聚合物光子晶体光纤
王维彪，陈明，夏玉学，梁静秋, 徐迈
（中国科学院长春光机与物理所，长春 130033）
甄珍，刘新厚
（中国科学院理化所，北京 100101）
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摘要：本文在介绍光子晶体光纤的原理、性能的基础上，重点介绍了采用聚合物材料制备的聚
合物光子晶体光纤如高双折射光子晶体光纤、多芯光子晶体光纤、带隙限制光子晶体光纤等。
这些光纤以其新的导光机理和新颖的特性引起人们的极大兴趣，希望开发出具有单膜特性、多
种结构和特性、低损耗的的聚合物光子晶体光纤。聚合物光子晶体光纤制备选材范围广、制备
温度低、预制棒的制备方法多，具有成本低、损耗小、多性能等的优点，在传感器、光通讯、
老鼠习性光学元件等方面具有很大的应用前景。
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关键词：聚合物；光子晶体；光纤
polymer photonic crystal fiber
WANG Weibiao, CHEN Ming, XIA Yuxue, LIANG Jingqiu, XU Mai
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics.,
Chine Academy of Sciences, Changchun 130033
ZHEN Zhen, LIU Xinhou
Technnical Institute of Physics ang Chemistry
Chine Academy of Sciences, Beijing 100101
Abstract：The polymer photonic Crystal fiber(PPCF) bad on principle of photonics crystal is introduced such as highly birefringent PPCF, twin-core PPCF and photonic band gap PPCF in the
paper. Polymer photonic crystal fibers have new guided light mechanism and lots of new performances than conventional polymer optical fibers and attract peoples’ interests. It is hoped to
develop new fibers with single mode and special performances. PPCF will be ud in optical fiber
nsing, telecommunications and optical elements becau of it with merits of low cost, low loss and
multi-performance.
Keywords:Polymer; Photonic Crystal; Fiber
一、引言――光子晶体和光子晶体光纤
光子晶体光纤是在光子晶体的概念上发展起来的一种新型光纤。这里只简单介绍一下光子晶体和光子晶体光纤的原理和特性。
1，光子晶体原理
光子晶体的概念最早由E.Yablonovitch和S.John与1987年在《phys. rev. lett.》上分别提出来的[1, 2]。他们提出的思想是: 通过介电常数在空间的周期分布构成的介质材料能够改变其间传播的光的性质，可在电磁色散关系上打开一个带隙结构。类比于固体物理中的晶体结构和能带理论，将具有不同介电常数的介质材料在空间按一定周期排列起来形成周期性结构，用这个办法来构筑光子晶体。根据布拉赫定理，光子晶体的周期性结构将会使电磁波的色散关系形成带状结构，带与带之间可能会产生类似
半圆于半导体中的禁带―――即光子禁带。只要光子频率在这个带隙范围，它在禁带区域传播都将被禁止。所以，光子晶体可以控制光的自发辐射和光的传播行为。光子晶体的另一个主要的特征就是可以实现光子局域，即缺陷在光子晶体的禁带中可以产生频宽极窄的缺陷态或局域态。
2，光子晶体光纤及特点
光子晶体光纤是一种二维光子晶体。在纤维长度方向上连续制造缺陷，利用其局域光的能力，将光限制在缺陷内传播――即在纤维方向上传播。这种缺陷的方式是多种多样的，产生的光纤结构也是多样的。光子晶体光纤的传光方式也已经发现存在两种方式：一种是以严格的二维光学禁带方式禁止一定频率的光在横向上传播。另一种传光机制是全反射结构，这种光纤的传光方式与普通光纤相类似，不依赖于光子禁带，目前这两种石英光子晶体光纤已经有商品出售。
光子晶体光纤的一个特点就是无截止单模特性［3］。无截止单模特性的条件是要求空气孔足够小，空气孔的直径与相邻孔间距的比值不大于0.2，当这个比值增大时，单模波长的范围逐渐变小。如果空气孔较大，在短波长区会出现多模现象。无截止单模特性还与绝对尺寸无关，光纤放大或者缩小仍然可保持单模传输。这个特点可用来设计所需要的光纤模场面积。
另一个特点是光子晶体光纤的零色散点可以向短波调节，光纤可在近紫外到近红外全波段维持单模运转［4］, 如果改变空气孔大小和排列，光子晶体光纤的色散和色散斜率会发生很大的改变，比如适当
增加气孔直径，可使零色散点向短波方向移动。这一点在非线性应用中十分有利。
三、聚合物光子晶体光纤
根据光子晶体的概念，以及受到石英光子晶体光纤成功的鼓舞，澳大利亚的悉尼大学于2001年研制了利用PMMA材料制备了聚合物光子晶体光纤［5］。聚合物光子晶体光纤比普通的聚合物光纤还有其优点：材料可以是单一聚合物、不需要任何掺杂、选材范围广、采用空气芯导光的聚合物光子晶体光纤还可以大大降低其吸收损耗。
