光子晶体光纤-中国光纤行业的催化剂

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一根细细的玻璃纤维(光纤)能够把等同于上千本书的信息简直瞬时地传输到数百公里外。在现代通讯职业中，它早已代替了铜线，变成长间隔信号传输的载体。光纤自1966 年面世以来，大家开始寻求的目标是尽可能地下降损耗。70 时代末，光纤已达到每公里只要4-5%能量损耗(0.2dB/km)，光信号能够传输几十公里;跟着科技的开展，到80 时代后期掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)面市，光信号能够传输过程中增强，彻底解决了光纤损耗这一历史性难题，完结了跨洋超长间隔信息传输。光导纤维作为通讯职业一个充满活力的新兴力量，繁荣开展壮大起来。因而，具有 光纤之父 美誉的华裔科学家高锟在2009年荣获诺贝尔物理学奖。

自1990年以来，因为网络数据通讯业务的快速增长，使得大家对传统通讯体系的请求不断前进，更大容量、更高速率、更长传输间隔的光纤通讯体系随之呈现。但在传统的光纤体系中，存在着比如色散、非线性和下一代全光网络中的逻辑器材功用简略(如:光开关)的难题，这就需求有新的光纤技能和器材作支撑。

1、从传统光纤到光子晶体光纤

1987年，Eli Yablonovitch等科学家发现某些动物体表有周期性规则摆放的细毛，能够把某些颜色(对应必定波长)的光彻底反射，而吸收其它波长，展现出美丽的颜色，如图1所示孔雀的茸毛和蝴蝶的羽翼外表呈现出艳丽的颜色。Eli Yablonovitch等将此类构造命名为 光子晶体 。很快，这一构造在光纤范畴得到了移植运用。1992年，Phillip Russell等人提出 光子晶体光纤 (微构造光纤中的一类)。光子晶体光纤是由一簇细微的石英毛细管依照六边形周期性摆放，从横截面上看去，就像是蜂窝构造。因为优秀的传输特性，光子晶体光纤敏捷在全球遭到重视。

传统光纤的构造(如图2，(a))通常是由两种玻璃资料制成的，包括具有较高折射率的纤芯和较低折射率的包层，光经过全反射的方法在高折射率资料的纤芯中传达。光子晶体光纤可由单一原料制备(如：石英玻璃)，分为实芯和空芯两种构造。实芯光子晶体光纤的构造，通常是由二维的毛细管依照六边形构成的阵列，最基地的毛细管被换成石英玻璃棒，构成了光子晶体的缺点(图2(b))，光则在这个实芯缺点中传达。这种光纤的作业原理和传统光纤挨近，经过纤芯和包层不一样的折射率传达。这是因为包层中含有空气孔，使得包层的有用折射率小于纤芯折射率，光在纤芯内构成全反射。空芯光子晶体光纤(图2(c))也是只要二氧化硅一种原料，可是它与传统光纤和实芯光子晶体光纤传导机理彻底不一样，空芯光子晶体光纤是选用光子带隙原理，运用光子带隙效应完结光在空气中传输。光在这种光子晶体光纤中是经过中心的气孔传达，所以没有惯例光纤的传输窗口、损耗、色散等约束。

2、光子晶体光纤革命性优势

光子晶体光纤除了在外形上和传统光纤存在区别以外，在规划的自由度上也具有革命性优势。除了具有传统光纤的特性，光子晶体光纤还能够灵敏的调整纤芯或包层中空气孔的巨细、间隔和几许形状，这些改动使光纤有了更多的功用，也因而在多个方面逾越了传统光纤。以下是几个简略的比如：

