中国光纤行业的催化剂-光子晶体光纤
发布时间：2015-12-04 16:27:01 热度：7365
12/4/2015,作者长盈通公司廉正刚、娄淑琴。一根细细的玻璃纤维（光纤）可以把等同于上千本书的信息几乎瞬时地传输到数百公里外。在现代通讯行业中，它早已取代了铜线，成为长距离信号传输的载体。光纤自1966 年问世以来，人们最初追求的目标是尽可能地降低损耗。70 年代末，光纤已达到每公里只有4-5%能量损耗（0.2dB/km），光信号可以传输几十公里；随着科技的发展，到80 年代后期掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA）面市，光信号可以传输过程中增强，完全解决了光纤损耗这一历史性难题，实现了跨洋超长距离信息传输。光导纤维作为通信行业一个充满活力的新兴力量，蓬勃发展壮大起来。因此，拥有“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，由于网络数据通信业务的快速增长，使得人们对传统通信系统的要求不断提升，更大容量、更高速率、更长传输距离的光纤通信系统随之出现。但在传统的光纤系统中，存在着诸如色散、非线性和下一代全光网络中的逻辑器件功能简单（如:光开关）的难题，这就需要有新的光纤技术和器件作支撑。
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律排列的细毛，可以把某些颜色（对应一定波长）的光完全反射，而吸收其它波长，展现出艳丽的色彩，如图1所示孔雀的羽毛和蝴蝶的翅膀表面呈现出鲜艳的色彩。Eli Yablonovitch等将此类结构命名为 “光子晶体”。很快，这一结构在光纤领域得到了移植应用。1992年，Phillip Russell等人提出“光子晶体光纤”（微结构光纤中的一类）。光子晶体光纤是由一簇细小的石英毛细管按照六边形周期性排列，从横截面上看去，就像是蜂窝结构。由于优良的传输特性，光子晶体光纤迅速在全球受到重视。
传统光纤的结构(如图2，（a）)通常是由两种玻璃材料制成的，包含具有较高折射率的纤芯和较低折射率的包层，光通过全反射的形式在高折射率材料的纤芯中传播。光子晶体光纤可由单一材质制备（如：石英玻璃），分为实芯和空芯两种结构。实芯光子晶体光纤的结构，通常是由二维的毛细管按照六边形组成的阵列，最中心的毛细管被换成石英玻璃棒，形成了光子晶体的缺陷（图2（b）），光则在这个实芯缺陷中传播。这种光纤的工作原理和传统光纤接近，通过纤芯和包层不同的折射率传播。这是因为包层中含有空气孔，使得包层的有效折射率小于纤芯折射率，光在纤芯内形成全反射。空芯光子晶体光纤（图2（c））也是只有二氧化硅一种材质，但是它与传统光纤和实芯光子晶体光纤传导机理完全不同，空芯光子晶体光纤是采用光子带隙原理，利用光子带隙效应实现光在空气中传输。光在这种光子晶体光纤中是通过中间的气孔传播，所以没有常规光纤的传输窗口、损耗、色散等限制。
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差异之外，在设计的自由度上也具有革命性优势。除了拥有传统光纤的特性，光子晶体光纤还可以灵活的调整纤芯或包层中空气孔的大小、间距和几何形状，这些变化使光纤有了更多的性能，也因此在多个方面超越了传统光纤。以下是几个简单的例子：
（1）单一制作材料
首先，单一材料不易受到温度变化的影响。如果光纤存在多种玻璃材料，而每种玻璃的热膨胀系数不同，那么光纤在非恒温使用条件下的传输性能会随之变化，可能会造成信号紊乱，而单一材料光纤制品不存在相异的热膨胀系数，很好的规避了温差的限制，信号更为稳定。其次，单一材料抗辐照性能优越。如果在大气层以外的环境中使用传统光纤，失去大气层保护的纤芯锗会受到宇宙射线的干扰而产生化学变化，光纤的性能就不再稳定。而光子晶体光纤只有单一的石英玻璃，不会受到种情况的干扰。而且，实芯光子晶体光纤是由纯石英这一种材料制备而成，外部包层的多孔结构使得包层的有效折射率低于纤芯，这样以来，保证了光持续在纤芯中的传输。也可以设计毛细孔的间距来控制光的模式。
