光子晶体光纤简介及原理
光子晶体在传感技术中的应用
光子晶体在传感技术中的应用光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料，它可以对光的传播和调控产生高度精确的影响，因此在光学领域中有着广泛的应用。
光子晶体的特殊性质使其成为传感技术中的研究热点之一。
本文将介绍光子晶体在传感技术中的应用，并讨论其在不同领域中的潜在应用前景。
一、光子晶体的基本原理光子晶体的结构类似于晶体，但其周期性的折射率分布可以控制光的衍射和透射特性。
光子晶体的折射率分布通常由介电常数的周期性分布决定，这样可以产生存在带隙（禁带）的能谱。
禁带的存在使得特定波长的光在光子晶体中无法传播，从而形成了光子晶体特有的光学特性。
二、光子晶体在传感技术中的应用1. 光子晶体传感器：由于光子晶体对特定波长的光有选择性的衍射和透射特性，光子晶体可以用作高灵敏度的传感器。
例如，将特定荧光染料引入光子晶体结构中，当目标物质与荧光染料相互作用时，波长落在禁带范围内的荧光信号将发生变化，从而实现对目标物质的检测。
2. 光子晶体光纤传感器：将光子晶体结构集成到光纤中，可以实现高度敏感的光纤传感器。
通过改变光子晶体的周期性结构，可以调节传感器对光的响应特性。
这种传感器可以用于测量温度、压力、湿度等参数，具有高精度和高灵敏度的优势。
3. 光子晶体生物传感器：光子晶体结构的尺度接近微观生物体的尺度，因此可以用于生物传感应用。
例如，利用表面经过生物相互作用修饰的光子晶体光纤传感器，可以实现对生物分子的高灵敏度探测，从而在生物医学领域中发挥重要作用。
4. 光子晶体气体传感器：光子晶体结构对气体分子的吸附行为非常敏感，可以用于气体传感器的研发。
通过将特定气体敏感材料引入光子晶体中，当目标气体分子与敏感材料相互作用时，光子晶体的光学特性会发生变化，从而实现对气体的高灵敏度检测。
5. 光子晶体光谱传感器：光子晶体结构对不同波长的光有选择性的衍射和透射特性，因此可以用于光谱传感器的研发。
通过调节光子晶体结构，可以实现对不同波长光的高度精确的波长解析，从而广泛应用于光谱分析、光子学测量等领域。
光子晶体光纤的特性及应用
光子晶体光纤的特性及应用作者：牛静霞李静来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第08期摘要：光子晶体光纤由于独特的导光原理和灵活的结构设计，性能明显能优于传统光纤，在光通信和激光技术等领域具有非常广阔的应用空间。
文章介绍了光子晶体光纤的导光原理，研究了其主要特性，并分析了其在波分复用器、光纤激光器、光纤放大器及光耦合器件等方面的应用。
关键词：光子晶体光纤特性光器件0 引言光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是光纤技术发展的主要方向，对于大容量光纤通信和高功率光纤激光器的研究开发具有重要意义。
光子晶体光纤又称为多孔光纤(Holey Fiber，HF)或微结构光纤(Micro-Structured Fiber，MSF)，它是在石英光纤的包层中沿轴向均匀地排列空气孔，并在纤芯端面存在一个破坏了周期性结构的缺陷所构成，从而使入射光能被控制在光纤纤芯中传输。
光子晶体光纤由于包层中的二维光子晶体结构，可以作为更加优异的光传输介质，在新一代光纤通信系统和激光技术等重要领域具有极其广阔的应用范围。
1 光子晶体光纤的导光原理光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)和折射率引导型光子晶体光纤(TIR-PCF)两类。
带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的。
在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图1（a）。
