光子晶體光纖制備工藝的發(fā)展與現(xiàn)狀

李錦豪，姜海明，2，謝 康，2

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006）

1987年，貝爾通信實(shí)驗(yàn)室的Yablonovitch在研究抑制自發(fā)輻射的時(shí)候，首次提出光子晶體的概念[1]。同時(shí)，多倫多大學(xué)的John在討論光子局域特性的時(shí)候，也提出類似的概念[2]。1989年，Yablonovitch和Gmitter首次在實(shí)驗(yàn)中成功證實(shí)在三維光子晶體中存在帶隙。1992年，英國南安普頓大學(xué)的Russell教授首次將光子晶體的思想引入光纖，提出了PCF的概念[3]。其設(shè)計(jì)思想是，在纖芯中引入不同線缺陷，在包層中利用周期性排布的高低折射率材料形成帶隙，從而將頻率落入光子帶隙中的光限制在缺陷纖芯中傳輸。1998年，Knight等成功研制出第一根真正意義上的PCF[4]，即光子帶隙光纖（photonic band gap fiber，PBGF），將光子晶體和光子帶隙的概念引入光纖光學(xué)，使得光纖光學(xué)的內(nèi)容發(fā)生了質(zhì)的變化。自此，PCF受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的密切關(guān)注，成為光電子學(xué)發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)。

第一根PCF拉制成功至今已有將近30年，PCF因其靈活多變的幾何結(jié)構(gòu)，使其擁有眾多優(yōu)異的光學(xué)性能，其豐富的光學(xué)特性使其在光學(xué)等領(lǐng)域具有重要的科研價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)，PCF不再局限于通信領(lǐng)域的應(yīng)用，在生物、空間成像、醫(yī)藥、環(huán)境、軍事、印刷、制造業(yè)等科技領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用[5-15]。

1 光子晶體光纖分類及其導(dǎo)光機(jī)制

早期PCF按照其導(dǎo)光機(jī)理可以分為兩大類：折射率導(dǎo)光型（IG-PCF）和帶隙引導(dǎo)型（PBG-PCF）。帶隙型PCF能夠約束光在低折射率的纖芯傳播。隨著PCF的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)空芯光纖中還存在一種不同于光子帶隙的導(dǎo)光機(jī)理——限制耦合導(dǎo)光[16]。

折射率引導(dǎo)型PCF是由純石英纖芯和具有周期性空氣孔結(jié)構(gòu)的包層組成。由于空氣孔的加入，包層與纖芯相比具有較小的有效折射率，即由于石英空氣包層的有效折射率小于纖芯的折射率。這種結(jié)構(gòu)的PCF以類似全內(nèi)發(fā)射的機(jī)制導(dǎo)光，這一點(diǎn)與普通光纖相似。其纖芯為實(shí)芯，包層中引入了周期性排列的空氣孔，但是并沒有形成有效的光子禁帶，芯區(qū)的折射率大于包層的有效折射率。在折射率分別為n1和n2，而且n1>n2的兩種材料組成的光波導(dǎo)中，只有傳輸常數(shù)β滿足k0n2<β

相對于折射率引導(dǎo)型PCF，光子帶隙型PCF要求包層空氣孔結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)格的周期性。纖芯的引入使其周期性結(jié)構(gòu)遭到破壞時(shí)，就形成了具有一定頻寬的缺陷態(tài)或局域態(tài)，而只有特定頻率的光波可以在這個(gè)缺陷區(qū)域中傳播，其他頻率的光波則不能傳播，即光子帶隙效應(yīng)。從光學(xué)原理的角度出發(fā)，還可以用布拉格散射的原理來解釋。在空芯光子帶隙光纖中，假設(shè)石英折射率為n1，空氣折射率為n2，由于n1>n2，想要光波在低折射率的空芯中傳輸，光波的傳輸常數(shù)β需要滿足β

近年來，在研究晶格尺寸較大的空芯PCF時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種不同于光子帶隙的導(dǎo)光機(jī)理——限制耦合導(dǎo)光?？招綪CF的包層由大間距的方形晶格構(gòu)成，晶格的介質(zhì)壁很薄，方形晶格結(jié)構(gòu)的邊長為Λ，壁厚為t。光纖中同時(shí)存在位于中心空氣孔的芯模和位于包層的包層模兩種模式。包層模又分為空氣模式和介質(zhì)模式。介質(zhì)模式在包層介質(zhì)中傳輸，受材料吸收影響，損耗最大。在空氣中傳輸?shù)男灸：桶鼘又械目諝饽p耗較小。由于芯模與介質(zhì)模在內(nèi)層介質(zhì)壁處有少量的交疊，因此會發(fā)生耦合，但是耦合模式僅發(fā)生在芯模與介質(zhì)模匹配的頻率處。