（2）空芯传输
在空芯光子晶体光纤中，光在空芯中传输，避免了纤芯材料的自身的吸收和散射问题，因此不存在传统玻璃光纤中的传输窗口，整个波段都可以传输光，且理论上可实现极低损耗。虽然由于空芯光纤的拉制缺陷，目前的空心光子晶体光纤的损耗大于传统光纤，随着空心光子晶体光纤的生产工艺的逐步优化，这一问题将很快得到解决。同时，空芯光子晶体光纤的色散与包层结构密切相关，改变空芯光子晶体光纤的结构可以使零色散波长极大的向短波长方向移动，并可以实现各种特殊的色散要求（如色散平坦，色散补偿等）。另外，光在空气中传输，其非线性系数非常小，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）方便制作
光子晶体光纤不需要使用化学沉积等大型设备即可完成预制棒的制造。常规光纤预制棒制备方法是管内化学沉积法，制备一根预制棒往往需要几小时到几十小时，而且存在有害气体。光子晶体光纤预制棒是毛细管排管法完成的，数十根或上百根毛细管按照蜂窝状排列成型。不需要化学沉积，节省生产时间并且对环境无污染。随着市场的逐步开拓，生产成本亦会大幅度降低。
3、光子晶体光纤的应用及市场
（1）恶劣环境使用的高性能保偏光纤
实际应用中常常需要保持光的偏振特性，这正是保偏振态光纤的用武之地。尤其是在光纤陀螺领域，每年至少有1.5万公里的使用量。传统领结型及和熊猫型保偏光纤是基于应力双折射，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，偏振保持能力更强。基于应力双折射的传统保偏光纤，应力区的引入是获得高双折射的基础。但当温度升高时，应力区的应力逐渐释放，双折射值逐渐减小乃至消失，致使传统保偏光纤在变化温度环境中稳定性较差。保偏光子晶体光纤属于几何双折射，纤芯与包层采用单一材质，一致的热膨胀系数；而且，空气包层的网格结构，能有效缓冲温度大范围波动导致的附加应力，因此保偏光子晶体光纤具有良好的温度稳定性，双折射不随温度升高而减小。另外，传统保偏光纤芯中掺锗，在太空等光纤陀螺应用领域的辐射照射环境下会增加损耗。光子晶体保偏光纤采用高纯石英玻璃制备，高纯的石英使光子晶体光纤有良好抗辐照性能。可见，光子晶体保偏光纤对于在恶劣应用环境下(如：太空辐照环境中)的高精度光纤陀螺，具有不可替代的作用。
（2）高功率光纤激光器和新型光纤传感
光子晶体光纤采用毛细管堆叠拉制，激光器增益光纤和刻制光纤光栅所需要的在纤芯中的掺杂变得非常容易，只需在排列时采用含有稀土元素掺杂的毛细棒替换中心毛细管即可；光子晶体光纤可以设计成高数值孔径（NA）包层，有利于泵浦光的耦合；同时可以设计成大模场、低非线性，可支持高功率、高光束质量的激光输出。
光纤激光器的市场巨大，同时高功率激光器在军事、国防领域也有重要应用。IPG一家企业在2012年的一个季度就有超过1亿美元的销售额。中国市场对光纤激光器的需要量也是巨大的。许多传统制造业生产商抛弃老的加工生产方式，采用激光器做实现机械加工，这样不仅可减少碳排放，且产品质量也会得到大幅提高。但是，国内依然没有一家企业能够长期稳定的供应掺杂光纤，这既是巨大的挑战也是难得的机遇。
随着物联网的发展，传感行业的市场份额正在日益变大。作为光纤传感行业最先步入实用的重要传感器，光纤光栅正起着越来越重要的作用。光子晶体光纤纤芯掺锗可提高光敏性，从而可以制成光纤光栅。1999年，Ben Eggleton等科学家在纤芯掺锗的光子晶体光纤中，采用紫外光掩模写入法获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。与普通光纤光栅相比，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优点。光子晶体光纤光栅的出现，正在有力地推动着光纤光栅传感技术的进步和应用领域的拓展。
