未來通信的“新晉網紅”

趙絢

提到自然界中的晶體，我們首先會想到玲瓏的雪花和剔透的水晶，它們都具有規則而美麗的外形。而在微觀尺度上，構成這些物質的微觀粒子有規律地周期性排列，如同列隊整齊的士兵。2009年諾貝爾物理學獎得主高錕，自20世紀60年代起，就預言了超低損耗的通信光纖。“新晉網紅”光子晶體光纖最顯著的特點是能夠選擇性地阻擋某些頻率范圍內的電磁波，而這都是由它周期性的折射率分布導致的，因為其新穎的原理和精巧的結構，它也在許多方面展示出優越的特性。

光子晶體光纖特性大起底

光子晶體的結構千變萬化，光子晶體光纖的原理也有很多種。從特性上來講，主要就是三種：折射率導光型光子晶體光纖、光子帶隙型光子晶體光纖和具有獨特拓撲性質的光子晶體。

第一種原理便是折射率導光型光子晶體光纖，傳統光纖利用光的全反射原理導光，基本結構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。因為空氣占比越大，包層的平均折射率就越低。

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尺度的周期性微結構。這種周期性導致光子晶體對不同顏色的光“區別對待”，能夠阻擋某些波長的光。比如，紅色光在其中暢行無阻，綠色光卻被擋在“門”外。在光纖的包層中構造光子晶體，就可以將這些波長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，將被光子晶體強烈反射，幾乎無法穿過光子晶體。基于帶隙的反射性質，光子晶體可被用于實現多種光學器件，如光學諧振腔、激光器、光波導和窄帶濾波器等。

第三種原理就是具有獨特拓撲性質的光子晶體。它的材質特殊，形狀像是纏繞交織的藤蔓。沿著螺旋路徑改變“藤蔓”的粗細，光就可以被限制在螺旋的中心軸處。這種光纖的優點是信號只能朝一個方向傳輸，即使遇到障礙也不會“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上的運動員，全體運動員形成的隊伍就像是光纖中傳輸的信號。由于模式的前進速度有快有慢，能量十分集中的信號經過一段距離的傳輸后就會發生變形，就像運動員的隊伍分散開來一樣。對于傳統光纖，電磁波的頻率越高，就會有越多新的模式出現，單模傳輸的頻率范圍很窄。這不僅限制了傳輸速率，也對光源有較高要求。

對于光子晶體光纖，因為其具有無盡單模模式，單模傳輸的頻率范圍可以無限大。也就是說，不論頻率多高，光纖中都只存在一個傳播模式，這樣光纖就不存在信號變形的問題，因此特別利于遠距離通信。具體來說就是，其包層不是由單一物質，而是由折射率不同的兩種物質組成的。波長越短（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，包層和纖芯的折射率越來越“像”。折射率差別越小，對光的限制作用就越弱，本可以穩定傳輸的新模式會泄漏到包層中，留下來的只有最低頻率的本征模式（基模）。無盡單模還意味著我們可以將纖芯直徑做得很大，同時仍保持單模傳輸，這有利于減小非線性效應，對優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。有經驗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，根據光纖的結構將毛細管㈣堆疊起來，形成光纖預制棒;然后送入精密的光纖拉絲塔，在爐中進行高溫軟化，加熱后的預制棒向下滴落，底端慢慢變細，直徑穩定下來后，在外層涂覆樹脂材料并進行固化，形成保護層。這樣，發絲般粗細的光子晶體光纖就做好了。

萬物互聯的時代，光纖構成5G承載網的錯綜血脈;在追求微創的外科手術中，光纖是激光的靈巧導管，把脈沖送至手術刀難以觸及的病灶;在航海、航空、航天和國防工業中，光纖陀螺儀能精確地測定方向，引導飛船航行在茫茫宇宙。一根細細的玻璃纖維，已經深入現代生活的方方面面，為我們的生活創造無限種可能。

（責任編輯/陳天昊 美術編輯/李子夜）