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user: 7. 不同材料及结构光子晶体光纤的特点 第一根PCF使用石英制作，随后也出现了大量的不同结构和不同特性的PCF，但背景材料一般都是以二氧化硅为主，随着科技的进步，单一石英材料PCF的性能显现出自身的局限性：较窄的光学透过窗口(仅覆盖0.3~2.5 μm)、小的三阶非线性系数、较大的声子能量等。所以其已不能满足科学发展的需要，而且随着近年来PCF制备工艺技术的改进和成熟，人们开始尝试使用其它材料来制作PCF，来寻求更新奇的性能，以应对更高需求的应用。这些不同材料大部分也是按照传统光纤的制备材料来分类的，如磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、硫化物玻璃、硼酸盐、铝硅酸盐、肖特(SCHOTT)玻璃、聚合物玻璃、铋玻璃等等。除了上述的这些材料，人们还在一些不同结构PCF中填充各类气体、液体和固体等材料，以及制作或集成多芯PCF，来实现一些特殊的功能。下面就几种常用材料制作的PCF的性能特征和应用进行介绍。 相对石英玻璃，磷酸盐玻璃具有较高的稀土溶解度，所以瓦级功率输出所使用的磷酸盐光子晶体光纤(Phosphate Glass PCF)甚至不到10 cm，较短的光纤长度也降低了非线性效应，并在在结构紧凑、小巧灵活的激光器应用中有着很大的发展前景。自2005年Li等第一次使用磷酸盐PCF设计激光器获得了3瓦的输出功率后 [ 58 ] ，Franczyk等人在2014年仅用了6 cm长的掺6 mol%磷酸盐PCF将斜效率提高到了36.2%，实现了9 W (150 W/m)的激光输出 [ 59 ] ，这是当时单模磷酸盐光纤激光器里的最高值。中国科学院上海光学精密机械研究所也在2011年利用堆积法制做出了大芯径磷酸盐PCF [ 60 ] ，并在2014年首次提出了掺稀土离子的软玻璃全固态光纤概念 [ 61 ] [ 62 ] 。该方案利用低折射率的磷酸盐玻璃取代了空气孔，避免了空气孔的存在带来的缺陷，使得全光纤激光器成为可能，同时磷酸盐玻璃的使用也显著地提高了光纤的泵浦吸收率和非线性阈值。2015年Wang等人利用自行制备的6 wt%掺镱的高质量磷酸盐玻璃，成功制备了纤芯直径为17 μm单模输出、保偏的磷酸盐全固态PCF，在~40 cm的光纤中实现了13.8 W的激光输出，同时通过改变光纤对称性，实现了该种光纤的保偏输出，保偏度达85%，该研究结果发表在Scientific Reports [ 62 ] 。 碲酸盐玻璃具有宽的增益带宽、大的透光区域(0.35~6 μm)、较低的声子能量(~750 cm −1 )、高稀土离子掺杂浓度、高非线性系数、较好的热稳定性和化学稳定性。因此碲酸盐光子晶体光纤(Tellurite Glass PCF)在放大器、偏振分束器和红外波段超连续谱光源等器件上有着重要的应用。第一根碲酸盐PCF由英国巴斯大学制备出，该光纤在1550 nm处的非线性系数为47.8 W −1 km −1 [ 50 ] 。Feng和Monro等人制作了第一根单模碲酸盐PCF，其在1550 nm处的非线性系数达到了580 W −1 Km −1 ，是标准石英光纤的580多倍 [ 63 ] 。在2014年，Wei等人用椭圆形碲酸盐玻璃作纤芯，在1550 nm获得了高的双折射为7.66 × 10 −2 和非线性系数达到了3400 W −1 km −1 的光子晶体光纤 [ 64 ] 。美国塔夫茨大学的Domachuk和英国巴斯大学的Cordeiro等人在2008年用脉宽为100 fs的1550 nm激光器作泵浦源，在一段0.8 cm长、芯径为~2.7 μm的碲酸盐微结构光纤中获得了带宽为4080 nm的SC光源，其光谱覆盖789~4870 nm [ 65 ] 。燕山大学的刘等人对基于碲酸盐制作的偏振分束器进行了一系列的研究，发现随着光纤长度的缩短，消光的带宽增加(>284 nm)，当长度小于510 μm，在1.55 μm处消光比20 dB，可应用在大容量、宽带宽和集成的光通信系统中 [ 66 ] 。 