（3）下一代通讯技术 - 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结构和功能创新在不断涌现。空分复用，是一条光缆中的多组光纤通过空间进行复用的方式；多芯光纤则是一根光纤具有多个常规纤芯，且纤芯相互之间干扰很小。空分复用和多芯光纤，均可在很大程度上提升传输系统的容量，有望成为下一代传输光纤。基于光子晶体光纤制作技术，制造多芯光纤是极其方便的，只需将相应位置的毛细管替换为毛细棒即可（如图2（d））。同时，可以设计每个纤芯周围的包层，减小纤芯之间的最小串扰距离，使同样直径的光纤中容纳更多的纤芯，提高传输系统的容量。
光子晶体光纤通过改变包层中空气孔的间距及大小，可以很方便的改变光纤的波导性能，因此可以设计具有特殊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，色散平坦光子晶体光纤，色散补偿光子晶体光纤等。可以说光子晶体光纤在许多应用领域会超越传统光纤，将会在通讯，激光器和传感领域具有巨大的应用潜力。仅全球的通讯光纤在2013年的使用量超过2.5亿芯公里。因此，光子晶体光纤很快会在这个庞大的应用领域分到一杯羹。
4、我国研制生产的光子晶体光纤已达国际先进水平
我国目前生产的光子晶体光纤已经达到了国际较先进的水平。我国首家特种光纤产业公司武汉长盈通光电技术有限公司，已研制出多种尺寸的保偏光子晶体光纤，生产的光子晶体光纤已经达到了国际较先进的水平，也正在稳步开发光敏性和空芯光子晶体光纤等产品。公司生产的保偏光子晶体光纤在1550nm波段损耗低于1.5dB/km以下。光纤包层及纤芯采用同样材质，实测数据显示，其温度敏感性上优于传统保偏光纤，全温消光比变化为2dB左右，相比传统保偏光纤具有很大的优势。长盈通光电的技术总监廉正刚博士说:“光子晶体光纤在航天，激光器，传感等领域中均体现出不可替代的优势，未来的市场会是巨大的。”。 现在，该公司正在对光子晶体光纤的熔接进行实验，有望推进光子晶体光纤的实用化进程。
5、结语
光纤的发展已超过了半个世纪。针对不同的应用，光纤的材料和结构设计都在发生着演变。光子晶体光纤的出现，使光纤生产商和应用商耳目一新，它灵活的结构设计自由度同时也吸引了各大科研院所的浓厚兴趣。虽然存在有巨大的潜在市场，但是目前我国具备光子晶体光纤研制和生产能力的公司屈指可数。武汉长盈通光电公司计划进一步丰富光子晶体光纤产品线，打破国外垄断，开发全系列光子晶体光纤产品，为光传递信号和传输能量提供最佳的特种光纤及整体解决方案。
自1990年以来，由于网络数据通信业务的快速增长，使得人们对传统通信系统的要求不断提升，更大容量、更高速率、更长传输距离的光纤通信系统随之出现。但在传统的光纤系统中，存在着诸如色散、非线性和下一代全光网络中的逻辑器件功能简单（如:光开关）的难题，这就需要有新的光纤技术和器件作支撑。
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律排列的细毛，可以把某些颜色（对应一定波长）的光完全反射，而吸收其它波长，展现出艳丽的色彩，如图1所示孔雀的羽毛和蝴蝶的翅膀表面呈现出鲜艳的色彩。Eli Yablonovitch等将此类结构命名为 “光子晶体”。很快，这一结构在光纤领域得到了移植应用。1992年，Phillip Russell等人提出“光子晶体光纤”（微结构光纤中的一类）。光子晶体光纤是由一簇细小的石英毛细管按照六边形周期性排列，从横截面上看去，就像是蜂窝结构。由于优良的传输特性，光子晶体光纤迅速在全球受到重视。
传统光纤的结构(如图2，（a）)通常是由两种玻璃材料制成的，包含具有较高折射率的纤芯和较低折射率的包层，光通过全反射的形式在高折射率材料的纤芯中传播。光子晶体光纤可由单一材质制备（如：石英玻璃），分为实芯和空芯两种结构。实芯光子晶体光纤的结构，通常是由二维的毛细管按照六边形组成的阵列，最中心的毛细管被换成石英玻璃棒，形成了光子晶体的缺陷（图2（b）），光则在这个实芯缺陷中传播。这种光纤的工作原理和传统光纤接近，通过纤芯和包层不同的折射率传播。这是因为包层中含有空气孔，使得包层的有效折射率小于纤芯折射率，光在纤芯内形成全反射。空芯光子晶体光纤（图2（c））也是只有二氧化硅一种材质，但是它与传统光纤和实芯光子晶体光纤传导机理完全不同，空芯光子晶体光纤是采用光子带隙原理，利用光子带隙效应实现光在空气中传输。光在这种光子晶体光纤中是通过中间的气孔传播，所以没有常规光纤的传输窗口、损耗、色散等限制。