折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。
由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。
由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图1（b）。
光子晶体中的光子禁带与传输特性
光子晶体中的光子禁带与传输特性光子晶体是一种具有周期性结构的材料，通过调控其结构可以有效地控制光的传输和操控。
其中一个重要的特性就是光子禁带，它在光子晶体中起到了关键的作用。
一、光子禁带的概念和原理光子禁带是指在光子晶体中存在一个频率范围，在这个范围内光的传播是被禁止的。
这意味着光子晶体能够对特定的波长光进行选择性的反射或吸收，同时允许其他波长的光通过。
这种禁带效应是由于光子晶体的周期性结构导致的。
光子晶体的周期性结构可以被理解为一系列的光子波导，它们之间的相位差会产生干涉效应。
当干涉效应导致波的幅值彼此相消时，禁带就形成了。
通俗地说，可以将光子禁带类比为一个光的“高速公路”，只有特定的车辆（特定波长的光）能够通过，其他车辆则被拦截。
二、光子禁带的应用1. 光子晶体光纤光子禁带的应用之一就是光子晶体光纤。
光纤是一种用于光信号传输的高效率导光介质，而光子晶体光纤在此基础上进一步实现了对光波在特定频率范围内的引导和控制。
通过光子晶体光纤，可以实现光信号的高速传输和低损耗，同时具备了较宽的传输带宽。
这使得光子晶体光纤在通信领域有着广阔的应用前景。
2. 光子晶体光子器件光子禁带还可以被用于设计和实现各种光子器件。
光子晶体中的禁带产生的光子态密度变化可以导致光的散射、反射和单向传输等效应。
通过调控光子晶体的结构，可以实现各种功能性器件，比如光子晶体滤波器、光子晶体光调制器等。
这些器件在光通信、激光器设计、光子计算等领域发挥着重要作用。
三、光子晶体中的光子传输特性光子禁带不仅影响着光子在光子晶体中的传输，还对其传输特性产生了重要的影响。
1. 禁带宽度和传输带宽光子晶体的禁带宽度决定了能通过的波长范围，而在禁带宽度之外的波长则被禁止传输。
禁带宽度的大小取决于光子晶体的周期性结构和材料参数，可通过调节这些参数来实现对禁带宽度的控制。
传输带宽则是指光子晶体中能够通过的波长范围，它取决于禁带宽度和其他非完美性质（如材料吸收和散射）的影响。
光子晶体简介
第六组
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的发展历程 四、光子晶体的应用 五、光子晶体的发展前景
信息技术革命
标志：半导体技术 趋势：微型化和高度集成化 限制：纳米尺度的量子效应
摩尔定律 ：自从1970年以来;可以被放置 到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一 番的速度增长;这保证了计算机运算速度 在同时期随之翻番;价格减半&
二 光子晶体中自发辐射简介
当原子处于激发态时;如果不受外界影响;它们会自发 地回到基态; 从而放出光子;我们把这样一过程称为自发 辐射过程. 自发辐射过程并不是物质的固有性质;而是物 质与场相互作用的结果;也就是说它本质上是电磁振荡为 零时的受激辐射;即所谓的电磁真空. John 等人研究发现 在光子晶体中;由于能隙能使某些频率的光的传播被禁止 而形成光的局域态;原子自发辐射所发出的光子就会被限 制在原子周围;而不是以光速传播;原子与辐射场之间仍 存在能量交换;这样;辐射场对原子进行修饰而形成光 子—原子束缚态.现从实验上已观察到了光子晶体中自发 辐射具有不同于真空中指数衰减的性质;因此;对光子晶 体原子自发辐射性质的研究;为研制新型的低噪音;高相 性的激发;寻找奇异的光学材料等都具有十分重要的意义.
