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一根細(xì)細(xì)的玻璃纖維(光纖)能夠把等同于上千本書的信息簡(jiǎn)直瞬時(shí)地傳輸?shù)綌?shù)百公里外。在現(xiàn)代通訊職業(yè)中，它早已代替了銅線，變成長(zhǎng)間隔信號(hào)傳輸?shù)妮d體。光纖自1966 年面世以來，大家開始尋求的目標(biāo)是盡可能地下降損耗。70 時(shí)代末，光纖已達(dá)到每公里只要4-5%能量損耗(0.2dB/km)，光信號(hào)能夠傳輸幾十公里;跟著科技的開展，到80 時(shí)代后期摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)面市，光信號(hào)能夠傳輸過程中增強(qiáng)，徹底解決了光纖損耗這一歷史性難題，完結(jié)了跨洋超長(zhǎng)間隔信息傳輸。光導(dǎo)纖維作為通訊職業(yè)一個(gè)充滿活力的新興力量，繁榮開展壯大起來。因而，具有 光纖之父 美譽(yù)的華裔科學(xué)家高錕在2009年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自1990年以來，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，使得大家對(duì)傳統(tǒng)通訊體系的請(qǐng)求不斷前進(jìn)，更大容量、更高速率、更長(zhǎng)傳輸間隔的光纖通訊體系隨之呈現(xiàn)。但在傳統(tǒng)的光纖體系中，存在著比如色散、非線性和下一代全光網(wǎng)絡(luò)中的邏輯器材功用簡(jiǎn)略(如:光開關(guān))的難題，這就需求有新的光纖技能和器材作支撐。

1、從傳統(tǒng)光纖到光子晶體光纖

1987年，Eli Yablonovitch等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些動(dòng)物體表有周期性規(guī)則擺放的細(xì)毛，能夠把某些顏色(對(duì)應(yīng)必定波長(zhǎng))的光徹底反射，而吸收其它波長(zhǎng)，展現(xiàn)出美麗的顏色，如圖1所示孔雀的茸毛和蝴蝶的羽翼外表呈現(xiàn)出艷麗的顏色。Eli Yablonovitch等將此類構(gòu)造命名為 光子晶體 。很快，這一構(gòu)造在光纖范疇得到了移植運(yùn)用。1992年，Phillip Russell等人提出 光子晶體光纖 (微構(gòu)造光纖中的一類)。光子晶體光纖是由一簇細(xì)微的石英毛細(xì)管依照六邊形周期性擺放，從橫截面上看去，就像是蜂窩構(gòu)造。因?yàn)閮?yōu)秀的傳輸特性，光子晶體光纖敏捷在全球遭到重視。

傳統(tǒng)光纖的構(gòu)造(如圖2，(a))通常是由兩種玻璃資料制成的，包括具有較高折射率的纖芯和較低折射率的包層，光經(jīng)過全反射的方法在高折射率資料的纖芯中傳達(dá)。光子晶體光纖可由單一原料制備(如：石英玻璃)，分為實(shí)芯和空芯兩種構(gòu)造。實(shí)芯光子晶體光纖的構(gòu)造，通常是由二維的毛細(xì)管依照六邊形構(gòu)成的陣列，最基地的毛細(xì)管被換成石英玻璃棒，構(gòu)成了光子晶體的缺點(diǎn)(圖2(b))，光則在這個(gè)實(shí)芯缺點(diǎn)中傳達(dá)。這種光纖的作業(yè)原理和傳統(tǒng)光纖挨近，經(jīng)過纖芯和包層不一樣的折射率傳達(dá)。這是因?yàn)榘鼘又泻锌諝饪?，使得包層的有用折射率小于纖芯折射率，光在纖芯內(nèi)構(gòu)成全反射?？招竟庾泳w光纖(圖2(c))也是只要二氧化硅一種原料，可是它與傳統(tǒng)光纖和實(shí)芯光子晶體光纖傳導(dǎo)機(jī)理徹底不一樣，空芯光子晶體光纖是選用光子帶隙原理，運(yùn)用光子帶隙效應(yīng)完結(jié)光在空氣中傳輸。光在這種光子晶體光纖中是經(jīng)過中心的氣孔傳達(dá)，所以沒有慣例光纖的傳輸窗口、損耗、色散等約束。