其中f為頻率，m為正整數(shù)，c為真空中的光速，t為壁厚，n為包層介質(zhì)壁的折射率。

式（1）說明，在基于限制耦合原理導(dǎo)光的PCF中，頻率為f的芯模不能被包層有效束縛，可以耦合到包層模，因此將頻率f稱為耦合頻率，而其他頻率模式均可被包層束縛，以較低的損耗在空芯中傳輸。限制耦合原理要求PCF具有大尺寸的晶格間距，所以在尺寸較大的光纖中更容易實(shí)現(xiàn)[16]。

2 光子晶體光纖的制備工藝

PCF制備主要分為兩步，第一步是PCF預(yù)制棒的制備，第二步是PCF預(yù)制棒的拉絲以及后處理。PCF預(yù)制棒結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了最終光纖的技術(shù)指標(biāo)，對光纖特性影響很大。經(jīng)過預(yù)制棒制造工藝后，要想得到可實(shí)用的光纖，還需要通過高溫爐將預(yù)制棒加熱軟化，在牽引的作用下將預(yù)制棒拉制成一定直徑的光纖。

2.1 光子晶體光纖預(yù)制棒的制備工藝

目前，PCF預(yù)制棒的制備工藝主要有堆積法、打孔法、擠壓法、溶膠-凝膠法以及3D打印等，下面將依次介紹各種制備工藝。

2.1.1 堆積法

PCF通常有幾十甚至上百個(gè)周期性排列的空氣孔，從PCF的概念提出來以后，一直沒有好的制備方法，直到1995年英國南安普頓大學(xué)的Russell團(tuán)隊(duì)提出了一種相對簡單的堆積方法[16]。主要步驟如下：（1）將石英玻璃管拉制成所需尺寸的毛細(xì)管；（2）按照設(shè)計(jì)需要，通過手工將毛細(xì)管和毛細(xì)棒堆積起來，形成空氣-石英結(jié)構(gòu)，然后用細(xì)線將這些毛細(xì)管和毛細(xì)棒進(jìn)行捆綁；（3）將堆積好的毛細(xì)管束放入外套管中，形成初始預(yù)制棒結(jié)構(gòu)。堆積法可以制作復(fù)雜周期結(jié)構(gòu)的PCF預(yù)制棒，成本低，而且非常靈活，不過制作過程復(fù)雜，成功率低。

2.1.2 打孔法

對于PCF預(yù)制棒，最容易想到的是打孔法。1991年，Yablonovitch通過在一塊折射率為3.6的絕緣體材料上應(yīng)用打孔法制成第一例人工光子帶隙晶體。2005年，F(xiàn)eng[17]等利用超聲波打孔機(jī)在硅酸鉛玻璃（SF玻璃）預(yù)制棒上制作多孔微結(jié)構(gòu)。2007年，英國南安普頓大學(xué)的Webb[18]等利用機(jī)械打孔的方式制備了石英懸垂芯PCF預(yù)制棒。2013年，德國耶拿光子技術(shù)研究所的Becker[19]等報(bào)道了利用激光打孔技術(shù)制備的PCF預(yù)制棒。2015年，寧波大學(xué)戴世勛教授團(tuán)隊(duì)利用機(jī)械打孔方法制備了硫化物玻璃PCF預(yù)制棒[20]。但是打孔法不適合石英玻璃，玻璃是一種易碎材料，張力和彎曲性不強(qiáng)，在打孔過程中容易斷裂。因此，打孔法對于制作非石英玻璃預(yù)制棒是一種有效手段。打孔法方便、快捷，效率更高。但是，對預(yù)制棒進(jìn)行打孔，使得孔內(nèi)表面粗糙，需要額外的拋光等，增加了制作時(shí)間和難度[16]。

