光子晶体光纤
光子晶体光纤
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF）是一种具有特殊结构的光纤，其包层中包含周期性排列的微结构，如空气孔。这种独特的结构使得PCF具有许多传统光纤所不具备的优异特性，如色散可调、非线性增强等，在光通信、传感等领域展现出广阔的应用前景。
一、光子晶体光纤 vs 传统光纤
传统阶跃折射率光纤（SIOF）： 由两种均匀材料构成，依靠纤芯掺杂实现
光子晶体光纤（PCF）： 把微米级甚至纳米级微结构引入光纤剖面设计中，依靠微结构不同于一般均匀材料的色散、能带等特性。 整个光纤的外径通常和商用普通光纤保持一致，为 125um
导光基本原理：PCF中空气孔排列组成的光纤包层的有效折射率低于纤芯的折射率，而光总是趋向存在于高折射率材料中，因此光波可以被束缚在芯层里。
二、光子晶体光纤
2.1 光子晶体光纤的类型
（1）折射率导光型光子晶体光纤
（2）空心光子带隙光纤
2.2 折射率导光型PCF
- d代表孔的直径，
代表孔与孔的间距，d/
为包层多孔结构的占空比。 - 包层的等效折射率受d和
影响，折 射率导光型PCF的很多特性都可通过改变d和
的大小来调节。d和
通常与工作波长在一个量级上。 - 其包层的每个孔洞的大小及形状又可以不一样，甚至每两个相邻孔洞的间距也可以不一样。
- 这些因素大大增加了此类PCF设计的自由度。
2.2.1 折射率导光型PCF的模式
由于PCF不具备普通SIOF光纤的理想圆对称性，所有的模式都属混合模式，即不存在纯TE或TM模式 。若PCF包层微结构的占空比较高，则除基模外的高阶模式也存在。具较小占空比的PCF只支持基模传播 。
2.2.2 与普通SIOF比较
（1）普通SIOF的导波特性是通过调节纤芯直径以及芯、包层折射率差来实现的。其中，调节石英玻璃的折射率需要复杂的掺杂工艺。
（2）PCF导光特性的控制可以仅依赖于结构上的调节。理论上，通过改变IG-PCF的包层空气孔尺寸，包层的有效折射率可以为1~1.45之间的任意一值。这样的调节范围远突破了常规光纤中依靠纤芯掺杂所能达到的极限。
2.2.3 特点及应用
（1）特点
- 无截止单模特性(满足d/
<=0.4) - 大模场尺寸 /小模场尺寸
- 色散可调特性 （调节d,
等，无须掺杂)
（2）应用
- 色散控制 (色散平坦，零色散位移可以到800nm)
- 非线性光学 （高非线性，超连续谱）
- 多芯光纤
- 有源光纤器件（双包层PCF有效束缚泵浦光）
- 光纤传感
注：
色散平坦的理解
光通信中的色散平坦概念：在光纤通信里，色散是一个很重要的概念。简单来说，光其实是由多种不同频率（也就是不同颜色）的光组成的。当光在光纤中传输时，不同频率的光的传播速度会不一样。就好像一群人在跑步，有的人跑得快，有的人跑得慢。 色散会导致光脉冲在传输过程中展宽变形。打个比方，原本一个很窄的光脉冲信号，因为色散，经过一段光纤传输后就变得很宽，就像一个紧紧的小包裹在运输过程中松开变大了一样。而“色散平坦”就是指在一定的波长范围内，光纤的色散数值几乎保持不变或者变化很小。就像是在一段路上，不同颜色的光（不同频率）可以比较均匀地一起跑，不会因为速度差异太大而导致光脉冲变形得太厉害。
其他领域的色散平坦类似概念（比如光学材料）：在光学材料中，色散平坦也有类似的意思。材料的折射率会随着光的波长变化而变化，这也会导致色散。当材料在一定波长范围内，折射率的变化比较小，使得色散效果比较均匀、平坦时，我们就说这个材料具有色散平坦的特性。例如，一些特殊的光学镜片材料，通过特殊的设计和成分调整，让不同颜色的光在通过镜片时不会出现明显的色差（色差就是因为色散产生的，不同颜色的光聚焦在不同位置），这种镜片材料就可以说在一定程度上有色散平坦的性质。
2.2.4 折射率导光型PCF的色散控制
孔洞尺寸对折射率导光光纤群速度色散的影响。
＝4um，d/
