空心光子晶体光纤 (HC-PCF)：定义未来的高性能光学传输技术
技术介绍
空心光纤（HCF）与传统光纤的主要区别在于，它通过中心的空心区域引导光线，而非传统光纤依赖其玻璃质地来传播光束。在空心光纤中，光束被限制在周围玻璃材料上的微小孔隙内的空心中传播，这意味着只有极少部分的光功率通过固体光纤材料（通常是玻璃）传输。
图1.Cross-section of bare hollow core fiber
与传统光纤相比，空心光纤（HCF）具有多项优势。它的非线性度降低了几个数量级，损伤阈值更高，透射光束与周围玻璃之间的重叠更小，为基于光纤的激光器提供了前所未有的功率。其较低的信号损耗使得在无需中继器的情况下也能实现更长距离的传输。由于光在空气中的传播速度快于玻璃等其他介质，因此空心光纤提供了更高的传输速度和更低的延迟，同时由于每根光纤以单模态物理分隔，它还能提供更高的带宽。光纤中的色散可以通过设计来控制，尤其是对于具有小模面积的光子带隙光纤而言。这对于超短脉冲的引导尤为重要，因为在超短脉冲中，大量的色散和非线性可能导致严重的脉冲失真。具有大空心芯的光纤通常展现出较弱的色散和对设计细节的低依赖性，使其成为理想的超短脉冲传输介质[1]。这可能会在激光制造、激光点火、国防、阿秒科学、非线性内窥镜/显微镜和气体中红外激光器等领域实现突破性应用。
图2.光子晶体光纤
光子晶体光纤（PCF）的核心特征之一是其周期性微孔结构，这一结构可以用来控制光波的传播方式。光子晶体光纤利用光子带隙（PBG，Photonic Band Gap）效应，在光纤的中空（空气）芯中导引光波。在光子晶体中，周期性的微孔或微结构形成了光子带隙，这种能带结构类似于晶体中电子的电子带隙。在光子带隙内，特定频率范围的光波无法传播，而会被反射或吸收。这是因为在这些频率下，光子晶体的周期性结构导致光波的散射相互干涉，形成了禁止带隙。这意味着，处于PBG内的频率光波无法穿越包层传播，而只能在光纤的芯中传导。不同于基于折射率引导的光纤，这里纤芯区域的折射率无需高于包层的折射率[2]。
空心光子晶体光纤（HC-PCF）结合两类光纤的优势，通过将光引导至带有周期性微孔结构的空心中，彻底改变了传统光纤技术。这种独特的波导结构非常适合于传感、成像和超短脉冲应用。我们的空心光子带隙光纤在提供超短脉冲的同时，不会引起非线性效应或材料损坏，且能在紧密弯曲下保持稳定传输。
当前，两种具有显著不同于阶跃折射率光纤导光性能的低损耗光纤技术已被发展出来。这两种光纤类型均利用二维周期性结构的包层包围着一个空心核心来引导光线，因此被统称为空心光子晶体光纤（HC-PCF）。[3,4]虽然这两种光纤都具有几个共同的特征，但它们的光引导背后的物理原理，以及随后的光学特性均有很大不同。
不同hcf的显微镜图像
(a)光子带隙光纤，(b) Kagome光纤，(c)非接触管状光纤，(d)六角反谐振光纤
第一种光纤是备受期待的光子带隙（PBG）光导技术的实验结果，导致HC-PCF在HC引导模式的频率和指数下没有包层模式[5]。今天，我们对PBG HC-PCF的理解和工程设计已经随着直观的“光子紧密结合模型”而大大成熟[6]。
另一类是Kagome晶格HC-PCF，与PBG HC-PCF形成对比，Kagome HC-PCF特点是提供宽带制导频谱，其包层结构不依赖于PBG效应。直到 2007 年，随着抑制耦合 （IC） 引导的引入，引导机制才得以阐明。在这里，包层不再需要磁芯模式空间中的带隙，但结构及其尺寸经过精心设计，使得包层支持与磁芯模式强相位不匹配的连续模式，从而抑制后者逃逸磁芯。
在使用空气-二氧化硅结构的HC-PCF中，包层模式被有效地限制在包层的薄二氧化硅层内，并展现出迅速的横向振动（具有高方位角数）。[7]从这个角度来看，光纤中的PBG定义为没有与纤芯模式相位匹配的包层模式，这些模式会将光从纤芯向外传播。而在IC（抑制耦合）引导的光纤中，周围包层在纤芯模频率指数空间上起到了类似PBG的作用。
迄今为止，光纤中可引导的最大超短脉冲激光仅限于石英芯光纤的纳米焦耳，以及光子带隙（PBG）引导空心光子晶体光纤（HC-PCF）的几微焦耳[9]。固体常规光纤的脉冲能量极限是由二氧化硅的固有灾难性材料损伤决定的[8]。PBG引导HC-PCF的局限性主要是由于磁芯引导模式与二氧化硅磁芯包围的光学重叠性很强[9]。这种效应在表面模态和核心模态之间的抗交叉光谱范围附近加剧[10]。
除了材料损伤限制外，光纤非线性和色散是超短脉冲激光波导和传输的另外两个主要限制因素这些因素会显著影响脉冲的时间分布。例如，在正常群速色散的条件下（如波长低于 1300 nm），通过二氧化硅传播的脉冲会经历快速扩散，进一步加剧了脉冲的时间和光谱失真。当脉冲能量增加到几纳焦耳水平时，介质的克尔和拉曼响应将对扩散产生额外的贡献，这将导致光谱展宽和更大的色散。
应用领域
C-PCF技术在现有领域如通信、传感器、医学成像等方面的应用将继续扩大。另外，新兴的应用领域，如量子计算、深空通信、生物医学研究，也将成为HC-PCF未来发展的重点。