光子晶体的特性
1 光子带隙
在一定频率范围内的光子在 光子晶体内的某些方向上是 严格禁止传播的
晶格类型; 光子材料的介电常数配比; 高介电常数材料的填充比&
2 光子局域
在光子晶体中引入杂质和缺陷时 ，与缺陷态频率符合的光子会被 局限在缺陷位置，而不能向空间 传播。
点缺陷 线缺陷 面缺陷
光子晶体可控制光子的运动;是光电集成、光子集成、 光通信的一种关键性基础材料&
空芯光子晶体光纤
空芯光子晶体光纤
空芯光子晶体光纤是一种新型的光传输方法。
与传统的光纤不同
的是，空芯光子晶体光纤的芯部是空心的，而不是实心的。
其设计基
于光子晶体的原理，在光子晶体的结构中，由于周期性的介质分布，
光子禁带结构可被形成。
这种结构使得该光纤能够抑制模式色散和损耗，使得光信号能够更加稳定地传输。
与传统光纤相比，空芯光子晶体光纤具有更低的色散和更高的带宽。
由于其空芯设计，在光传输时能够避免光信号与固体材料相互作
用的干扰，避免了散射和损耗，以及光信号逐渐带来的毛刺和模式失
真等问题。
此外，在光传输过程中，光信号和空气相互作用，并避免
了温度等因素对光信号的影响，使其能够在更宽广的温度范围内工作。
空芯光子晶体光纤除了能在光通信领域中应用，也有广泛的其他
应用。
例如，空芯光子晶体光纤应用于气体检测领域，可以实现高灵
敏度的气体检测，而且对于不同的气体，探测灵敏度也有所不同。
此外，空芯光子晶体光纤也能够用于传感领域，例如用于测量温度、压力、应力等物理量，获取准确的传感数据。
空芯光子晶体光纤的出现将推动光通信和光传感领域的发展和进步。
在未来，它有望成为新一代的光纤传输技术，并且有望将成为许
多新型光学仪器和设备的重要组成部分。
然而，由于其制造技术颇为
精密，研究和制造成本较高，目前仍处于相对早期的应用阶段。
光子晶体光纤特性及应用
光子晶体光纤特性及应用【摘要】光子晶体光纤以其特殊的传输机理和优异的性能，其应用领域正不断扩大，本文介绍了光子晶体光纤的概念、原理和分类，说明两种光子晶体光纤的结构，并讨论了光子晶体光纤的特性及相应的应用。
【关键词】光子晶体光纤；微结构光纤；光子带隙1 概述光子晶体可以认为是一种由折射率周期性变化而产生光子能带和带隙的物质。
频率处于禁带范围内的光子不能在这种物质中传播，如在光子晶体中引入缺陷以破坏其周期性结构时，光子带隙就会形成具有一定频带宽度的缺陷区，与其对于的特定频率的光波可以在其中传播。
这就是光子晶体概念的来源。
光子晶体光纤又称为微结构光纤是一种二维光子晶体，通常的结构为光纤的横截面内存在着很多按一定规律周期性排列的空气孔，这些孔的尺寸和光波的波长相当。
如在周期性的结构中引入线缺陷，如改变孔径的大小，或以玻璃代替空气孔，便形成了光子晶体光纤结构，光可以沿着缺陷在光纤中传输。
缺陷构成光子晶体光纤的纤芯，缺陷外的周期性结构便是光子晶体光纤的包层，光在缺陷内传播。
光子晶体光纤是具有空洞的微列阵结构的光纤，被称为多孔光纤或微结构光纤。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。
例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应。
2 光子晶体光纤的结构根据传光机制，光子晶体光纤可以分为两大类，全反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。
2.1全反射型光子晶体光纤的结构。
全反射型光子晶体光纤和传统光纤的传光原理相似，利用光纤内部全反射（TIR）原理，使被传送的光能量在高折射率实体的“芯”中传播，周围规则排列的微结构做为低折射率的光学皮层，如图1和图2所示。
2.2光子带隙型光子晶体光纤结构。
这种类型的光纤不是光的全反射原理，而是利用光子晶体的光子带隙效应（PBG），被传送的光被光子带隙限定在“芯”中，沿微结构方向传输。
如图3和图4所示，光子带隙型光子晶体光纤的结构，中间空的部分是“芯”，周围规则排列的微结构区域是光纤的包层。
光子晶体
光子晶体绪论光子晶体是一种在微米亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料，按照其折射率变化的周期性，可以分为一维、二维和三维光子晶体。
光子晶体的概念首先在1987年被E.Yablonovitch提出[1]。
1991年，由E. Yablonovitch制成了第一个微波波段的光子晶体后，随着各种工艺的发展，多种多样的晶体结构陆续的被制备出来，许多理论预测得到了验证。
光子晶体的原理光子晶体的原理是从类比晶体开始的。
晶体中原子的周期性的排列使晶体中产生了周期性的势场，当电子在这种周期性势场中运动时会受到布拉格散射，从而形成能带结构。
带与带之间可能存在带隙，电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。
不论电磁波还是其它波(如光波)，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都可能出现带隙，而能量落在带隙中的波一样也不能传播。
光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性地出现低折射率(如人工造成的气泡)的材料，高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动[2~5]。