2.1.3 擠壓法

擠壓法是在高溫高壓下，熔融玻璃通過微結(jié)構(gòu)模具被擠壓成與設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)一致的預(yù)制棒，已經(jīng)成功應(yīng)用于玻璃和聚合物PCF的預(yù)制棒制作。2003年，V V Ravik[21]等利用擠壓工藝制備出第一根非石英玻璃PCF預(yù)制棒。2003年，Kumar V[22]等采用擠壓工藝制備了碲酸鹽玻璃PCF預(yù)制棒。2006年，燕山大學(xué)的周桂耀[23]等在國內(nèi)首次采用擠壓工藝制備了SF6玻璃PCF預(yù)制棒。擠壓法在制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PCF預(yù)制棒時(shí)，受到模具材料的熱力學(xué)性能的影響會導(dǎo)致預(yù)制棒形變，使得空氣孔的準(zhǔn)確定位難度增大。擠壓法常用于制備硫化物玻璃光纖、氟化物玻璃光纖等，這是由于這些玻璃的熔點(diǎn)低，比較適合采用擠壓操作。對于石英玻璃而言，其熔融溫度高，模具材料的選擇困難，因此不易采用。隨著PCF預(yù)制棒制備工藝的發(fā)展，擠壓法由于模具成本高等原因，逐漸退出了歷史的舞臺。

2.1.4 溶膠-凝膠法

1846年，法國化學(xué)家J.J.Ebelmen發(fā)現(xiàn)正硅酸酯在空氣中水解時(shí)會形成凝膠，從而開創(chuàng)了溶膠-凝膠（Sol-Gel）化學(xué)的新紀(jì)元。溶膠-凝膠法用于制作PCF預(yù)制棒是在1998年首次被提出的，并于2002年由Gary R.Pickrell[24]等采用該方法制作出PCF預(yù)制棒。具體的制作步驟如下：第一步，制作出有一系列金屬棒的模型；第二步，接著往模型中填充pH高的硅膠顆粒，顆粒的尺寸為納米量級，pH降低的過程就是溶膠到凝膠的過程；第三步，凝膠完成后，去除金屬棒，凝膠體內(nèi)形成圓柱形的空氣孔；第四步，用熱化學(xué)方法處理凝膠體消除水蒸氣、有機(jī)和金屬污染。溶膠-凝膠法可通過調(diào)整模型設(shè)計(jì)來制作任意結(jié)構(gòu)的PCF預(yù)制棒，相對于堆積法在制作預(yù)制棒的過程中有很多潛在污染，溶膠-凝膠法可用化學(xué)處理工藝去除雜質(zhì)，材料污染低，可以制作出比采用堆積法更清潔的以二氧化硅為基質(zhì)的PCF預(yù)制棒，但不適用具有摻雜結(jié)構(gòu)的PCF預(yù)制棒制作。

2.1.5 3D打印

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型技術(shù)。雖然3D打印技術(shù)早已經(jīng)面世，但是應(yīng)用在PCF預(yù)制棒的制作上是近幾年的事。2015年，澳大利亞悉尼大學(xué)的Kevin Cook[25]等采用3D打印的技術(shù)制作出帶有六個(gè)空氣孔的PCF預(yù)制棒，PCF預(yù)制棒材料為改進(jìn)的丁二烯聚合物。PCF預(yù)制棒的長10cm，直徑1.6cm。2016年，英國阿斯頓大學(xué)的M.G.Zube[26]等采用3D打印技術(shù)制備了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）空芯PCF預(yù)制棒，并將其拉制成空芯PCF。盡管該結(jié)構(gòu)不完美，但卻為3D打印PMMA材料PCF預(yù)制棒的制作提供了參考。2016年，澳大利亞悉尼大學(xué)的John Canning[27]等采用3D打印機(jī)直接打印出了30μm的PCF，光纖的材料由氟化丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）和聚對苯二甲酸乙二醇酯醇（PETG）組成，通過測量損耗只有0.26dB/cm，跟標(biāo)準(zhǔn)光纖相比，還有很大的改進(jìn)空間，不過它已經(jīng)證明了只要3D打印機(jī)的噴嘴溫度合適，任何材料都可以直接打印成光纖。在之后3D打印石英玻璃材料上取得了突破性進(jìn)展，為3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)PCF的制備創(chuàng)造了條件。2021年，法國雷恩大學(xué)的Julie Carcreff[28]等采用3D打印技術(shù)首次打印出空芯的硫化玻璃PCF預(yù)制棒。3D打印未來可能會是PCF預(yù)制棒制作的一個(gè)趨勢，3D打印的優(yōu)勢在于可以制作出任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有利于未來光纖光學(xué)的發(fā)展。而且用3D打印光纖也得到了驗(yàn)證，也許在不久的將來，PCF的制備只需要一臺3D打印機(jī)。同時(shí)，3D打印的光學(xué)損耗還有待提高，3D打印PCF技術(shù)在其他的許多方面有待開發(fā)，包括理論、增材制造、相關(guān)設(shè)備等。

