眾所周知，材料科學(xué)是光纖通信技術(shù)的基礎(chǔ)，即正是在半導(dǎo)體激光器和光纖的發(fā)明之后才誕生了光纖通信。由通信光纖研究的歷程中，我們可以深切得到這樣一個結(jié)論，通信光纖品種的不斷更新、性能研究的突破，這一切都是建立在通信光纖材料研究的突破上。例如石英玻璃光纖的誕生，使得世界的通信由電通信進(jìn)入光通信；紅外光纖的成功進(jìn)一步減小了光纖的理論傳輸衰減；塑料光纖的問世，又大大降低了光纖和接續(xù)的成本，從而推動了光纖通信到家庭、光纖到桌面的步伐。光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點，使得其具有獨特性能，為光纖通信開發(fā)出新型光纖奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著PCF的導(dǎo)光理論、制造工藝和應(yīng)用技術(shù)的成熟，PCF有望成為下一代光纖通信用的光傳輸介質(zhì)。1991年，Russell根據(jù)光子晶體傳光原理又提出了光子晶體光纖的概念。后來，人們又利用石英玻璃管和石英玻璃棒研究出了光子晶體光纖。
光子晶體光纖（PCF，Photonic Crystal optical Fiber）是一種由單一介質(zhì)（通常為石英玻璃，也可以為塑料）構(gòu)成、并且在二維方向上呈現(xiàn)周期性緊密排列（周期性六角形）、而在三維空間（光纖軸向）基本保持不變的波長量級空氣孔構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)包層的新型光纖。與常規(guī)光纖不同，PCF是由石英玻璃-空氣孔微小結(jié)構(gòu)組成的光纖，其又可以分為實芯光纖和空芯光纖，即前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛細(xì)管加熱拉制成的，而后者則是由石英玻璃管和石英玻璃毛細(xì)管加熱拉制成的。正是通過前按照設(shè)計出的PCF的基本結(jié)構(gòu)：按照預(yù)先設(shè)計的形狀（六角形）將石英玻璃毛細(xì)管緊密地排列在作為纖芯的石英玻璃棒或一圈石英玻璃毛細(xì)管的周圍，即集束成棒，再通過加熱拉制就可以制成所需要的性能的PCF。表征PCF性能的3個特征參數(shù)是纖芯直徑、包層空氣孔直徑、包層空氣孔之間距離。在PCF的拉制過程中，改變拉制溫度和速度就可以調(diào)整PCF的結(jié)構(gòu)和性能，使得PCF作為光傳輸介質(zhì)和光器件具有許多誘人之處。實際上，人們是通過調(diào)整纖芯直徑、包層空氣孔直徑、包層空氣孔之間距離方式來達(dá)到分別制造出具有低衰減、高色散、非線性效應(yīng)?。ù竽鲋睆交蛘叽笥行娣e）、保偏和小彎曲損耗等性能的PCF的目的。
PCF具有的低損耗、小色散、低非線性效應(yīng)特性，使得其在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用是非常有前途的，尤其是對于長途通信系統(tǒng)。隨著PCF設(shè)計方法和制造工藝的不斷改進(jìn)，PCF性能日趨完善。特別是K.Tajima等人通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，如空氣孔直徑d和空氣孔間距r尺寸，以及d/ r值，從而達(dá)到既減小PCF的衰減，又改善PCF的色散和色散斜率的目的。
2003年初的世界光纖通信（OFC）會議上，日本電報電話公司接入網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)試驗實的K.Tajima等研制出衰減為0.37dB/km、長度超過10km的超低衰減、長長度的PCF。PCF具有完全的單模特性。PCF的可用工作波長范圍為0.458~1.7μm。只要對0.458~1.7μm工作波長范圍進(jìn)行優(yōu)化，PCF的傳輸容量將會得到大大的提高。NTT公司的研究人員利用PCF組成10km的線路進(jìn)行了8×10Gbit/s的波分復(fù)用傳輸試驗，試驗效果良好。C.Peucheret等人的研究小組利用5.6km的PCF線路進(jìn)行工作波長為1550nm的40Gbit/s的傳輸試驗。這個試驗系統(tǒng)所用的PCF的有效面積是72μm2、其衰減為1.7dB/km、色散系數(shù)為32ps/km·nm。試驗表明，PCF作為光信號傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)的性能沒有明顯的劣化。這充分證明，與常規(guī)光纖相比，PCF作為光信號傳輸介質(zhì)最大的優(yōu)勢是在保證很小的偏振模色散系數(shù)的前提下，色散系數(shù)、有效面積和非線性系數(shù)可以靈活設(shè)計。隨著PCF的導(dǎo)光理論、制造工藝和應(yīng)用技術(shù)的成熟，PCF有望成為下一代光纖維通信用的光傳輸介質(zhì)。
半導(dǎo)體超晶格和量子阱生長工藝的成熟為光子晶體光纖的制作提供了新的思路。制作光纖時用幾百根硅棒或硅管排列成陣列，然后從中心抽去7根，留下7個原尺寸的孔，或者在中心應(yīng)該使用硅管的地方用硅棒代替。在約2000℃的溫度下拉制成直徑為40μｍ的光纖，光纖包層中空氣孔的直徑為亞微米，間隔為幾個微米。
光子晶體光纖的光學(xué)性質(zhì)可以用光的傳播常數(shù)描述，第一個被廣泛接受的光子晶體光纖模型是Birks等人在1997年提出的有效指數(shù)模型。根據(jù)該模型，光子晶體光纖可以仿照普通光纖給出單模條件。
利用光子晶體光纖可以進(jìn)行高能量傳輸、高靈敏度光譜分析、非線性光學(xué)傳感、光纖通信的可控制群速度色散補償，實現(xiàn)超短脈沖的激光器和放大器以及拍長很小的保偏光纖等。
光子晶體光纖和普通單模光纖相比有3個突出的優(yōu)點，詳見下表1；光子晶體光纖和普通單模光纖相比有4個不同尋常的特性，具體詳見下表2。
表1：PCF的特點
表2：PCF的特性
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