自然界中存在一些有着光子晶体结构的物质，例如用来装饰的蛋白石( Opal)，还有一种深海老鼠身上的毛以及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉，它们在不同的角度反射不同波长的光。
通过研究发现它们都是由大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成的[6~7]。
参见图1~5。
但是，这些都是粗糙的光子晶体，因为它们没有形成完全的禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填充比以及排列方式有着密切的联系。
一般说来，两种材料的折射率差值越大，就越有可能形成光子禁带，当两种材料的折射率差大于2的情况，可以形成完全禁带。
在自然界尚未曾发现此类的晶体。
因实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备。
常见的光子晶体的制备方法有自然生长法，机械制备法，光刻法，光学方法，化学刻蚀方法，薄膜生长法，胶体自组织密堆积方法，反蛋白石光子晶体合成方法等[8~13]。
14. 光子晶体光纤的基本理论
光纤光学华中科技大学8.1 光子晶体光纤的基本概念什么是光子晶体？•光子晶体是通过人工制造方法，使其制作的晶体材料具有类似于半导体硅和其它半导体中相邻原子所具备的周期性结构；•光子晶体的周期性结构的尺度（即晶格尺度）具有和波长相同的数量级。
例如，对于光通信波段,要求光子晶体的晶格在0.5um 左右。
⚫1987年，S.John 和E.Yablonovitch 同时提出光子晶体光纤结构⚫1991年，E.Yablonovitch 制作出第一个光子晶体。
典型的光子晶体的结构是有许多柱形孔的特殊玻璃。
圆柱形空气孔紧密排列，孔距为数百纳米，类似于半导体的原子。
光子晶体的特性⚫光子晶体由不同折射率的介质，周期性排列而成的人工微结构。
⚫光子带隙（禁带）——光子晶体最根本的特征电磁场在折射率周期变化的介质中传播时，由于相干散射作用，形成光子禁带。
频率光子态密度光子禁带1396nm~2019nm 处⚫波长选择性频率在光子带隙（禁带）内的光被禁止传输，而在光子局域，由于存在光子局域，由于存在缺陷，对应波长的光能传输。
自然界中的光子晶体⚫自然界的光子晶体澳洲的宝石——蛋白石(opal)⚫生物界中也有光子晶体的踪影：➢胡蝶翅膀➢孔雀的羽毛➢金龟子的壳➢澳洲海老鼠的毛发由于本身几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化，因此其色彩缤纷的外观是与色素无关。
光子晶体的分类突出显示光子晶体光纤是二维光子晶体➢按照光子晶体的光子禁带在空间中所存在的维数，可以将其分为：◼一维光子晶体：光纤光栅◼二维光子晶体：光子晶体光纤◼三维光子晶体：蛋白石举例◼一维光子晶体：在一个方向上折射率周期性分布◼二维光子晶体：在两个方向上折射率周期性分布◼三维光子晶体：在三个方向上折射率周期性分布光纤的发展历史John Tyndall玻璃棒光波导E. Curtiss普通光纤实芯光子晶体光纤空芯光子晶体光纤1870年1870+年1956年P . Russell et al.silica air1996年silica air1996年什么是光子晶体光纤？传统阶跃折射率光纤（SIOF）光子晶体光纤（PCF）•由两种均匀材料构成，依靠纤芯掺杂实现。
光子准晶体光纤
光子准晶体光纤
光子准晶体光纤是一种具有光子晶体结构的光纤，光子晶体是具有光子带隙的周期性结构，在一定的波长范围内，光子不能在其中传播，而只能沿着光子带隙传播，因此光子准晶体光纤具有光子带隙导光的特性。
光子准晶体光纤的制造方法是将光纤端口的孔进行热处理熔化后就得到了无芯端盖，这种密封的端面可以在大模式面积光纤端面得到，因此具有更高的损伤阈值，可以用于放大很强的纳秒脉冲。
光子准晶体光纤也可以设计多芯光纤，例如单根光纤的纤芯结构规则排列，纤芯之间可能发生耦合也可能不发生耦合。
光子准晶体光纤在很多方面与标准光纤类似，但是在熔接过程中，空气会发生膨胀然后使光纤结构发生畸变，光纤也可以通过机械接点、光纤连接器、插接电缆、光束扩展单元等连接在一起。
光子晶体光纤简介
光子晶体光纤
杨莹 物理系光学专业
光子பைடு நூலகம்体
光子晶体就是通过人工制造方法，使其制作 的晶体材料具有类似于半导体硅和其它半导体中 相邻原子所具备的周期性结构，只不过光子晶体 的周期性结构的尺度远比电子禁带晶体的大，其 大小为波长的数量级。例如，在硅和其它半导体 中，相邻原子间的距离约为0.25nm，而光子晶体 的周期结构的间距远大于0.25nm，约几百纳米， 其具体数值决定于光的波长。一种典型的光子晶 体，其结构是钻有许多柱形孔的特殊玻璃。圆柱 形空气孔紧密排列，孔距为数百纳米，这些圆柱 形空气孔类似于半导体的原子。
钻有许多圆柱形空气孔的玻璃的截面图
如果破坏光子晶体的周期性结构，使光子晶体成 为不完全的光子禁带晶体，这种不完全的光子晶 体非常有用。光子晶体光纤是不完全光子晶体的 重要应用。 光子晶体光纤的制作方法和普通光纤一样，也是 用肉眼可见的预制棒玻璃拉制而成。主要差别在 于预制玻璃棒的横截面结构，拉制光子晶体光纤 的预制棒是一束紧密排列的石英毛细管。这种有 小气孔的二维“晶体”在纤维中从头至尾延伸， 多次复制这种石英毛细管的排列，便可拉制出符 合要求的孔距的光子晶体光纤。
采用堆积石英毛细管方法拉制光子晶体光纤示意图