2.2 光子晶體光纖的拉絲工藝

PCF預(yù)制棒制作完成后，要想得到光子晶體光纖，還需要通過高溫爐將預(yù)制棒加熱軟化，在牽引的作用下將預(yù)制棒拉制成一定直徑的光纖。傳統(tǒng)實(shí)芯PCF的橫向結(jié)構(gòu)是預(yù)制棒的等比例縮小形式，空芯PCF拉絲是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，影響因素多，要使最終的PCF保持初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，需要精準(zhǔn)控制拉制參數(shù)。下面討論影響空芯PCF拉絲過程的因素。

首先，最容易想到的就是拉絲塔的配置，不一樣的設(shè)備對PCF拉絲會有不同程度的影響。2002年，美國新澤西州州立大學(xué)的Xu[29]等討論了加熱爐的長度和直徑對于拉絲過程的影響。加熱爐越長，空芯PCF的變形量越大，而加熱爐直徑的改變影響甚微，所以優(yōu)化加熱爐的長度對于批量生產(chǎn)PCF是有必要的。2005年，同樣美國新澤西州州立大學(xué)的Xu[30]等討論了加熱爐的溫度分布對于拉絲過程的影響。加熱爐內(nèi)溫度分布的不均勻會導(dǎo)致預(yù)制棒的溫度分布也不均勻，從而導(dǎo)致預(yù)制棒表面和中心線的溫度分布出現(xiàn)較大滯后，最終導(dǎo)致空氣孔變形。加熱爐加熱均勻，合適加熱長度以及適當(dāng)?shù)睦z速度，可以獲得較低的表面張力，從而拉制出高質(zhì)量的PCF。

在2000年和2001年，J.Y.Murthy[31]等以及J.Liu[32]等用有限體積法對拉絲過程的輻射傳熱進(jìn)行了數(shù)值建模。同樣在2000年，Ido Anteby[33]等利用有限元法對拉絲過程的輻射傳熱進(jìn)行了數(shù)值建模。上述文獻(xiàn)對拉絲過程的數(shù)值建模均沒有考慮PCF的具體結(jié)構(gòu)。2001年，英國南安普頓大學(xué)的Fitt[34]等基于流體力學(xué)的納維-斯托克斯（Navier-Stokes）對PCF毛細(xì)管拉絲過程建立了模型，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2002年，F(xiàn)itt[35]等在原有的建?；A(chǔ)上，考慮了PCF毛細(xì)管中加壓的情況。在Fitt的建模基礎(chǔ)上，拉開了研究人員對于PCF拉絲過程建模以及研究控制參數(shù)對PCF拉絲影響的大幕。2003年，K.Lyytikainen[36]等通過實(shí)驗(yàn)研究加壓對于三種不同壁厚PCF毛細(xì)管拉制后尺寸變化的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，薄壁PCF毛細(xì)管加壓后，尺寸變化更大。2004年，澳大利亞悉尼大學(xué)的Katja Lyytika¨inen[37]等分別對空芯和全固態(tài)的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）PCF傳熱過程進(jìn)行建模，討論了空芯PCF和全固態(tài)PCF升溫速度在不同空氣系數(shù)下的變化，通過實(shí)驗(yàn)和模型驗(yàn)證，高空氣系數(shù)（0.4-0.7）下的空芯PCF升溫速度快于全固態(tài)PCF，低空氣系數(shù)（0.1）下的空芯PCF升溫速度慢于全固態(tài)PCF。