2、光子晶體光纖革命性優(yōu)勢(shì)

光子晶體光纖除了在外形上和傳統(tǒng)光纖存在區(qū)別以外，在規(guī)劃的自由度上也具有革命性優(yōu)勢(shì)。除了具有傳統(tǒng)光纖的特性，光子晶體光纖還能夠靈敏的調(diào)整纖芯或包層中空氣孔的巨細(xì)、間隔和幾許形狀，這些改動(dòng)使光纖有了更多的功用，也因而在多個(gè)方面逾越了傳統(tǒng)光纖。以下是幾個(gè)簡(jiǎn)略的比如：

(1)單一制作資料

首先，單一資料不易遭到溫度改動(dòng)的影響。假如光纖存在多種玻璃資料，而每種玻璃的熱膨脹系數(shù)不一樣，那么光纖在非恒溫運(yùn)用條件下的傳輸功用會(huì)隨之改動(dòng)，可能會(huì)造成信號(hào)紊亂，而單一資料光纖成品不存在相異的熱膨脹系數(shù)，極好的規(guī)避了溫差的約束，信號(hào)更為安穩(wěn)。其次，單一資料抗輻照功用優(yōu)越。假如在大氣層以外的環(huán)境中運(yùn)用傳統(tǒng)光纖，失掉大氣層維護(hù)的纖芯鍺會(huì)遭到宇宙射線的攪擾而發(fā)生化學(xué)改動(dòng)，光纖的功用就不再安穩(wěn)。而光子晶體光纖只要單一的石英玻璃，不會(huì)遭到種狀況的攪擾。并且，實(shí)芯光子晶體光纖是由純石英這一種資料制備而成，外部包層的多孔構(gòu)造使得包層的有用折射率低于纖芯，這么以來，確保了光繼續(xù)在纖芯中的傳輸。也能夠規(guī)劃毛細(xì)孔的間隔來操控光的形式。

(2)空芯傳輸

在空芯光子晶體光纖中，光在空芯中傳輸，避免了纖芯資料的自身的吸收和散射疑問，因而不存在傳統(tǒng)玻璃光纖中的傳輸窗口，全部波段都能夠傳輸光，且理論上可完結(jié)極低損耗。盡管因?yàn)榭招竟饫w的拉制缺點(diǎn)，如今的空心光子晶體光纖的損耗大于傳統(tǒng)光纖，跟著空心光子晶體光纖的出產(chǎn)工藝的逐步優(yōu)化，這一疑問將很快得到解決。一起，空芯光子晶體光纖的色散與包層構(gòu)造密切相關(guān)，改動(dòng)空芯光子晶體光纖的構(gòu)造能夠使零色散波長(zhǎng)極大的向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，并能夠完結(jié)各種特別的色散請(qǐng)求(如色散平整，色散抵償?shù)?。另外，光在空氣中傳輸，其非線性系數(shù)十分小，比傳統(tǒng)單模光纖低1000多倍，有利于抑制有害的非線性影響。

(3)便利制作

光子晶體光纖不需求運(yùn)用化學(xué)堆積等大型設(shè)備即可完結(jié)預(yù)制棒的制作。慣例光纖預(yù)制棒制備辦法是管內(nèi)化學(xué)堆積法，制備一根預(yù)制棒往往需求幾小時(shí)到幾十小時(shí)，并且存在有害氣體。光子晶體光纖預(yù)制棒是毛細(xì)管排管法完結(jié)的，數(shù)十根或上百根毛細(xì)管依照蜂窩狀擺放成型。不需求化學(xué)堆積，節(jié)約出產(chǎn)時(shí)間并且對(duì)環(huán)境無污染。跟著商場(chǎng)的逐步開辟，出產(chǎn)成本亦會(huì)大幅度下降。

3、光子晶體光纖的運(yùn)用及商場(chǎng)