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差异之外，在设计的自由度上也具有革命性优势。除了拥有传统光纤的特性，光子晶体光纤还可以灵活的调整纤芯或包层中空气孔的大小、间距和几何形状，这些变化使光纤有了更多的性能，也因此在多个方面超越了传统光纤。以下是几个简单的例子：
（1）单一制作材料
首先，单一材料不易受到温度变化的影响。如果光纤存在多种玻璃材料，而每种玻璃的热膨胀系数不同，那么光纤在非恒温使用条件下的传输性能会随之变化，可能会造成信号紊乱，而单一材料光纤制品不存在相异的热膨胀系数，很好的规避了温差的限制，信号更为稳定。其次，单一材料抗辐照性能优越。如果在大气层以外的环境中使用传统光纤，失去大气层保护的纤芯锗会受到宇宙射线的干扰而产生化学变化，光纤的性能就不再稳定。而光子晶体光纤只有单一的石英玻璃，不会受到种情况的干扰。而且，实芯光子晶体光纤是由纯石英这一种材料制备而成，外部包层的多孔结构使得包层的有效折射率低于纤芯，这样以来，保证了光持续在纤芯中的传输。也可以设计毛细孔的间距来控制光的模式。
（2）空芯传输
在空芯光子晶体光纤中，光在空芯中传输，避免了纤芯材料的自身的吸收和散射问题，因此不存在传统玻璃光纤中的传输窗口，整个波段都可以传输光，且理论上可实现极低损耗。虽然由于空芯光纤的拉制缺陷，目前的空心光子晶体光纤的损耗大于传统光纤，随着空心光子晶体光纤的生产工艺的逐步优化，这一问题将很快得到解决。同时，空芯光子晶体光纤的色散与包层结构密切相关，改变空芯光子晶体光纤的结构可以使零色散波长极大的向短波长方向移动，并可以实现各种特殊的色散要求（如色散平坦，色散补偿等）。另外，光在空气中传输，其非线性系数非常小，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）方便制作
光子晶体光纤不需要使用化学沉积等大型设备即可完成预制棒的制造。常规光纤预制棒制备方法是管内化学沉积法，制备一根预制棒往往需要几小时到几十小时，而且存在有害气体。光子晶体光纤预制棒是毛细管排管法完成的，数十根或上百根毛细管按照蜂窝状排列成型。不需要化学沉积，节省生产时间并且对环境无污染。随着市场的逐步开拓，生产成本亦会大幅度降低。
3、光子晶体光纤的应用及市场
（1）恶劣环境使用的高性能保偏光纤
实际应用中常常需要保持光的偏振特性，这正是保偏振态光纤的用武之地。尤其是在光纤陀螺领域，每年至少有1.5万公里的使用量。传统领结型及和熊猫型保偏光纤是基于应力双折射，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，偏振保持能力更强。基于应力双折射的传统保偏光纤，应力区的引入是获得高双折射的基础。但当温度升高时，应力区的应力逐渐释放，双折射值逐渐减小乃至消失，致使传统保偏光纤在变化温度环境中稳定性较差。保偏光子晶体光纤属于几何双折射，纤芯与包层采用单一材质，一致的热膨胀系数；而且，空气包层的网格结构，能有效缓冲温度大范围波动导致的附加应力，因此保偏光子晶体光纤具有良好的温度稳定性，双折射不随温度升高而减小。另外，传统保偏光纤芯中掺锗，在太空等光纤陀螺应用领域的辐射照射环境下会增加损耗。光子晶体保偏光纤采用高纯石英玻璃制备，高纯的石英使光子晶体光纤有良好抗辐照性能。可见，光子晶体保偏光纤对于在恶劣应用环境下(如：太空辐照环境中)的高精度光纤陀螺，具有不可替代的作用。
（2）高功率光纤激光器和新型光纤传感
