眾所周知，材料科學(xué)是光纖通信技術(shù)的基礎(chǔ)，即正是在半導(dǎo)體激光器和光纖的發(fā)明之后才誕生了光纖通信。由通信光纖研究的歷程中，我們可以深切得到這樣一個(gè)結(jié)論，通信光纖品種的不斷更新、性能研究的突破，這一切都是建立在通信光纖材料研究的突破上。例如石英玻璃光纖的誕生，使得世界的通信由電通信進(jìn)入光通信；紅外光纖的成功進(jìn)一步減小了光纖的理論傳輸衰減；塑料光纖的問(wèn)世，又大大降低了光纖和接續(xù)的成本，從而推動(dòng)了光纖通信到家庭、光纖到桌面的步伐。光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其具有獨(dú)特性能，為光纖通信開(kāi)發(fā)出新型光纖奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著PCF的導(dǎo)光理論、制造工藝和應(yīng)用技術(shù)的成熟，PCF有望成為下一代光纖通信用的光傳輸介質(zhì)。1991年，Russell根據(jù)光子晶體傳光原理又提出了光子晶體光纖的概念。后來(lái)，人們又利用石英玻璃管和石英玻璃棒研究出了光子晶體光纖。
光子晶體光纖（PCF，Photonic Crystal optical Fiber）是一種由單一介質(zhì)（通常為石英玻璃，也可以為塑料）構(gòu)成、并且在二維方向上呈現(xiàn)周期性緊密排列（周期性六角形）、而在三維空間（光纖軸向）基本保持不變的波長(zhǎng)量級(jí)空氣孔構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)包層的新型光纖。與常規(guī)光纖不同，PCF是由石英玻璃-空氣孔微小結(jié)構(gòu)組成的光纖，其又可以分為實(shí)芯光纖和空芯光纖，即前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛細(xì)管加熱拉制成的，而后者則是由石英玻璃管和石英玻璃毛細(xì)管加熱拉制成的。正是通過(guò)前按照設(shè)計(jì)出的PCF的基本結(jié)構(gòu)：按照預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀（六角形）將石英玻璃毛細(xì)管緊密地排列在作為纖芯的石英玻璃棒或一圈石英玻璃毛細(xì)管的周圍，即集束成棒，再通過(guò)加熱拉制就可以制成所需要的性能的PCF。表征PCF性能的3個(gè)特征參數(shù)是纖芯直徑、包層空氣孔直徑、包層空氣孔之間距離。在PCF的拉制過(guò)程中，改變拉制溫度和速度就可以調(diào)整PCF的結(jié)構(gòu)和性能，使得PCF作為光傳輸介質(zhì)和光器件具有許多誘人之處。實(shí)際上，人們是通過(guò)調(diào)整纖芯直徑、包層空氣孔直徑、包層空氣孔之間距離方式來(lái)達(dá)到分別制造出具有低衰減、高色散、非線性效應(yīng)小（大模場(chǎng)直徑或者大有效面積）、保偏和小彎曲損耗等性能的PCF的目的。
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，尤其是對(duì)于長(zhǎng)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性能日趨完善。特別是K.Tajima等人通過(guò)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尺寸，以及d/ r值，從而達(dá)到既減小PCF的衰減，又改善PCF的色散和色散斜率的目的。
2003年初的世界光纖通信（OFC）會(huì)議上，日本電報(bào)電話公司接入網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)的K.Tajima等研制出衰減為0.37dB/km、長(zhǎng)度超過(guò)10km的超低衰減、長(zhǎng)長(zhǎng)度的PCF。PCF具有完全的單模特性。PCF的可用工作波長(zhǎng)范圍為0.458~1.7μm。只要對(duì)0.458~1.7μm工作波長(zhǎng)范圍進(jìn)行優(yōu)化，PCF的傳輸容量將會(huì)得到大大的提高。NTT公司的研究人員利用PCF組成10km的線路進(jìn)行了8×10Gbit/s的波分復(fù)用傳輸試驗(yàn)，試驗(yàn)效果良好。C.Peucheret等人的研究小組利用5.6km的PCF線路進(jìn)行工作波長(zhǎng)為1550nm的40Gbit/s的傳輸試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)所用的PCF的有效面積是72μm2、其衰減為1.7dB/km、色散系數(shù)為32ps/km·nm。試驗(yàn)表明，PCF作為光信號(hào)傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)的性能沒(méi)有明顯的劣化。這充分證明，與常規(guī)光纖相比，PCF作為光信號(hào)傳輸介質(zhì)最大的優(yōu)勢(shì)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)。隨著PCF的導(dǎo)光理論、制造工藝和應(yīng)用技術(shù)的成熟，PCF有望成為下一代光纖維通信用的光傳輸介質(zhì)。
半導(dǎo)體超晶格和量子阱生長(zhǎng)工藝的成熟為光子晶體光纖的制作提供了新的思路。制作光纖時(shí)用幾百根硅棒或硅管排列成陣列，然后從中心抽去7根，留下7個(gè)原尺寸的孔，或者在中心應(yīng)該使用硅管的地方用硅棒代替。在約2000℃的溫度下拉制成直徑為40μｍ的光纖，光纖包層中空氣孔的直徑為亞微米，間隔為幾個(gè)微米。
光子晶體光纖的光學(xué)性質(zhì)可以用光的傳播常數(shù)描述，第一個(gè)被廣泛接受的光子晶體光纖模型是Birks等人在1997年提出的有效指數(shù)模型。根據(jù)該模型，光子晶體光纖可以仿照普通光纖給出單模條件。
利用光子晶體光纖可以進(jìn)行高能量傳輸、高靈敏度光譜分析、非線性光學(xué)傳感、光纖通信的可控制群速度色散補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)超短脈沖的激光器和放大器以及拍長(zhǎng)很小的保偏光纖等。
光子晶體光纖和普通單模光纖相比有3個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，詳見(jiàn)下表1；光子晶體光纖和普通單模光纖相比有4個(gè)不同尋常的特性，具體詳見(jiàn)下表2。
表1：PCF的特點(diǎn)
表2：PCF的特性
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