以英国Bath大学研制的全内反射光子晶体光纤为例，说明 其制作过程。 第一步：选用直径为30mm的石英棒为原材料，然后沿石英 棒轴线方向钻一个直径为16mm的孔。接着将石英棒磨成一 个正六棱柱，然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝塔上拉制 成直径为0.8mm的六角形细棒，拉丝温度在2000℃左右。 第二步：将六角形细棒按三角形或蜂窝形结构堆积起来形 成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝塔上拉制成空气 孔孔距为50um的细丝。接着再把这些细丝切断并再次堆积 成三角形或蜂窝形结构，其中心用一根直径完全相同的实 芯细丝替代，这样在光纤中心引入缺陷。 第三步：复制堆积拉丝过程，最终拉制成2um空气孔孔距 的光纤。在这多次的拉制过程中细棒堆熔合在一起，同时 棒间距不断缩减。
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光子晶体光纤简介及原理中文摘要: 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。
例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。
中文关键字：光子晶体光纤 PCF导光机理 PCF的特性英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications.英文关键字: photonic-crystal fiber光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。
光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。
与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。
当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。
我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。
可以预见，光子晶体将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革，极有可能在21世界扮演更为重要的角色。
1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。
1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。
1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纤通信光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。
例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能和光学研究领域中，PCF引起了全世界的普遍兴趣。
光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。
例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。
就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。
空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。
PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。
折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。
光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条件,其结果就是光子能隙导光理论。
如图1 所示,中心为空芯,虽然空芯的折射率比包层石英玻璃低,但仍能保证光不折射出去,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。
当小孔间的距离和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播,光被限制在中心空芯之内传输。
最近有研究表明,这种HF 中可传输99 %以上的光能,而空间光衰减极低,因此光纤衰减可能只有标准光纤的1/ 2～1/ 4 。
但并不是所有PCF 都是光子能隙导光。
空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。
虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，但包层中的小孔点阵结构就像一面镜子，这样光就在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。
PCF的特性PCF 有如下特点:结构设计很灵活,具有各种各样的小孔结构;芯和包层的折射率差可以很大;芯可以制成各种各样;“包层折射率”是强烈依波长而变的函数,包层性能可以反映在波长尺度上。