(1)单一制作资料

首先，单一资料不易遭到温度改动的影响。假如光纤存在多种玻璃资料，而每种玻璃的热膨胀系数不一样，那么光纤在非恒温运用条件下的传输功用会随之改动，可能会造成信号紊乱，而单一资料光纤成品不存在相异的热膨胀系数，极好的规避了温差的约束，信号更为安稳。其次，单一资料抗辐照功用优越。假如在大气层以外的环境中运用传统光纤，失掉大气层维护的纤芯锗会遭到宇宙射线的搅扰而发生化学改动，光纤的功用就不再安稳。而光子晶体光纤只要单一的石英玻璃，不会遭到种状况的搅扰。并且，实芯光子晶体光纤是由纯石英这一种资料制备而成，外部包层的多孔构造使得包层的有用折射率低于纤芯，这么以来，确保了光继续在纤芯中的传输。也能够规划毛细孔的间隔来操控光的形式。

(2)空芯传输

在空芯光子晶体光纤中，光在空芯中传输，避免了纤芯资料的自身的吸收和散射疑问，因而不存在传统玻璃光纤中的传输窗口，全部波段都能够传输光，且理论上可完结极低损耗。尽管因为空芯光纤的拉制缺点，如今的空心光子晶体光纤的损耗大于传统光纤，跟着空心光子晶体光纤的出产工艺的逐步优化，这一疑问将很快得到解决。一起，空芯光子晶体光纤的色散与包层构造密切相关，改动空芯光子晶体光纤的构造能够使零色散波长极大的向短波长方向移动，并能够完结各种特别的色散请求(如色散平整，色散抵偿等)。另外，光在空气中传输，其非线性系数十分小，比传统单模光纤低1000多倍，有利于抑制有害的非线性影响。

(3)便利制作

光子晶体光纤不需求运用化学堆积等大型设备即可完结预制棒的制作。惯例光纤预制棒制备办法是管内化学堆积法，制备一根预制棒往往需求几小时到几十小时，并且存在有害气体。光子晶体光纤预制棒是毛细管排管法完结的，数十根或上百根毛细管依照蜂窝状摆放成型。不需求化学堆积，节约出产时间并且对环境无污染。跟着商场的逐步开辟，出产成本亦会大幅度下降。

3、光子晶体光纤的运用及商场

(1)恶劣环境运用的高功用保偏光纤

实践运用中常常需求坚持光的偏振特性，这正是保偏振态光纤的用武之地。尤其是在光纤陀螺范畴，每年至少有1.5万公里的运用量。传统领结型及和熊猫型保偏光纤是根据应力双折射，双折射值通常在10-4量级。光子晶体光纤型保偏光纤，双折射可做到10-3以上，比传统保偏光纤高一个数量级，偏振坚持才能更强。根据应力双折射的传统保偏光纤，应力区的引进是取得高双折射的根底。但当温度增加时，应力区的应力逐步开释，双折射值逐步减小甚至消失，致使传统保偏光纤在改动温度环境中安稳性较差。保偏光子晶体光纤归于几许双折射，纤芯与包层选用单一原料，共同的热膨胀系数;并且，空气包层的网格构造，能有用缓冲温度大范围动摇致使的附加应力，因而保偏光子晶体光纤具有杰出的温度安稳性，双折射不随温度增加而减小。另外，传统保偏光纤芯中掺锗，在太空等光纤陀螺运用范畴的辐射照耀环境下会增加损耗。光子晶体保偏光纤选用高纯石英玻璃制备，高纯的石英使光子晶体光纤有杰出抗辐照功用。可见，光子晶体保偏光纤对于在恶劣运用环境下(如：太空辐照环境中)的高精度光纤陀螺，具有不行代替的效果。

(2)高功率光纤激光器和新型光纤传感

光子晶体光纤选用毛细管堆叠拉制，激光器增益光纤和刻制光纤光栅所需求的在纤芯中的掺杂变得十分简单，只需在摆放时选用含有稀土元素掺杂的毛细棒更换基地毛细管即可;光子晶体光纤能够规划成高数值孔径(NA)包层，有利于泵浦光的耦合;一起能够规划成大模场、低非线性，可支撑高功率、高光束质量的激光输出。

光纤激光器的商场无穷，一起高功率激光器在军事、国防范畴也有主要运用。IPG一家公司在2012年的一个季度就有逾越1亿美元的销售额。中国商场对光纤激光器的需求量也是无穷的。很多传统制作业出产商抛弃老的加工出产方法，选用激光器做完结机械加工，这么不仅可削减碳排放，且商品质量也会得到大幅前进。可是，国内仍然没有一家公司能够长时间安稳的供给掺杂光纤，这既是无穷的挑战也是难得的机遇。