2005年，S.C.Xue[38]等對PCF拉絲過程建模，通過實(shí)驗(yàn)觀察到，PCF加熱沒有達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，PCF空氣孔會膨脹，加熱達(dá)到穩(wěn)定后，PCF空氣孔會縮小塌陷。同年，F(xiàn).R.Villatoro[39]等將傳熱過程和PCF的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)合，討論了PCF的結(jié)構(gòu)對加熱到熔融狀態(tài)下時(shí)間的影響。主要討論了兩點(diǎn)，第一是預(yù)制棒結(jié)構(gòu)的空隙率（空氣孔的橫截面積和聚合物光纖橫截面積的比值）對加熱時(shí)間的影響，預(yù)制棒的空隙率越大，加熱到熔融狀態(tài)下的時(shí)間就越短，因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱率雖然比聚合物小，但是空氣的熱擴(kuò)散系數(shù)更大，所以空氣比聚合物更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，空隙率高的光纖預(yù)制棒加熱到熔融狀態(tài)更快。第二是PCF預(yù)制棒的結(jié)構(gòu)對加熱時(shí)間的影響，在具有同樣的空隙率，空氣孔越靠近預(yù)制棒的中心，加熱的時(shí)間越短。2006年，S.C.Xue[40]等研究了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）PCF和硅PCF在不同拉伸比（拉絲速度與送料速度之比）以及不同寬高比（預(yù)制棒半徑與軟化區(qū)域長度之比）下空氣孔的變形。忽略慣性力，空氣阻力，同時(shí)不考慮空氣孔中的加壓。在其他條件相同的時(shí)候，PMMA材料的PCF拉絲過程空氣孔容易膨脹，而硅PCF拉絲過程空氣孔容易塌陷。拉伸比越大，空氣孔容易膨脹，拉伸比越小，空氣孔容易塌陷。不過這項(xiàng)研究純粹是理論計(jì)算，而且沒有考慮加壓這項(xiàng)重要的因素。

2007年，S.C.Xue[41]等對聚合物光纖的加熱時(shí)間進(jìn)行了兩點(diǎn)討論，第一，全固態(tài)聚合物光纖和帶孔聚合物光纖的比較，得出帶孔光纖的加熱時(shí)間更短，這一點(diǎn)也可以從F.R.Villatoro的研究中推論得出。第二，帶孔聚合物光纖是否考慮孔內(nèi)輻射進(jìn)行對比，考慮孔內(nèi)輻射加熱時(shí)間更短。

2008年，周述文[42]等分析了PCF預(yù)制棒在拉絲時(shí)的受力情況，其中對表面張力和黏滯力的影響進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，討論了加壓拉絲工藝。同年，郭鐵英[43]等對引入氣壓控制的PCF拉制過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了送料速度、牽引速度、溫度、氣壓等各參數(shù)之間的協(xié)調(diào)控制及其對最終光纖結(jié)構(gòu)的影響。并在此基礎(chǔ)上，對包含非均勻孔徑PCF的制作進(jìn)行了探討。2009年，郭鐵英[44]等根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)理論建立了毛細(xì)管拉制過程的簡化模型。通過理論計(jì)算，分析了毛細(xì)管制作中的各種工藝參量，如控制參量、設(shè)備參量、預(yù)制棒結(jié)構(gòu)參量等，對最終毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的影響。

2013年，Giovanni Luzi[45]等采用漸近分析和基于流體力學(xué)的納維-斯托克斯（Navier-Stokes）對PCF毛細(xì)管拉制過程進(jìn)行建模，采用有限元的方法求解，分別將兩種方法的結(jié)果與實(shí)際比較，表明只要內(nèi)壓或溫度不過高，解析漸近分析更接近實(shí)際。2014年，Roman Kostecki[46]等把Fitt的建模應(yīng)用于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的PCF預(yù)制棒上，不僅僅是單根毛細(xì)管，通過Fitt的方程得到控制參數(shù)后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。結(jié)果表明，F(xiàn)itt的模型不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的PCF預(yù)制棒。

2015年，Michael J.Chen[47-50]等采用團(tuán)隊(duì)之前的建模模型驗(yàn)證了PCF表面張力的重要性，并且討論了PCF表面張力和PCF空氣孔中壓力的關(guān)系。加熱過程中，玻璃的溫度和爐溫會有一定差異，并且這個(gè)差異與PCF的直徑大小有關(guān)系，對于大直徑而言，差異為30%-31%，對于小直徑而言，差異為25%-27%。Michael J.Chen團(tuán)隊(duì)的模型比較準(zhǔn)確地預(yù)測了拉制過程中PCF的表面張力，但是對于空氣孔中的壓力預(yù)測有所偏差，可能有兩方面的原因：第一，加熱爐內(nèi)壓力測量儀器與實(shí)際壓力的偏差；第二，PCF拉制過程中，空氣孔自身會額外產(chǎn)生壓力。