正因为有以上特点, PCF 有着以下许多奇异特性:(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)传输普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。
而对于PCF ,只要其空气孔径与孔间距之比小于0. 2 ,无论什么波长都能单模传输,似乎不存在截止波长。
这就是无截止单模传输特性。
这种光纤可在从蓝光到2μm 的光波下单模传输。
更为奇特的是这种特性与光纤的绝对尺寸无关,因此通过改变空气孔间距可调节模场面积。
在1 550 nm可达1～800 μm2 ,实际上已制成了680 μm2 的大模场PCF ,大约是常规光纤的10 倍。
小模场有利于非线性产生,大模场可防止发生非线性。
这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。
这种光纤具有很多潜在应用,如激光器和放大器(利用高非线性光纤) ,低非线性通信用光纤,高光功率传输。
(2)不同寻常的色度色散真空中材料色散为零,空气中的材料色散也非常小。
这使得空气芯PCF 的色散非常特殊。
由于光纤设计很灵活,只要改变孔径与孔间距之比,即可达到很大的波导色散,还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态。
如零色散波长可移到短波长,从而导致在1 300 nm 实现光弧子传输;具有优良性质的色散平坦光纤(数百nm 带宽范围接近零色散) ;各种非线性器件以及色散补偿光纤(可达2 000 ps/ nm·km) 都应运而生。
(3)极好的非线性效应双折射效应G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤的单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。
然而，在光子能隙导光PCF中，我们可以通过增加PCF纤芯空气孔直径（即PCF的有效面积）来降低单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的。
光子能隙导光的这个特性为制造大的有效面积的PCF奠定了技术基础。
(4)优良的双折射效应对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态越好。
在PCF中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。
通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制造出比常用的熊猫牌保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤。
PCF的新应用(1) 超连续产生利用飞秒脉冲在PCF中产生超连续谱已经广泛应用于光学相干层析、计量学等领域，但大部分实验采用工作在800nm波长的Ti:sapphire激光器作为泵浦源，因为这种激光器能产生能量达几个nJ的超短飞秒脉冲，只有个别实验利用1560nm波长附近的基于掺铒光纤激光器的飞秒脉冲。
采用掺铒光纤激光器作为泵浦光源不但可以将飞秒超连续技术应用于1560nm附近的通信窗口，而且它比Ti:sapphire激光系统更小巧、更稳定。
在OFC’2004上，H.Hundertmar等报道了一种全光纤二极管泵浦的铒光纤激光－放大系统，并利用PCF进行了超连续实验。
其实验装置如图2所示：激光器环路由铒光纤（正色散）和两段负色散光纤SMF1528、Flexcor1060构成，整个环长3.4m，对应基频59.1MHz，利用非线性偏振旋转效应实验被动锁模。
当980nm泵浦的输出功率为150mW时，在1560nm波长可得到输出功率14mW、脉宽65fs的锁模脉冲。
放大系统由铒光纤、SMF1528和Flexcor1060构成，这些光纤的长度经过优化，以使放大器的二阶色散最小，从而使激光脉冲的线性啁啾最小。
该激光－放大系统产生的脉冲入射到一段长30cm、芯径2.6mm、零色散波长1.3mm的PCF中，通过强非线性作用产生750~1750nm的超连续镨。
与以往的基于PCF的超连续产生系统相比，该系统的最大特色在于它是一个全光且利用最小的脉冲能量（200PJ）在1550nm附近得到了最好的展宽效果。
另外，S.C. Buchter等采用二极管泵浦的Q开关激光器作为泵浦光源，零色散波长~1550nm的PCF作为非线性介质，获得了700nm带宽、平坦的纳米红外超连续镨。
(2) 脉冲压缩超短光脉冲是未来超高速光通信系统所必不可少的，为此通常采用孤子效应压缩方案来获取超短脉冲，压缩用的非线性介质一般是色散位移光纤（DSF）。
若想得到重复率10GHz的脉宽~2ps左右的短脉冲，需要的常规色散位移光纤的长度通常都在数公里以上，即使采用高非线性色散位移光纤（HNL-DSF），也需要60~500米。
由于小芯径、高D值的PCF的零色散波长在可见光附近同时具有高非线性和大的负色散特性，利用它进行孤子压缩可以大大减小所需光纤的长度。
本次OFC会议上，K.S.Abedin等利用保偏光子晶体光纤（PM-PCF）作为非线性介质对主动锁模光纤激光器的输出脉冲进行了孤子压缩实验，所用的PM-PCF的零色散波长在1550nm附近的色散D=104ps/(nm×km)，非线性系数g=39.5 W-1×km-1，都要比DSF高一个量级，因此仅需要10米长的PM-PCF就得到了10GHz输出功率16mW 的1.26ps脉冲。