硫系玻璃光子晶体光纤(Chalcogenide PCF)由于其材料具有优良的中远红外透过性能(约0.5~25 μm)、高折射率(约2~3.5 × 10 −2 )和极高的非线性折射率(n 2 约为2~20 × 10 −18 m 2 /W) [ 67 ] 等特性，利用这些特性，硫系玻璃PCF可应用在超连续谱、拉曼放大、中红外传感、中红外激光器等领域。第一根硫系PCF是由南安普顿大学于2000年报道的，基于Ga-La-S玻璃制作成的 [ 68 ] 。随后人们发展了各式各样结构的硫系PCF，但都是在不断探索和发展其特性。例如超连续谱在光学、医学及度量学等领域有着重要的应用，人们已经利用硫系PCF在中红外产生很多范围超连续谱 [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] ：用不同波长脉冲激光器抽运As 2 S 3 、As 2 Se 3 、Ge 15 Sb 20 S 65 等硫系PCF，已获得了0.7~1.7 μm、2.1~3.2 μm、2.9~4.6 μm和8.5~11.6 μm的超连续谱。硫系PCF借助其极高的折射率，使自身具有很高的非线性系数，Fatome等人制备的As 40 Se 60 PCF的非线性系数高达2000 W −1 Km −1 [ 70 ] 。宁波大学的曹凤珍等人利用硫系光子晶体光纤色散可控特性，设计了在3~5 μm宽波段实现色散平坦，且色散绝对值低于3.8 ps∙nm −1 km −1 [ 72 ] 。 聚合物光子晶体光纤(Polymer PCF)可以由聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸脂(Polycarbonate， PC)、聚苯乙烯(Polystyrene， PS)、COC (Cyclic Olefin Copolymer)和全氟树脂等多种光学聚合材料制备，制备材料的多样性正是聚合物POF的优点之一。不同聚合物材料的玻璃化温度、透光率阿贝数、密度、折射率、热膨胀系数、吸水率以及机械性能各异，可以满足各种不同的应用需求 [ 73 ] 。第一根Polymer PCF是由澳大利亚悉尼大学光纤技术中心的Van Eijkelenborg等人于2001年用聚合物材料聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)制备的，测试结果表明该光纤可以实现单模传输 [ 74 ] 。聚合物PCF与石英PCF相比，一个最大的优点就是制备方法灵活多样 [ 52 ] ：钻孔法、挤出法、模具浇注聚合法、注塑法等多种工艺均可。而近年来聚合物PCF在传输、生物、传感、降低损耗和太赫兹波等方面也屡见报道：Shi等人在50 m长的聚合物POF上获得了7.3 Gb/s的传输 [ 75 ] ；Woyessa，等人2017年报道了基于PMMA制作的温度和湿度布拉格光栅微结构光纤传感器，测量范围在10%~90%RH和20℃~80℃，均方根偏差分别为0.8% RH和0.6℃ [ 76 ] ；Ren等人报道了一种基于聚合物POF的高灵敏度和无需标记的生物传感器，在600~840 nm的区域内的生物膜层的分辨率高达0.012~0.015 nm [ 77 ] ；空芯聚合物PCF实现了在850~1750 nm波长区域低损耗传输，像PC基质的Kagome型聚合物 PCF在1550 nm处实现了3.1 dB/m的“超低损耗” [ 78 ] ；而结合聚合物在太赫兹波段良好的传输性能和微结构光纤的结构特性，使得聚合物PCF用于太赫兹波导成为研究热点 [ 79 ] 。 PCF由于其结构灵活多变，表现出无截止单模传输、色散可调和高双折射等新颖的特性。近些年，人们在PCF包层或纤芯中的空气孔中掺杂或选择性填充材料(例如气体、液体和固体)来实现一些功能或开发具有独特性能的器件。