＝0.40、0.35、0.30、0.25
2.3 空心光子带隙PCF
光子带隙（Photonics Band Gap，简称PBG）
光子晶体光纤(PBG-PCF) 的导光机制： 将光波限制在纤芯内传播的原理并不是因为其包层的有效折射率比芯层低，而是因为光在由芯层材料中以某个角度入射至包层微结构材料时，包层周期性结构会产生多重散射，多重散射形成的干涉减弱将导致光无法通过包层微结构材料，从而使光返回到芯层中。
2.3.1 PBG-PCF导光机理
应用光子晶体理论可以直接求得包层周期性微结构的光子能带及带隙
对某一特定传播常数
或者neff，如果光的频率或者波长（对应光子能量）位于包层微结构的光子带隙之中，则光就受该包层排斥，因此光将被局限在芯层中并在芯层中传播。
注：
光子能带及带隙的理解
光子能带的概念：想象一下光子在一种特殊的“光子晶体”材料中旅行。光子晶体是一种具有周期性结构的材料，这种结构就像一个有规律的“格子”。光子在这个格子里运动时，由于和材料结构的相互作用，它们的能量会被限制在一些特定的范围，这些范围就形成了光子能带。可以把光子比作是一群学生，光子晶体就是学校里有规律排列的教室和走廊。学生（光子）在学校（光子晶体）里活动，他们被允许在某些特定的区域（光子能带）活动，这些区域就对应着特定的能量范围。
光子带隙的概念：光子带隙是光子能带之间的“间隙”，在这个间隙里，光子是不能存在或者传播的。还是用学校来类比，光子带隙就像是学校里禁止学生进入的区域，比如一些设备维护区域或者正在装修的地方。 在光子晶体材料中，由于材料结构的周期性和对称性，导致了在某些频率（能量）下，光子不能在其中传播，这些频率范围就是光子带隙。这是因为光子晶体的结构干扰了光子的传播，使得光子的能量不允许出现在这些间隙中。
应用例子：在光学滤波方面，我们可以利用光子带隙制作滤波器。如果我们想要过滤掉某些特定频率的光，就可以设计一种光子晶体，让这些频率的光正好落在光子带隙中，这样这些光就无法通过，从而实现了滤波的功能。在光通信领域，光子带隙可以用来制作光子晶体光纤。这种光纤利用光子带隙来限制光的传播路径，使光能够在光纤的芯区更高效地传输，减少光的泄漏和损耗，提高通信质量。
2.3.2 特点及应用
（1）特点
- 易耦合性，无菲涅耳反射
- 低弯曲损耗特性
- 低材料吸收损耗、低非线性
- 特殊的波导色散
（2）应用
- 非线性阈值以及损伤阈值高，高功率导光
- 光纤传感
- 气体光学
三、制备光子晶体光纤
3.1 堆积法拉制备光子晶体光纤
3.1.1 原理
- 堆积法基于光子晶体的概念，光子晶体是一种具有周期性介电结构的材料，其周期与光的波长相近时，会产生光子能带和带隙。在光子晶体光纤中，通过在光纤的包层中引入周期性排列的空气孔，形成光子晶体结构，从而实现对光的传输和控制。
- 堆积法的核心思想是将具有特定形状和尺寸的石英棒、石英管或毛细管等材料，按照一定的规律堆积排列，形成具有周期性结构的预制棒，然后通过拉丝工艺将预制棒拉制成光子晶体光纤。
3.1.2 制备
- 预制棒制备 :
- 首先，将直径为 5mm 左右的石英棒和石英管作为原料，在石英管的外表打磨出规则的六边形，构成六边形基本单元，也有不打磨六边而直接使用的情况。然后将这些基本单元放入 2000℃左右的光纤拉丝塔内拉伸成 1mm 左右的微细棒或管。
- 接着，将拉伸后的微细棒或管按合适长度截断后，紧密地堆积在套管中。对于实芯光子晶体光纤，用一根或几根与毛细管同样径向尺寸的石英棒替换套管中部的毛细管；对于空芯光子晶体光纤，则抽出套管中部的某些毛细管，从而在呈三角结构排列的毛细管中引入缺陷，作为光子晶体光纤的纤芯 。
- 拉丝：将制备好的预制棒放入拉丝机中，通过加热升温使玻璃软化，同时保持毛细管的结构和相对位置不变，拉制出具有所需直径和结构的光子晶体光纤。在拉制过程中，需要控制好温度、拉丝速度等参数，以确保光纤的质量和性能。
