PCF導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩類：折射率導(dǎo)光機(jī)理和光子能隙導(dǎo)光機(jī)理。

　　折射率導(dǎo)光機(jī)理：周期性缺陷的纖心折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定的差別，從而使光能夠在纖芯中傳播，這種結(jié)構(gòu)的PCF導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射，但與常規(guī)G.652光纖有所不同，由于包層包含空氣，所以這種機(jī)理稱為改進(jìn)的全內(nèi)反射，這是因?yàn)榭招綪CF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長還小的緣故。

　　光子能隙導(dǎo)光機(jī)理：在理論上,求解電磁波(光波) 在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯PCF 的傳導(dǎo)條件,其結(jié)果就是光子能隙導(dǎo)光理論。如圖1 所示,中心為空芯,雖然空芯的折射率比包層石英玻璃低,但仍能保證光不折射出去,這是因?yàn)榘鼘又械男】c(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小孔間的距離和小孔直徑滿足一定條件時(shí),其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播,光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。最近有研究表明,這種HF 中可傳輸99 %以上的光能,而空間光衰減極低,因此光纖衰減可能只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的1/ 2～1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙導(dǎo)光。

　　空芯PCF的光子能隙傳光機(jī)理的具體解釋是：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳光機(jī)理是利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空芯PCF中不能發(fā)生全內(nèi)反射，但包層中的小孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)就像一面鏡子，這樣光就在許許多多的小孔的空氣和石英玻璃界面多次發(fā)生反射。 

　　PCF的特性

　　PCF 有如下特點(diǎn):結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很靈活,具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu);芯和包層的折射率差可以很大;芯可以制成各種各樣;“包層折射率”是強(qiáng)烈依波長而變的函數(shù),包層性能可以反映在波長尺度上。正因?yàn)橛幸陨咸攸c(diǎn), PCF 有著以下許多奇異特性:

　　(1)無截止單模( Endlessly Single Mode)

　　傳輸普通單模光纖隨著纖芯尺寸的增加會變成多模光纖。而對于PCF ,只要其空氣孔徑與孔間距之比小于0. 2 ,無論什么波長都能單模傳輸,似乎不存在截止波長。這就是無截止單模傳輸特性。這種光纖可在從藍(lán)光到2μm 的光波下單模傳輸。更為奇特的是這種特性與光纖的絕對尺寸無關(guān),因此通過改變空氣孔間距可調(diào)節(jié)模場面積。在1 550 nm可達(dá)1～800 μm2 ,實(shí)際上已制成了680 μm2 的大模場PCF ,大約是常規(guī)光纖的10 倍。小模場有利于非線性產(chǎn)生,大模場可防止發(fā)生非線性。這對于提高或降低光學(xué)非線性有極重要的意義。這種光纖具有很多潛在應(yīng)用,如激光器和放大器(利用高非線性光纖) ,低非線性通信用光纖,高光功率傳輸。

　　(2)不同尋常的色度色散

　　真空中材料色散為零,空氣中的材料色散也非常小。這使得空氣芯PCF 的色散非常特殊。由于光纖設(shè)計(jì)很靈活,只要改變孔徑與孔間距之比,即可達(dá)到很大的波導(dǎo)色散,還可使光纖總色度色散達(dá)到所希望的分布狀態(tài)。如零色散波長可移到短波長,從而導(dǎo)致在1 300 nm 實(shí)現(xiàn)光弧子傳輸;具有優(yōu)良性質(zhì)的色散平坦光纖(數(shù)百nm 帶寬范圍接近零色散) ;各種非線性器件以及色散補(bǔ)償光纖(可達(dá)2 000 ps/ nm·km) 都應(yīng)運(yùn)而生。

　　(3)極好的非線性效應(yīng)雙折射效應(yīng)

　　G.652光纖中出現(xiàn)的非線性效應(yīng)是由于光纖的單位面積上傳輸?shù)墓鈴?qiáng)過大造成嚴(yán)重?fù)p傷系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一個(gè)現(xiàn)象。然而，在光子能隙導(dǎo)光PCF中，我們可以通過增加PCF纖芯空氣孔直徑（即PCF的有效面積）來降低單位有效面積上的光強(qiáng)，從而達(dá)到大大減少非線性效應(yīng)的目的。光子能隙導(dǎo)光的這個(gè)特性為制造大的有效面積的PCF奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　(4)優(yōu)良的雙折射效應(yīng)

　　對于保偏光纖而言，雙折射效應(yīng)越強(qiáng)，波長越短，所保持的傳輸光偏振態(tài)越好。在PCF中，只需要破壞PCF剖面圓對稱性，使其構(gòu)成二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強(qiáng)的雙折射。通過減少空氣孔數(shù)目或者改變空氣孔直徑的方式，可以制造出比常用的熊貓牌保偏光纖高幾個(gè)數(shù)量級的高雙折射率PCF保偏光纖。