气体和液体相比固体较容易注入PCF中，也使得充入气体和液体的PCF得以较早地发展，并且报道相对较多。Trabold等通过受激拉曼散射在填充氢气的空心芯PCF上实现了高阶模的放大 [ 80 ] 。Rodrigues等利用气体填充的Kagome PCF，通过改变气体压力和输入脉冲特性，可产生高功率可谐调的相干紫外光 [ 81 ] 。Yang等人设计了一种温度传感器，在折射率引导型PCF中填充高折射率溶液，形成类似带隙效应，使其同时成为激光滤波器和探头。该传感器随着温度的增加，发射光波向短波偏移，而输出光强度随着带隙的运动而增高，从而实现温度的测量，通过波长调制和强度调制分别获得了较高的温度灵敏度1.747 nm/℃和0.137 dB/℃ [ 82 ] 。研究人员用磁流体填充在PCF中，磁流体有效折射率随着外界磁场、温度的变化而改变，通过光谱仪检测PCF的输出损耗的改变，从而得出外界磁场或者温度的数值 [ 83 ] 。一般在PCF中填充固体材料多为金属 [ 84 ] 、聚合物 [ 85 ] 等功能性材料，而一些新的材料近年来也被不断地填充到PCF中。例如，Zhao等人于2013年首次展示了基于包层填充石墨烯PCF的饱和吸收特性，是通过光和包层填充的石墨烯层之间的倏逝波耦合作用产生的 [ 86 ] 。 多芯PCF是在同一根PCF的中心区域同时移除一些气孔，形成多个同时导光的纤芯。基于其设计更灵活、显著的非线性效应、大模场面积以及纤芯耦合等优势，在产生高功率超连续谱、制作高功率光纤激光器、制作传感器件、制作光器件和通信上，相对于单芯PCF更具优势。早在2000年，Blanchard等就报道了利用设计的三芯PCF制作了弯曲敏感的传感器，相比传统的传感器降低了成本 [ 87 ] 。2006年，Taylor等人利用多芯PCF演示了低串扰、高密度通道的通信方法 [ 88 ] 。2012年，重庆大学的刘敏等人设计了一种全内反射和光子带隙效应两种导光机制的混合双芯PCF，并制作了长度为5.2 mm的偏振分束器，在31 nm和60 nm的带宽范围内，分光比分别小于−30 dB和−20 dB，综合性能较好 [ 89 ] 。2014年，燕山大学陈月娥等人报道了一种双包层七芯PCF，该光纤能实现高功率、高光束质量的激光，这为制作高功率光纤激光器提供了新的解决方案 [ 43 ] 。2016年，Wei等人制作了七芯的双包层PCF，并利用该七芯PCF建立了一个转效率为74.3%的百瓦级的超连续光源 [ 90 ] 。2017年，Liu等人设计了纤芯掺杂液晶的七芯PCF，并第一次利用七芯PCF制作温度传感器，利用全矢量有限元法分析了有效模场、色散、限制损耗与温度的关系，结果显示该七芯PCF在制作温度传感器方面具有显著优势 [ 91 ] 。 空芯反谐振光纤是通过泄漏模导光的，当纤芯中掠入射光的横向传播常数与包层壁不发生谐振时，可看作是一个宽带导光窗口。这种光纤的结构尺寸一般较大，包层结构简单。最早由Benabid等提出kagome包层结构的空芯光纤，但是该空芯微结构光纤没有完整带隙特性，与光子带隙型光子晶体光纤的导光机理不同 [ 92 ] 。近年来，由于设备的完善和制作技术的进步，反谐振微结构光纤得到了较多的研究。2014年，Belardi等成功的制备了无节点空芯反谐振光纤，该光纤弯曲半径为2.5 cm时，在3.35 μm处的弯曲损耗仅为0.25 dB [ 93 ] 。王璞课题组在2016年报道了自制的高性能无节点空芯反谐振光纤，从1050 nm到1900 nm的波段范围内损耗为200 dB/km [ 94 ] 。由于光在空气中传播对环境温度不敏感，Van Newkirk等利用这个特性，用空芯反谐振光纤代替传统光纤，降低了由于温度造成的时延敏感度 [ 95 ] 。2017年，Wheeler等制备了具有低损耗、宽工作带宽和高模态纯度的空芯反谐振光纤，测得三种不同的优化的光纤在1.0 μm、1.55 μm和2.5 μm处的损耗分别为12.3 dB/km、13.9 dB/km和9.6 dB/km [ 96 ] 。