跟着物联网的开展，传感职业的商场份额正在日益变大。作为光纤传感职业最早步入有用的主要传感器，光纤光栅正起着越来越主要的效果。光子晶体光纤纤芯掺锗可前进光敏性，从而能够制成光纤光栅。1999年，Ben Eggleton等科学家在纤芯掺锗的光子晶体光纤中，选用紫外光掩模写入法取得了布拉格光子晶体光纤光栅和长周期光子晶体光纤光栅。与普通光纤光栅比较，光子晶体光纤光栅具有对外界折射率指数不敏感、高耦合系数和低包层模损耗等等长处。光子晶体光纤光栅的呈现，正在有力地推动着光纤光栅传感技能的前进和运用范畴的拓宽。

(3)下一代通讯技能 - 空分复用，多芯光纤

受高容量光网络需求的推动，空分复用和多芯光纤等多种光纤构造和功用立异在不断涌现。空分复用，是一条光缆中的多组光纤经过空间进行复用的方法;多芯光纤则是一根光纤具有多个惯例纤芯，且纤芯相互之间搅扰很小。空分复用和多芯光纤，均可在很大程度上前进传输体系的容量，有望变成下一代传输光纤。根据光子晶体光纤制作技能，制作多芯光纤是极其便利的，只需将相应方位的毛细管更换为毛细棒即可(如图2(d))。一起，能够规划每个纤芯周围的包层，减小纤芯之间的最小串扰间隔，使相同直径的光纤中容纳更多的纤芯，前进传输体系的容量。

光子晶体光纤经过改动包层中空气孔的间隔及巨细，能够很便利的改动光纤的波导功用，因而能够规划具有特别性质的光子晶体光纤，如：大模场面积光子晶体光纤，高数值孔径光子晶体光纤，高双折射光子晶体光纤，高非线性光子晶体光纤，色散平整光子晶体光纤，色散抵偿光子晶体光纤等。能够说光子晶体光纤在很多运用范畴会逾越传统光纤，将会在通讯，激光器和传感范畴具有无穷的运用潜力。仅全球的通讯光纤在2013年的运用量逾越2.5亿芯公里。因而，光子晶体光纤很快会在这个庞大的运用范畴分到一杯羹。

4、中国研发出产的光子晶体光纤已达世界先进水平

中国如今出产的光子晶体光纤现已达到了世界较先进的水平。中国首家特种光纤产业公司武汉长盈通光电技能有限公司，已研发出多种尺寸的保偏光子晶体光纤，出产的光子晶体光纤现已达到了世界较先进的水平，也正在稳步开发光敏性和空芯光子晶体光纤等商品。公司出产的保偏光子晶体光纤在1550nm波段损耗低于1.5dB/km以下。光纤包层及纤芯选用相同原料，实测数据显现，其温度敏感性上优于传统保偏光纤，全温消光比改动为2dB摆布，比较传统保偏光纤具有很大的优势。长盈通光电的技能总监廉正刚博士说: 光子晶体光纤在航天，激光器，传感等范畴中均体现出不行代替的优势，将来的商场会是无穷的。 。 如今，该公司正在对光子晶体光纤的熔接进行试验，有望推动光子晶体光纤的有用化进程。

5、结语

光纤的开展已逾越了半个世纪。对于不一样的运用，光纤的资料和构造规划都在发生着演变。光子晶体光纤的呈现，使光纤出产商和运用商耳目一新，它灵敏的构造规划自由度一起也招引了各大科研院所的浓厚兴趣。尽管存在有无穷的潜在商场，可是如今中国具有光子晶体光纤研发和出产才能的公司寥寥无几。武汉长盈通光电公司方案进一步丰富光子晶体光纤商品线，打破国外独占，开发全系列光子晶体光纤商品，为光传递信号和传输能量供给最佳的特种光纤及全体解决方案。

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