随着光学和光子学领域对高性能光纤的需求日益增长，尤其是在提高数据传输速度和扩大带宽方面，空心光子晶体光纤（HC-PCF）展现出其独特优势。HC-PCF以其显著的低信号损耗和扩展的带宽特性，能够有效地满足这些不断增长的技术需求。特别是在高速通信网络的发展中，HC-PCF的这些特性使其成为支持下一代通信技术的关键组件。
激光头和工件之间的激光传输链路，
超短脉冲激光器在功率缩放方面取得了巨大进步，并在工业应用中不断扩展使用，这就需要灵活而强大的光束传输系统，跨越数米。直到最近，光纤中可以引导的最大USP能级仅限于石英芯光纤的纳米焦耳和空心光子晶体光纤的几微焦耳。
在最近的一项合作中GLO Photonics、Amplitude Systemes以及利摩日大学的GPPMM研究小组共同展示了一项突破性成果。他们成功在数米长的Kagome型空心光子晶体光纤（HC-PCF）中，以稳定的单模态传输方式，传输了毫焦耳级的600飞秒超短脉冲。这项实验不仅展示了HC-PCF在高强度脉冲传输方面的卓越性能，还实现了50飞秒的脉冲自压缩，达到了petawatt/cm²级别的强度。突显了HC-PCF在超快光束传输应用中的巨大潜力。
GLO 空心光子晶体光纤在处理创纪录的激光脉冲能量并以灵活的方式传递这些脉冲方面具有出色的能力，使 GLO 光纤成为新兴激光微加工市场和应用中所有开发人员和最终用户的绝佳解决方案。
通过其专有的Kagome HC-PCF，GLO为其客户带来了用于激光功率处理和传输的创新和卓越的解决方案和/或光纤光子元件。特别是，GLO Kagome光纤及其功能化形式的PMC非常适合在材料微加工和微加工中充分发挥高功率超快光纤激光器的潜力。GLO产品和/或技术可以通过多种方式用于激光微加工领域。它结合了灵活性、低透射光损耗、低脉冲失真以及进入非常小且不显眼的加工空间。第二个例子是激光脉冲时间控制，GLO提供客户定制的PMC来压缩激光脉冲。
激光微加工、生物工程和外科手术革命性变革的幕后推手
持续时间较短（低于皮秒持续时间范围）的工程激光脉冲是许多科学和工业应用中的强大驱动力。现在材料的加工、雕刻和切割精度高，无需加热。另一个例子是极具挑战性的基于激光的粒子加速器，其中的关键技术挑战之一是能够处理大量脉冲能量 （>100 mJ） 和低于 10 fs 的压缩的设备。GLO 中空光纤和 PMC 技术可实现前所未有的光脉冲控制，允许在单个紧凑的光纤光子组件中将亚皮秒激光脉冲压缩 10 倍以上。GLO可以设计和生产基于光纤的脉冲压缩器，这些压缩器是针对市场上存在的各种超短脉冲（USP）激光器量身定制的。
生物医疗研究及外科应用
以安全和用户友好的方式将激光带到细胞或患者身体部位仍然是外科医生和生物学家高度追捧的商品之一。GLO Kagome 光纤及其功能化形式 PMC 非常适合为任何细胞或身体部位提供激光传输链路，具有出色的灵活性、低传输光损耗、低脉冲失真以及进入非常小且不显眼的机器空间。GLO目前与生物医学领域参与者合作的经验是它为最终用户或医疗机器制造商开发用于外科手术和生物医学应用的创新光纤激光工具的资产。此外，GLO可以帮助开发特定的激光器，这些激光器现在被用于各种可见光波长的医疗。例如，在光谱黄色部分的特定波长下工作的高功率激光可用于治疗各种血管疾病，例如切除不需要的腿部静脉和面部毛细血管。在眼科中也有应用，例如用于治疗视网膜脱离。
通过其独特的激光束传输和激光频率转换解决方案，GLO技术可以解决大多数生物光子学应用，如细胞术、成像、DNA测序或法医学。
参考文献
1) P. J. Roberts et al., “Ultimate low loss of hollow-core photonic crystal fibres”, Opt. Express 13 (1), 236 (2005);
2) Dr. Rüdiger Paschotta RP Photonics AG ,Photonic Crystal Fibers,
3) F. Benabid et al.,Science298, 5592, 399–402 (2002).
4) N. Venkataraman et al.,Proc. ECOC 2002, PD1.1, Copenhagen, Denmark (2002).
5) T. Birks et al.,Electron. Lett.31, 22, 1941–1943 (1995).
6) F. Couny,Opt. Express15, 2, 325–338 (2007).
7) F. Benabid et al.,Laser Focus World44, 9, 60–64 (2008).
8) X. Liu, D. Du, and G. Mourou IEEE J. Quantum Electron.33(10), 1706–1716 (1997).
9) G. Humbert, Opt. Express12(8), 1477–1484 (2004)
10) J. A. West, C. M. Smith, Opt. Express12(8), 1485–1496 (2004)