       光子晶體光纖在光纖通信的應(yīng)用

　　PCF在光纖通信系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：傳輸光纖和光器件。PCF作為傳輸光纖的研究要點(diǎn)是改進(jìn)制造工藝、降低光纖損耗。PCF作為光器件的研究要點(diǎn)是通過調(diào)整PCF的結(jié)構(gòu)尺寸來實(shí)現(xiàn)PCF器件所需要的性能。

　　眾所周知，作為光信號傳輸介質(zhì)，無論是G.652光纖還是PCF都應(yīng)該滿足低損耗、小色散和低非線性效應(yīng)。與G.652損耗機(jī)理相同，PCF損耗主要來源于吸收和散射。此外，由于PCF結(jié)構(gòu)的特殊性，也自然帶來了一些特殊的損耗來源，如模式泄漏損耗和結(jié)構(gòu)缺陷損耗。表1給出了PCF的損耗來源。

　　人們采取了一系列措施來降低PCF的損耗，主要有（1）提高芯/包層材料的純度；（2）采用減少污染包層材料管的工藝；（3）通過合理設(shè)計(jì)空氣填充比/空氣孔數(shù)量來降低泄漏模式。

　　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，尤其對于長途通信系統(tǒng)。隨著PCF設(shè)計(jì)方法和制造工藝的不斷改進(jìn)，PCF性能正日趨完善。特別是K.Tajima等人通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如空氣孔直徑d和空氣孔間距r，以及d/r比值，大道理既減少PCF的衰減，又改善PCF的色散和色散效率的目的?，F(xiàn)在，PCF已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)研究階段。

　　2003年初的世界光纖通信會議（OFC）上，日本電報(bào)電話公司（NTT）接入網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的K.Tajima等人報(bào)道了他們研制出的衰減為0.37 dB/km 的超低衰減、長長度的PCF。PCF具有完全的單模特性，可用工作波長范圍為0.458—1.7μm。

　　C.Peucheret等人的研究小組利用5.6 km 的PCF線路進(jìn)行工作波長為1550 nm的40Gbit/s的傳輸實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用的PCF的有效面積是72平方μm、衰減為1.7dB/ km、色散系數(shù)為32 ps/（km. nm）。實(shí)驗(yàn)表明，PCF作為光信號傳輸介質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)的性能沒有劣化，與G.652光纖相比，PCF最大優(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(jì)。

　　如上所述，PCF本身就是一種良好的色散補(bǔ)償光纖。通過靈活設(shè)計(jì)PCF的3個(gè)特征結(jié)構(gòu)參數(shù)：纖芯直徑、包層空氣孔直徑和包層空氣孔間距，我們就可以獲得很大的正色散，或者很大的負(fù)色散，或極寬波段的平坦色散PCF。特別是PCF的靈活色散、色散效率補(bǔ)償帶寬管理能量比G.652光纖大幾倍，故PCF具有優(yōu)良的色散補(bǔ)償性能，有希望代替普通的色散補(bǔ)償光纖，成為新一代色散補(bǔ)償光纖。

　　由于普通色散補(bǔ)償光纖的芯/包層折射率差?。?.45/1.3），所以其色散補(bǔ)償能力差。而PCF的芯/包層差大（1.45/1），因此PCF具有很強(qiáng)的色散補(bǔ)償能力。清華大學(xué)的研究人員從理論上計(jì)算了PCF的色散值，在計(jì)算中所選擇的PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)是：空氣孔間距為0.8μm,空氣孔直徑與空氣孔間距之比是0.835。計(jì)算得到，在1.55μm PCF的色散值可以達(dá)到-2050 ps/（km. nm），可以補(bǔ)償120倍長度的G.652光纖（17 ps/（km. nm））,可以補(bǔ)償240倍長度的G.655光纖（8.2 ps/（km. nm））,從而大大縮短了色散補(bǔ)償光纖的長度。因此，PCF的色散補(bǔ)償作用在高速率、大容量、遠(yuǎn)距離的WDM系統(tǒng)中將會具有極大的應(yīng)用價(jià)值。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　PCF可以構(gòu)成光纖激光器和光纖放大器，究其理由是通過調(diào)整包層空氣孔直徑及其間距可以靈活設(shè)計(jì)出模場面積范圍為1--1000μm2的 PCF，使得PCF在光纖激光器和光放大器研制中比G.652光纖更具有優(yōu)勢。

　　已經(jīng)取得研究進(jìn)展的PCF與光纖通信相關(guān)應(yīng)用還有：光波長變換、拉曼放大器、光孤子激光器、光纖光柵和連續(xù)譜發(fā)生器等。