3.2 钻孔法制备塑料光子PCF预制棒
钻孔法是制备塑料光子晶体光纤（PCF）预制棒的一种方法。以下是一般的制备过程：
（1）准备材料：选择合适的塑料材料，如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，作为预制棒的基质材料。
（2）制作模具：根据设计要求，制作具有特定结构的模具。模具通常由金属或其他材料制成，具有与PCF预制棒相同的形状和尺寸。
（3）钻孔：使用钻孔设备，在模具上按照设计要求钻孔。钻孔的位置和大小应与PCF的结构相匹配。
（4）清洗模具：将钻孔后的模具进行清洗，去除钻孔过程中产生的碎屑和杂质。
（5）注入塑料：将熔化的塑料材料注入模具中，使其填充钻孔形成的孔隙。
（6）固化：等待塑料材料固化，使其形成具有特定结构的PCF预制棒。
（7） 脱模：将固化后的PCF预制棒从模具中取出。
（8） 后处理：对预制棒进行后处理，如切割、打磨等，以获得所需的尺寸和表面质量。 需要注意的是，钻孔法制备PCF预制棒的过程中，需要精确控制钻孔的位置、大小和深度，以确保PCF的结构和性能符合要求。此外，还需要选择合适的塑料材料和模具材料，并优化制备工艺，以提高预制棒的质量和产量。
四、PCF的传感特性
4.1 折射率导光型PCF的传感特性
（1）源于多孔微结构的存在，PCF最初被认为是探测气体或液体的理想波导结构。当气体或液体扩散到折射率导光型 PCF的孔洞里时，会通过孔洞内的消逝场与光纤模式发生反应。通过测量气体或液体对光的吸收而发生的模场损耗，可以进行气体或液体探测。不过这种的探测方法也存在一些缺陷，其中之一就是任何一种气体或液体都需要一段时间来充分扩散到PCF微米量级的孔洞内，从而影响了探测的反应时间。
（2）PCF还可利用表面增强拉曼散射效应（Surface-Enhanced Raman Scattering，简称SERS ）来对一些物质进行探测 。
增强拉曼效应（SERS）：
PCF的孔洞内壁被镀上一层金属膜（常用为金、银）或金属颗粒——孔洞内壁的光场会因为金属膜或颗粒支持表面等离子波的缘故被大幅度放大——放大的电磁场与附着在孔洞内壁被探测物质继而产生很明显的拉曼非线性效应——在输出频谱上出现的新的拉曼谱线可用来确定被探测物质的化学成份。
注：
拉曼效应的理解
基本概念：拉曼效应也叫拉曼散射，是一种光散射现象。当光照射到物质上时，大部分光会按照原来的方向传播，这叫瑞利散射。但是还有一小部分光的频率会发生变化，这种现象就是拉曼效应。 可以把光想象成一群小弹珠，物质中的分子就像一个个小障碍物。当光弹珠打在分子障碍物上时，大部分光弹珠会直接弹开，方向和速度基本不变，这相当于瑞利散射。而有少数光弹珠在撞击分子后，不仅改变了方向，连能量也改变了，这就导致了频率的变化，也就是拉曼散射。
具体过程：物质中的分子有自己的振动和转动状态。当光照射分子时，光子和分子之间会发生能量交换。如果光子把一部分能量给了分子，自己的能量就减少了，频率就会变低，这种拉曼散射产生的光叫斯托克斯线。这就好比光弹珠撞分子时，把自己的一部分“力气”给了分子，自己变慢了，频率也就变低了。相反，如果分子把一部分能量给了光子，光子的能量就增加了，频率变高，产生的光叫反斯托克斯线。这就像分子把自己的“力气”给了光弹珠，让光弹珠速度变快，频率升高。
应用举例：在化学分析中，拉曼效应很有用。不同的分子有不同的振动和转动模式，就像不同的人有不同的指纹一样。通过分析拉曼散射光的频率变化，可以知道物质分子的结构和成分。例如，在检测毒品或者鉴定文物的成分时，拉曼光谱仪可以通过检测拉曼效应产生的光谱来确定物质的种类。
4.2 光子带隙导光PCF的传感特性
空芯光子带隙PCF在传感上也有类似于实芯PCF一样的应用。
折射率导光PCF可依靠孔洞内的消逝场来探测气体或液体，对于光子带隙光纤由于被探测气体或液体可以直接进入导光的空芯里，所以光子带隙PCF的在探测效率以及反应时间上更有优势。