Michael J.Chen等傾向于第二種，并且在未來的工作中，將著重研究PCF空氣孔在拉制過程是否存在自我增壓的過程。2015年，G.T.Jasion[51]等在Fitt的基礎(chǔ)上提出一種新方法來對PCF拉絲過程建模，并且對六孔PCF進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，但是缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2016年，Michael J.Chen[52]等利用漸進(jìn)分析法和一種新的建模方法模擬六孔PCF的拉制過程，并且與實(shí)驗(yàn)和有限元仿真對比，漸進(jìn)分析法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，基本預(yù)測了空氣孔的變形，同時(shí)驗(yàn)證了表面張力的重要性。同年，Peter Buchak[53]等提出了一種基于斯托克斯流變量公式求解表面張力的新數(shù)值方法。

2016年，A.N.Denisov[54]等通過建立PCF預(yù)制棒加熱上端的傳熱模型以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出了PCF預(yù)制棒受熱均勻的重要性，有利于拉制出性能穩(wěn)定的PCF。2017年，Shi chengXue[55]等建立了一個(gè)簡易模型，計(jì)算了加熱爐內(nèi)與PCF預(yù)制棒表面之間的對流換熱量。2018年，Song Ningfang[56]等研究了空芯PCF包層的六邊形圓角的空隙對于毛細(xì)管的影響。

綜上所述，空心光子帶隙PCF具備很多傳統(tǒng)光纖所不具備的光學(xué)性能，例如，非線性效應(yīng)低，功率損傷門限高等。因?yàn)榭招綪CF復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以PCF拉絲工藝一直是研究人員們的研究熱點(diǎn)，而影響空芯PCF拉制過程的主要因素有溫度，表面張力以及壓力?？招綪CF拉絲的核心問題是空氣孔塌陷，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)遭到破壞，最終無法獲得良好光學(xué)性能的PCF，于是將氣壓控制工藝引入了PCF拉絲系統(tǒng)中。研究人員們基于納維-斯托克斯方程建立了許多PCF拉絲過程的流體力學(xué)模型以及PCF拉絲過程的傳熱模型，用來預(yù)測PCF拉絲過程的孔變形。但是對于結(jié)構(gòu)靈活多變的PCF而言，并沒有通用性，只針對特定結(jié)構(gòu)的PCF有意義。除了上述三個(gè)主要因素外，影響PCF拉絲工藝的還有送料速度、拉絲速度、黏度、材料、PCF幾何結(jié)構(gòu)以及拉絲設(shè)備的不同，甚至測量參數(shù)儀器的準(zhǔn)確性也會影響PCF的拉絲過程，這些因素都會給PCF拉絲工藝的發(fā)展帶來困難。

3 結(jié)束語

PCF的特性是一些傳統(tǒng)光纖所沒有的，作為傳光介質(zhì)，在光子帶隙中傳輸信息，具有低損耗、低非線性、低色散[57]，是未來光通信的理想材料。盡管PCF已在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但其也面臨著制備工藝復(fù)雜、長距離結(jié)構(gòu)難以保持、成本高等問題，因此，PCF并沒有像傳統(tǒng)光纖那樣在各個(gè)領(lǐng)域大范圍的應(yīng)用和推廣。復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)一直是制約PCF制備的難題，進(jìn)而也限制了PCF的發(fā)展。PCF的理論研究有很多報(bào)道，但是PCF制備難的問題一直制約著理論的驗(yàn)證。近幾年，3D打印技術(shù)和光纖預(yù)制棒的結(jié)合，讓人們看到了復(fù)雜結(jié)構(gòu)PCF預(yù)制棒制備的可能，同時(shí)有報(bào)道表示，3D打印技術(shù)可以直接打印出光纖，如果可以量產(chǎn)，將會降低PCF制備的成本。不過無論是打印的預(yù)制棒還是打印的光纖，它們的損耗都遠(yuǎn)沒有達(dá)到傳統(tǒng)光纖的標(biāo)準(zhǔn)損耗。除了3D打印與光纖制備的結(jié)合，2017年，北京師范大學(xué)的Liu Yifang[58]采用靜電紡絲的技術(shù)制作出了PMMA光纖。在未來，解決PCF制備難的問題仍將是PCF研究領(lǐng)域的重點(diǎn)之一，也是使PCF能得到更加廣泛應(yīng)用的前提之一。