光子晶体光纤采用毛细管堆叠拉制，激光器增益光纤和刻制光纤光栅所需要的在纤芯中的掺杂变得非常容易，只需在排列时采用含有稀土元素掺杂的毛细棒替换中心毛细管即可；光子晶体光纤可以设计成高数值孔径（NA）包层，有利于泵浦光的耦合；同时可以设计成大模场、低非线性，可支持高功率、高光束质量的激光输出。
光纤激光器的市场巨大，同时高功率激光器在军事、国防领域也有重要应用。IPG一家企业在2012年的一个季度就有超过1亿美元的销售额。中国市场对光纤激光器的需要量也是巨大的。许多传统制造业生产商抛弃老的加工生产方式，采用激光器做实现机械加工，这样不仅可减少碳排放，且产品质量也会得到大幅提高。但是，国内依然没有一家企业能够长期稳定的供应掺杂光纤，这既是巨大的挑战也是难得的机遇。
随着物联网的发展，传感行业的市场份额正在日益变大。作为光纤传感行业最先步入实用的重要传感器，光纤光栅正起着越来越重要的作用。光子晶体光纤纤芯掺锗可提高光敏性，从而可以制成光纤光栅。1999年，Ben Eggleton等科学家在纤芯掺锗的光子晶体光纤中，采用紫外光掩模写入法获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。与普通光纤光栅相比，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优点。光子晶体光纤光栅的出现，正在有力地推动着光纤光栅传感技术的进步和应用领域的拓展。
（3）下一代通讯技术 - 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结构和功能创新在不断涌现。空分复用，是一条光缆中的多组光纤通过空间进行复用的方式；多芯光纤则是一根光纤具有多个常规纤芯，且纤芯相互之间干扰很小。空分复用和多芯光纤，均可在很大程度上提升传输系统的容量，有望成为下一代传输光纤。基于光子晶体光纤制作技术，制造多芯光纤是极其方便的，只需将相应位置的毛细管替换为毛细棒即可（如图2（d））。同时，可以设计每个纤芯周围的包层，减小纤芯之间的最小串扰距离，使同样直径的光纤中容纳更多的纤芯，提高传输系统的容量。
光子晶体光纤通过改变包层中空气孔的间距及大小，可以很方便的改变光纤的波导性能，因此可以设计具有特殊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，色散平坦光子晶体光纤，色散补偿光子晶体光纤等。可以说光子晶体光纤在许多应用领域会超越传统光纤，将会在通讯，激光器和传感领域具有巨大的应用潜力。仅全球的通讯光纤在2013年的使用量超过2.5亿芯公里。因此，光子晶体光纤很快会在这个庞大的应用领域分到一杯羹。
4、我国研制生产的光子晶体光纤已达国际先进水平
我国目前生产的光子晶体光纤已经达到了国际较先进的水平。我国首家特种光纤产业公司武汉长盈通光电技术有限公司，已研制出多种尺寸的保偏光子晶体光纤，生产的光子晶体光纤已经达到了国际较先进的水平，也正在稳步开发光敏性和空芯光子晶体光纤等产品。公司生产的保偏光子晶体光纤在1550nm波段损耗低于1.5dB/km以下。光纤包层及纤芯采用同样材质，实测数据显示，其温度敏感性上优于传统保偏光纤，全温消光比变化为2dB左右，相比传统保偏光纤具有很大的优势。长盈通光电的技术总监廉正刚博士说:“光子晶体光纤在航天，激光器，传感等领域中均体现出不可替代的优势，未来的市场会是巨大的。”。 现在，该公司正在对光子晶体光纤的熔接进行实验，有望推进光子晶体光纤的实用化进程。
5、结语
光纤的发展已超过了半个世纪。针对不同的应用，光纤的材料和结构设计都在发生着演变。光子晶体光纤的出现，使光纤生产商和应用商耳目一新，它灵活的结构设计自由度同时也吸引了各大科研院所的浓厚兴趣。虽然存在有巨大的潜在市场，但是目前我国具备光子晶体光纤研制和生产能力的公司屈指可数。武汉长盈通光电公司计划进一步丰富光子晶体光纤产品线，打破国外垄断，开发全系列光子晶体光纤产品，为光传递信号和传输能量提供最佳的特种光纤及整体解决方案。
