在空心光子晶体光纤中，二维微小空气孔阵列贯穿整根光纤，它们的作用就相当于多层镜的各个介质层。要将光限制在纤芯中，纤芯周围的小孔必须排成非常均匀的有规则的格子，同时，它们必须接近以至快要接触为止。这样，包层的横截面就类似一个由硅细丝网组成蜂巢，有时候细丝小到100 nm粗。这种网格相当于理想的反射镜，把光限制在纤芯中，但是网格的反射作用会受传播常数限制。因此，空心光子晶体光纤的光谱响应范围与传统光纤差异较大，它只能在一定频率范围内导光，典型值是在中心频率20%左右的范围。尽管这样，空心光子晶体光纤中的模式分布还是与传统单模光纤非常类似 (如图1。)

　　图1用来传输绿光硅基空心光子晶体光纤

　　制造

　　空心光子晶体光纤可以用标准的光纤拉制设备来制造。首先，将几百个薄壁毛细管堆积在一起制成半成品。然后经过套包层、拉丝、镀聚合物，得到尺寸和机械特性与标准单模光纤非常相似的光纤。目前，空心光子晶体光纤的制造工艺发展非常迅速，甚至可以制造长度不限、光学性质一致的光纤—— 至少由熔融石英玻璃制成的空心光子晶体光纤可以达到这样的效果。

　　因为实际上只有极少数光在玻璃中传输，所以空心光子晶体光纤的能量传输的能力要远远优越于传统的光纤。

　　虽然空心光子晶体光纤的传输带宽很大程度上由包层的光子带隙决定，但是芯的尺寸和形状以及空心周围固体材料分布的微小变化都会明显地改变光纤的光学性质。因此，当前很多研究工作围绕改善光纤设计以及相关制造工艺，就一点也不会让人觉得惊讶了。

　　损耗

　　以通信波段的空心光子晶体光纤为例，它的低损耗范围大约为 150 nm，中心波长为 1570 nm (如图2)。在这个范围之外，损耗会迅速增加。最小损耗是1.7dB/km，它被证明是目前空心波导可以达到的最小值(如图3)。在这种光纤的低损耗窗中存在着一些高损耗区域。这是由表面膜(所谓的表面膜是指在芯的玻璃-空气界面上或者附近的共振)造成的结果，在某些波长，表面膜正常衰减慢慢退化掉。在发生退化现象的波长位置，与表面相互作用的光会急剧增加，这不仅会导致光纤损耗的增大还会改变波导的色散特性。在实际的应用中，这些特征是不利的。然而，经过精心设计芯和包层，有希望排除这些不利因素。

　　光传输

　　尽管在长距离通信领域空心光子晶体光纤还无法挑战传统光纤，但是在其他几个方面的重要应用中，空心光子晶体光纤要优于传统的光纤，其中最值得注目的可能就是激光束传输。与传统光纤相比，空心光子晶体光纤的一个重要优点就是具有较高的损伤阈值。因为实际上只有极少数光在玻璃中传输，所以空心光子晶体光纤的能量传输能力要远远优越于传统的光纤。

　　图2应用于通信波段的低损耗空心光子晶体光纤的横截面的电子显微图。这种光纤在1550 nm波长处具有最小损耗1.7dB/km。

　　它们之间的另一个差异就是空心光子晶体光纤具有较低的光学非线性特性，这也是光与玻璃之间很少发生交叠的结果。关键是，纤芯中气体的非线性折射率要比固体硅的小大约1000倍，该气体使得空心光子晶体光纤的非线性特性比传统光纤的要小三个数量级。因此，不管是连续波还是短脉冲序列，都可以以非常高的功率在空心光子晶体光纤中传输，而且不会产生光谱的失真。实际上，空心光子晶体光纤可以设计成由芯内气体或者玻璃的非线性来决定整个光纤的非线性特性。另外，除了空气，还可以充入其它气体，从而能够从整体上完全控制光纤的非线性特性。

　　图3 增大空心光子晶体光纤，(图2所示)的芯可以降低损耗，但同时也带来更多的表面膜交叉，从而引起损耗光谱上出现许多尖峰。小的芯具有较宽带宽、平滑的光谱，但是损耗会增大。

　　值得注意的是，当脉冲宽度小于 1ps 时，新的制约因素开始显得重要了。脉冲的本征带宽开始和空心光子晶体光纤的低损耗窗口的宽度相比拟。另外，空心光子晶体光纤中的群速度色散意味着小于 1ps 的脉冲在光纤中只传播几米的距离就会发生明显的色散。然而，重要的是，空心光子晶体光纤的低非线性特性使得这样的色散不会伴随着明显的频谱失真，即使是脉冲宽度为100fs 、峰值功率达到典型锁模激光振荡器水平的脉冲也如此。

　　对于传统光纤，在非线性效应与色散的共同作用下，那么短的脉冲只传播几毫米就会很快被分裂开。空心光子晶体光纤的低非线性特性就意味着，只要能够适当的补偿光纤中的线性色散，比如在耦合进入光纤前用一块玻璃对脉冲进行预啁啾，那么脉冲在空心光子晶体光纤中就完全能够传播到好几米远。另一个可能性就是利用空心光子晶体光纤的低非线性特性来平衡线性色散，那样脉冲将可以在空心光子晶体光纤以孤子的形式传播。以前，在比较低的功率水平、在1500nm波段，利用传统光纤观测过光纤孤子。但是，空心光子晶体光纤可以在很宽的波长范围内传播峰值功率高达几个兆瓦的高强度脉冲。

　　展望

　　将来的研究主要是围绕进一步扩展和优化光纤设计、材料特性以及制造工艺等方面展开。减少损耗当然是一个主要的目标。虽然1.7dB/km是个重要的里程碑，但是在那些必须考虑损耗的应用下，用硅材料制成的空心光子晶体光纤代替，即使最好的传统光纤也是完全可能的。

　　另一个令人振奋的可能性是低损耗的光纤可以用相对高损耗的材料制成，其前提是实际只有少数光可以“看见”玻璃。这个特性在远红外波段(具有高度发达的玻璃制造技术)非常有意义，例如，可能引起波长为10.6μm的高功率光纤的发展。不仅如此，空心光子晶体光纤在光谱的另一端也取得了很大进展，最近第一个位于可见和紫外波段的空心光子晶体光纤已经商业化。尽管从1999年初次报导以来，空心光子晶体光纤技术获得了巨大进步，但是光子晶体光纤技术还是处于发展的初级阶段，因此，空心光子晶体光纤将继续向前发展。