未來(lái)通信的“新晉網(wǎng)紅”

趙絢

提到自然界中的晶體，我們首先會(huì)想到玲瓏的雪花和剔透的水晶，它們都具有規(guī)則而美麗的外形。而在微觀尺度上，構(gòu)成這些物質(zhì)的微觀粒子有規(guī)律地周期性排列，如同列隊(duì)整齊的士兵。2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主高錕，自20世紀(jì)60年代起，就預(yù)言了超低損耗的通信光纖?！靶聲x網(wǎng)紅”光子晶體光纖最顯著的特點(diǎn)是能夠選擇性地阻擋某些頻率范圍內(nèi)的電磁波，而這都是由它周期性的折射率分布導(dǎo)致的，因?yàn)槠湫路f的原理和精巧的結(jié)構(gòu)，它也在許多方面展示出優(yōu)越的特性。

光子晶體光纖特性大起底

光子晶體的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，光子晶體光纖的原理也有很多種。從特性上來(lái)講，主要就是三種：折射率導(dǎo)光型光子晶體光纖、光子帶隙型光子晶體光纖和具有獨(dú)特拓?fù)湫再|(zhì)的光子晶體。

第一種原理便是折射率導(dǎo)光型光子晶體光纖，傳統(tǒng)光纖利用光的全反射原理導(dǎo)光，基本結(jié)構(gòu)是高折射率的纖芯外面包裹低折射率的包層，這樣才能使一定角度入射的光發(fā)生全反射，從而保持在纖芯中傳輸。光子晶體光纖以一種更有效的方式降低了包層的折射率：增加空氣孔。因?yàn)榭諝庹急仍酱?，包層的平均折射率就越低?/p>

第二種原理便是光子帶隙型光子晶體光纖，光子晶體具有光波長(zhǎng)尺度的周期性微結(jié)構(gòu)。這種周期性導(dǎo)致光子晶體對(duì)不同顏色的光“區(qū)別對(duì)待”，能夠阻擋某些波長(zhǎng)的光。比如，紅色光在其中暢行無(wú)阻，綠色光卻被擋在“門(mén)”外。在光纖的包層中構(gòu)造光子晶體，就可以將這些波長(zhǎng)的光束縛在纖芯中傳輸。這種光纖并不要求纖芯的折射率高于包層，因此光纖的中心部分可以是空氣。

知識(shí)鏈接

光子帶隙是光子晶體的核心特征。頻率落在帶隙中的光入射到光子晶體時(shí)，將被光子晶體強(qiáng)烈反射，幾乎無(wú)法穿過(guò)光子晶體?；趲兜姆瓷湫再|(zhì)，光子晶體可被用于實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)器件，如光學(xué)諧振腔、激光器、光波導(dǎo)和窄帶濾波器等。

第三種原理就是具有獨(dú)特拓?fù)湫再|(zhì)的光子晶體。它的材質(zhì)特殊，形狀像是纏繞交織的藤蔓。沿著螺旋路徑改變“藤蔓”的粗細(xì)，光就可以被限制在螺旋的中心軸處。這種光纖的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)只能朝一個(gè)方向傳輸，即使遇到障礙也不會(huì)“掉頭”。

光子晶體光纖究竟好在哪里？

光纖中的不同模式就像是馬拉松賽場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)員，全體運(yùn)動(dòng)員形成的隊(duì)伍就像是光纖中傳輸?shù)男盘?hào)。由于模式的前進(jìn)速度有快有慢，能量十分集中的信號(hào)經(jīng)過(guò)一段距離的傳輸后就會(huì)發(fā)生變形，就像運(yùn)動(dòng)員的隊(duì)伍分散開(kāi)來(lái)一樣。對(duì)于傳統(tǒng)光纖，電磁波的頻率越高，就會(huì)有越多新的模式出現(xiàn)，單模傳輸?shù)念l率范圍很窄。這不僅限制了傳輸速率，也對(duì)光源有較高要求。

對(duì)于光子晶體光纖，因?yàn)槠渚哂袩o(wú)盡單模模式，單模傳輸?shù)念l率范圍可以無(wú)限大。也就是說(shuō)，不論頻率多高，光纖中都只存在一個(gè)傳播模式，這樣光纖就不存在信號(hào)變形的問(wèn)題，因此特別利于遠(yuǎn)距離通信。具體來(lái)說(shuō)就是，其包層不是由單一物質(zhì)，而是由折射率不同的兩種物質(zhì)組成的。波長(zhǎng)越短（頻率越高），能量就可以越純粹地集中在折射率高的部位，空氣孔部分被電磁波“忽略”了。這樣，在電磁波看來(lái)，包層和纖芯的折射率越來(lái)越“像”。折射率差別越小，對(duì)光的限制作用就越弱，本可以穩(wěn)定傳輸?shù)男履Ｊ綍?huì)泄漏到包層中，留下來(lái)的只有最低頻率的本征模式（基模）。無(wú)盡單模還意味著我們可以將纖芯直徑做得很大，同時(shí)仍保持單模傳輸，這有利于減小非線性效應(yīng)，對(duì)優(yōu)化光纖激光器和光纖放大器的性能十分重要。

像制作嵌字豆糖一樣制作光子晶體光纖？

制作光子晶體光纖最常用的便是拉絲法。這種方法與制作嵌字豆糖（徽州傳統(tǒng)美食）如出一轍。嵌字豆糖需要先做出橫截面同比例的放大版，然后拉伸變細(xì)。有經(jīng)驗(yàn)的匠人能夠施加合適的力度，保證字體不變形。而光纖的制作則需要極為苛刻的工藝條件。首先，根據(jù)光纖的結(jié)構(gòu)將毛細(xì)管㈣堆疊起來(lái)，形成光纖預(yù)制棒;然后送入精密的光纖拉絲塔，在爐中進(jìn)行高溫軟化，加熱后的預(yù)制棒向下滴落，底端慢慢變細(xì)，直徑穩(wěn)定下來(lái)后，在外層涂覆樹(shù)脂材料并進(jìn)行固化，形成保護(hù)層。這樣，發(fā)絲般粗細(xì)的光子晶體光纖就做好了。

萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，光纖構(gòu)成5G承載網(wǎng)的錯(cuò)綜血脈;在追求微創(chuàng)的外科手術(shù)中，光纖是激光的靈巧導(dǎo)管，把脈沖送至手術(shù)刀難以觸及的病灶;在航海、航空、航天和國(guó)防工業(yè)中，光纖陀螺儀能精確地測(cè)定方向，引導(dǎo)飛船航行在茫茫宇宙。一根細(xì)細(xì)的玻璃纖維，已經(jīng)深入現(xiàn)代生活的方方面面，為我們的生活創(chuàng)造無(wú)限種可能。

（責(zé)任編輯/陳天昊 美術(shù)編輯/李子夜）