(1)惡劣環(huán)境運(yùn)用的高功用保偏光纖

實(shí)踐運(yùn)用中常常需求堅(jiān)持光的偏振特性，這正是保偏振態(tài)光纖的用武之地。尤其是在光纖陀螺范疇，每年至少有1.5萬公里的運(yùn)用量。傳統(tǒng)領(lǐng)結(jié)型及和熊貓型保偏光纖是根據(jù)應(yīng)力雙折射，雙折射值通常在10-4量級(jí)。光子晶體光纖型保偏光纖，雙折射可做到10-3以上，比傳統(tǒng)保偏光纖高一個(gè)數(shù)量級(jí)，偏振堅(jiān)持才能更強(qiáng)。根據(jù)應(yīng)力雙折射的傳統(tǒng)保偏光纖，應(yīng)力區(qū)的引進(jìn)是取得高雙折射的根底。但當(dāng)溫度增加時(shí)，應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力逐步開釋，雙折射值逐步減小甚至消失，致使傳統(tǒng)保偏光纖在改動(dòng)溫度環(huán)境中安穩(wěn)性較差。保偏光子晶體光纖歸于幾許雙折射，纖芯與包層選用單一原料，共同的熱膨脹系數(shù);并且，空氣包層的網(wǎng)格構(gòu)造，能有用緩沖溫度大范圍動(dòng)搖致使的附加應(yīng)力，因而保偏光子晶體光纖具有杰出的溫度安穩(wěn)性，雙折射不隨溫度增加而減小。另外，傳統(tǒng)保偏光纖芯中摻鍺，在太空等光纖陀螺運(yùn)用范疇的輻射照耀環(huán)境下會(huì)增加損耗。光子晶體保偏光纖選用高純石英玻璃制備，高純的石英使光子晶體光纖有杰出抗輻照功用?？梢姡庾泳w保偏光纖對(duì)于在惡劣運(yùn)用環(huán)境下(如：太空輻照環(huán)境中)的高精度光纖陀螺，具有不行代替的效果。

(2)高功率光纖激光器和新型光纖傳感

光子晶體光纖選用毛細(xì)管堆疊拉制，激光器增益光纖和刻制光纖光柵所需求的在纖芯中的摻雜變得十分簡(jiǎn)單，只需在擺放時(shí)選用含有稀土元素?fù)诫s的毛細(xì)棒更換基地毛細(xì)管即可;光子晶體光纖能夠規(guī)劃成高數(shù)值孔徑(NA)包層，有利于泵浦光的耦合;一起能夠規(guī)劃成大模場(chǎng)、低非線性，可支撐高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出。

光纖激光器的商場(chǎng)無窮，一起高功率激光器在軍事、國(guó)防范疇也有主要運(yùn)用。IPG一家公司在2012年的一個(gè)季度就有逾越1億美元的銷售額。中國(guó)商場(chǎng)對(duì)光纖激光器的需求量也是無窮的。很多傳統(tǒng)制作業(yè)出產(chǎn)商拋棄老的加工出產(chǎn)方法，選用激光器做完結(jié)機(jī)械加工，這么不僅可削減碳排放，且商品質(zhì)量也會(huì)得到大幅前進(jìn)。可是，國(guó)內(nèi)仍然沒有一家公司能夠長(zhǎng)時(shí)間安穩(wěn)的供給摻雜光纖，這既是無窮的挑戰(zhàn)也是難得的機(jī)遇。

跟著物聯(lián)網(wǎng)的開展，傳感職業(yè)的商場(chǎng)份額正在日益變大。作為光纖傳感職業(yè)最早步入有用的主要傳感器，光纖光柵正起著越來越主要的效果。光子晶體光纖纖芯摻鍺可前進(jìn)光敏性，從而能夠制成光纖光柵。1999年，Ben Eggleton等科學(xué)家在纖芯摻鍺的光子晶體光纖中，選用紫外光掩模寫入法取得了布拉格光子晶體光纖光柵和長(zhǎng)周期光子晶體光纖光柵。與普通光纖光柵比較，光子晶體光纖光柵具有對(duì)外界折射率指數(shù)不敏感、高耦合系數(shù)和低包層模損耗等等長(zhǎng)處。光子晶體光纖光柵的呈現(xiàn)，正在有力地推動(dòng)著光纖光柵傳感技能的前進(jìn)和運(yùn)用范疇的拓寬。