聚合物光子晶体光纤的预制棒可以采用很多聚合物材料及相应的不同工艺技术来制备。除通常所用的堆垛方法以外，挤压成型、打孔、注射成型、采用模具聚合成型等方法也可以用来制备预制棒，可以获得不同截面结构的光子晶体光纤预制棒。拉制温度也远比石英为低，一般在200摄氏度已内。聚合物光子晶体光纤目前虽处于实验室阶段，但也具有和石英光子晶体光纤相同的特性，限于篇幅，只能作一简单介绍：3．3．1 单模聚合物光子晶体光纤
聚合物光子晶体光纤和石英光子晶体光纤一样，也具有单模特性［5］，其断面结构也是六角空气孔排列.，下图1是632.8nm通过PMMA聚合物光子晶体时的照片及近远场图样。
（a）(b) (c)
光阴似箭的意思图1，聚合物光子晶体光纤的断面结构和近(b)远(c)场图样
在855nm处其色散达100ps/nm km，零色散波长1.35µm，这种PMMA芯的光子晶体光纤目前的损耗还
是比较高，吸收损耗约为32dB/m，限制损耗在四层空气孔结构的情况下达到了3＊10－6dB/m,。这种光纤主要是做概念性验证和一些研究, 尚未能实用。
3．3．2 高双折射光子晶体光纤
利用PMMA聚合物材料制备的光子晶体保偏光纤结构如图2所示［6］，其结构和石英光子晶体双折射光纤的结构基本相同的［8,9］，芯区周围的空气孔呈椭圆结构而且是非对称结构。
熙五行属什么
(a) (b)
图2，高双折射单膜聚合物光子晶体光纤（a）预制棒, (b)光纤断面
椭圆孔的形成是采用带圆形空气孔的预制棒压制和退火形成的，这种压制后的结构一直可以保持到拉
制成纤。这种光纤实际测量到的偏振拍长在800nm下达到8mm。更短的拍长希望通过优化结构非对称性和减少结构的维度尺寸来实现，研究人员希望拍长降到1mm以下。另外，这种光纤对温度相对不敏感，这个特征可用于光纤传感器。
3．3．3双芯和多芯光子晶体光纤
以双芯为例，对于传统的石英双芯光纤来说需要两根化学气相沉积的预制棒从稍微偏芯的地方分成两半，然后抛光融合形成一根具有双芯的预制棒，技术复杂成本高。但对于多芯光子晶体光纤来说只需一步就可以了，所采用的技术和单芯光子晶体光纤制备技术完全一样。下图3是一种双芯光纤的截面图［6］，
图3，双芯聚合物光子晶体光纤及耦合导光的近场图
这种双芯光纤周期4.8微米、两芯间的距离为9.6微米。通过耦合光测量，推断该光纤的耦合长度在650nm 下为6.8mm。双芯或多芯光纤主要用于光通讯和传感器等方面。
3．3．4光子带隙结构的光子晶体光纤
具有带隙结构的石英光子晶体光纤中已经实现商品化了。聚合物材料制备的这种光纤目前还停滞在实验室阶段［6,7］。这种光纤同样采用空气芯导光。图4表示了这种光纤的断面结构，采用的六角空气孔排列，芯也是采用比周围空气孔直径较大的空气孔。
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图4，空气芯聚合物光子晶体光纤实例(a)220µm外径，（b）空气孔间距5µm
目前在实验室中已经观察到一小段光纤具有带隙结构导光: 通过耦合白光进入光纤，在另一端观察到橙黄色的光输出。这种光纤在光纤结构的均匀性（纵向和横向）要求比较高，否则会出现带隙闭锁。
虽然只出现了一小段具有带隙结构的聚合物光子晶体光纤，但给研究人员带来了希望，通过不断的努力，具有带隙结构的聚合物光子晶体光纤会走向市场，由于采用空气芯导光，其损耗会大大降低，在局域网和光纤入户方面有所应用。
3．3．5渐变型聚合物多模光子晶体光纤［6，7］
这一种在普通GI型聚合物光纤原理上利用微结构来改进的梯变折射率多模光纤，严格说来还不属于光子晶体光纤。预制棒和光纤断面结构和折射率分布如图5所示，
图5，GI型聚合物多模光子晶体光纤及其折射率分布图
拉制的光纤的外径220微米，芯区的直径65微米。这种光纤采用变孔径空气孔来调制折射率，从芯向外空气孔孔径逐渐增大，根据有效折射率模型形成近乎理想的抛物型折射率变化。
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四、结语
聚合物光子晶体光纤的出现为聚合物光纤家族增添了新的生机。由于石英光子晶体光纤拉制的要求比较苛刻，温度高达2000摄氏度以上，要求温度波动小等，制备出的光子晶体光纤目前成本和价格比较高。而聚合物光子晶体光纤拉制温度低于200度，对温度波动要求没有石英严格，易于制备、成本低；在材料上可以方便的进行改性和利用材料不同的特性可制备出具有不同功能和特性的聚合物光子晶体光纤；这些优点增加了聚合物光子晶体光纤的竞争能力。目前聚合物光子晶体光纤国际上有澳大利亚悉尼大学、韩国科学技术研究所开展了聚合物光子晶体光纤的研究并取得了初步结果。国内中科院长春光机与物理所和中科院理化所合作开展了聚合物光子晶体光纤的研究，在聚合物材料、结构设计、光子晶体光纤预制棒制备、光纤拉制等方面取得了很大进展，取得了初步结果，现在正在对拉纤工艺进行改进。其他如燕山大学和国防科大等单位也在进行聚合物光子晶体的研究。
聚合物光子晶体光纤是一种新型的光纤，其出现时间很短，对其理论研究、制备、应用等方面还有许多工作要做，但我们有理由相信聚合物光子晶体光纤走向市场的日子也不会太远。
参考文献：
[1] E. Yablonovitch,“Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics”, Phys. Rev. Lett. 58, pp. 2059~2062, 1987.
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[9] M. J. Steel, et al., Polarization and dispersive propertyes of elliptical-hole photonic crystal fibers. J. Lightwave Technology, 19, pp. 495~503， 2001.