(3)下一代通訊技能 - 空分復(fù)用，多芯光纖

受高容量光網(wǎng)絡(luò)需求的推動(dòng)，空分復(fù)用和多芯光纖等多種光纖構(gòu)造和功用立異在不斷涌現(xiàn)?？辗謴?fù)用，是一條光纜中的多組光纖經(jīng)過空間進(jìn)行復(fù)用的方法;多芯光纖則是一根光纖具有多個(gè)慣例纖芯，且纖芯相互之間攪擾很小?？辗謴?fù)用和多芯光纖，均可在很大程度上前進(jìn)傳輸體系的容量，有望變成下一代傳輸光纖。根據(jù)光子晶體光纖制作技能，制作多芯光纖是極其便利的，只需將相應(yīng)方位的毛細(xì)管更換為毛細(xì)棒即可(如圖2(d))。一起，能夠規(guī)劃每個(gè)纖芯周圍的包層，減小纖芯之間的最小串?dāng)_間隔，使相同直徑的光纖中容納更多的纖芯，前進(jìn)傳輸體系的容量。

光子晶體光纖經(jīng)過改動(dòng)包層中空氣孔的間隔及巨細(xì)，能夠很便利的改動(dòng)光纖的波導(dǎo)功用，因而能夠規(guī)劃具有特別性質(zhì)的光子晶體光纖，如：大模場(chǎng)面積光子晶體光纖，高數(shù)值孔徑光子晶體光纖，高雙折射光子晶體光纖，高非線性光子晶體光纖，色散平整光子晶體光纖，色散抵償光子晶體光纖等。能夠說光子晶體光纖在很多運(yùn)用范疇會(huì)逾越傳統(tǒng)光纖，將會(huì)在通訊，激光器和傳感范疇具有無窮的運(yùn)用潛力。僅全球的通訊光纖在2013年的運(yùn)用量逾越2.5億芯公里。因而，光子晶體光纖很快會(huì)在這個(gè)龐大的運(yùn)用范疇分到一杯羹。

4、中國(guó)研發(fā)出產(chǎn)的光子晶體光纖已達(dá)世界先進(jìn)水平

中國(guó)如今出產(chǎn)的光子晶體光纖現(xiàn)已達(dá)到了世界較先進(jìn)的水平。中國(guó)首家特種光纖產(chǎn)業(yè)公司武漢長(zhǎng)盈通光電技能有限公司，已研發(fā)出多種尺寸的保偏光子晶體光纖，出產(chǎn)的光子晶體光纖現(xiàn)已達(dá)到了世界較先進(jìn)的水平，也正在穩(wěn)步開發(fā)光敏性和空芯光子晶體光纖等商品。公司出產(chǎn)的保偏光子晶體光纖在1550nm波段損耗低于1.5dB/km以下。光纖包層及纖芯選用相同原料，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯現(xiàn)，其溫度敏感性上優(yōu)于傳統(tǒng)保偏光纖，全溫消光比改動(dòng)為2dB擺布，比較傳統(tǒng)保偏光纖具有很大的優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)盈通光電的技能總監(jiān)廉正剛博士說: 光子晶體光纖在航天，激光器，傳感等范疇中均體現(xiàn)出不行代替的優(yōu)勢(shì)，將來的商場(chǎng)會(huì)是無窮的。 。 如今，該公司正在對(duì)光子晶體光纖的熔接進(jìn)行試驗(yàn)，有望推動(dòng)光子晶體光纖的有用化進(jìn)程。

5、結(jié)語

光纖的開展已逾越了半個(gè)世紀(jì)。對(duì)于不一樣的運(yùn)用，光纖的資料和構(gòu)造規(guī)劃都在發(fā)生著演變。光子晶體光纖的呈現(xiàn)，使光纖出產(chǎn)商和運(yùn)用商耳目一新，它靈敏的構(gòu)造規(guī)劃自由度一起也招引了各大科研院所的濃厚興趣。盡管存在有無窮的潛在商場(chǎng)，可是如今中國(guó)具有光子晶體光纖研發(fā)和出產(chǎn)才能的公司寥寥無幾。武漢長(zhǎng)盈通光電公司方案進(jìn)一步豐富光子晶體光纖商品線，打破國(guó)外獨(dú)占，開發(fā)全系列光子晶體光纖商品，為光傳遞信號(hào)和傳輸能量供給最佳的特種光纖及全體解決方案。

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