光子晶體光纖（PCF）也稱為微結構光纖（MOF） ，是一類不同類型的光纖，特別適用于傳感，生物醫學成像，時域光譜學，安全性，DNA雜交和癌癥檢測領域的應用，并在光通信。 與傳統光纖不同，PCF提供高雙折射和可控色散。
實芯PCF經歷大量材料損失，不適用于太赫茲信號傳輸，而空心PCF限制電磁波的傳播距離較短，并具有與光纖的直徑和彎曲半徑成反比的高的彎曲損耗。 由于這些不合需要的特征已經減緩了對固態和中空芯PCF的接受度，多孔芯纖維已經被開發出來。
我們在阿德萊德大學的團隊專注于多孔芯PCF，其中包含工程數量的微結構氣孔，允許設計人員控制全球光纖參數，如氣孔大小，間距（中心到中心之間的距離氣孔），芯徑和氣孔形狀。 反過來，諸如有效材料損失，雙折射，分散，約束損失，數值孔徑和其它模態特性的操作參數可以通過設計獲得，如應用要求所規定的。
PCF作為波導
波導的主要功能是以期望的波長傳輸具有盡可能低的傳輸損耗和接近零色散的電磁輻射。 在過去的十年中，已經設計和研究了許多波導結構以實現電磁波的高效可靠傳輸。
最初，太赫茲電磁波由金屬波導引導。 各種類型的金屬波導包括圓形，平行板，裸金屬線和狹縫波導。 不幸的是，金屬波導面臨許多問題，包括金屬條和槽產生大的歐姆和衰減損耗的事實; 圓形金屬波導襯底導致高介電損耗; 束在非導向介質中擴散會導致平行板波導中的發散損失; 并且由于模式對結構的約束很弱，所以發生裸金屬波導中的輻射損耗。 用于太赫茲傳輸的更好選擇是光纖電介質波導。
減少傳輸損失
考慮到PCF的優點，許多波導結構被設計用于電磁波的低損耗傳輸（見圖1）。
為降低電磁（特別是太赫茲）波的傳輸損耗而提出的光子晶體光纖（PCF）設計包括正六邊形包層中的混合纖芯（a），改性六邊形包層中的混合纖芯（b），旋轉（c）中的六角形核心以及kagome包層中的菱形核心（d）。
通過（a）六邊形包層和混合結構核心，可以顯著降低由PCF背景中使用的散裝材料引起的材料吸收損失; （b）改進的六邊形包層，其中去除每個邊緣的氣孔，減少損失并改善雙折射; （c）具有旋轉六角形芯的圓形包覆PCF波導; 和（d）kagome包覆的PCF，比其他競爭性PCF結構減少約束損失3-4倍。 1
后者的kagome 配置比其他報道的包層結構減少了3-4倍的損耗。 原因是kagome包層能夠在芯體內部收集更多的光線，并限制光線進一步朝向包層。
高雙折射
對于偏振保持應用，PCF需要在x和y極化模式之間具有不對稱性。 因此，已經提出了許多不對稱結構的波導來獲得高雙折射，包括凱格美晶格內的橢圓形和矩形空氣孔（見圖2）。
高度雙折射的基于PCF的波導包括具有橢圓形空氣孔芯（a）的kagome包層，具有矩形空氣孔芯（b）的kagome包層以及具有橢圓形空氣孔陣列的矩形空氣孔包層在核心（c）中。
核心中的這些橢圓形和矩形氣孔在x和y偏振模式之間產生大的不對稱，從而改善了雙折射。 注意，也有可能使用圓形空氣孔產生雙折射 - 然而，這也需要在偏振模式之間產生不對稱的結構。
雙折射和傳感
通過用各種分析物代替PCF孔中的環境空氣，可將PCF轉換成傳感器。 通過優化PCF的改進的全內反射（MTIR）機制來改善光線與周圍PCF基底材料的相互作用，提高了靈敏度。
例如，如果我們使用水（折射率大約為1.33）作為核心孔內的分析物而不是空氣（折射率大約為1.0），則與分析物的光相互作用將更強烈，因為由于較高的折射率導致較強的MTIR的核心比包層。 實質上，核心功率分數增加并且限制損失減少。 請注意，相對靈敏度與核心功率分數成正比，因此，隨著核心功率分數的增加，相對靈敏度也會增加（見圖3）。
用作傳感器的PCF的示例包括具有多孔芯的懸掛型包層（a）和具有中空芯的矩形氣孔包層（b）。
那么，為什么傳感需要PCF雙折射？ 考慮到乙醇作為化學分析物，實驗表明測量的不確定性隨著樣品厚度的增加而增加，因為當太赫茲波用作詢問波長時，其吸收增加。 但是，如果樣品厚度減少太多，由于相互作用深度不夠，不確定度也會增加，因此需要在這兩個極值之間進行權衡，并計算最佳厚度。
光學常數的標準偏差與樣品厚度進行比較。 標準偏差最小的最佳厚度由箭頭表示。 通過轉向更厚的樣品，標準偏差迅速增加到與光學常數值相當的程度。 高頻處的標準偏差對厚度增量更敏感，因為高頻處的太赫茲射線強度相對較低。
已經證明最小化測量不確定度的最佳樣品厚度是（2 / α ），其中α是吸收系數。 請注意，0.2-1.4 THz波段的乙醇吸收系數在20-80 cm -1范圍內。 如果考慮α = 20 cm -1 ，這將產生最差的最大厚度2 / α = 2/20 = 0.1 cm = 1 mm。
盡管1mm厚度值相當大，但不確定性與厚度曲線的最小值不是很窄，但合理平坦 - 即將最佳厚度減半不會顯著降低不確定度。 因此，我們可以合理地將1mm的值減半，并選擇0.5mm作為合適的樣品厚度。 當這個0.5毫米的樣品在1.4 THz左右進行分析時，現在太赫茲輻射的路徑長度有效地為0.05×80 = 4個吸收長度。 這對應于20log衰減，這是可管理的。
眾所周知，基于光纖的太赫茲外差檢測功率可低至3μW。 這意味著進入光纖的輸入太赫茲功率必須> 160μW，這是完全可以實現的。 因為眾所周知，基于光纖的外差檢測要求本地振蕩器的偏振與光纖末端檢測到的偏振對齊，所以必須使用保偏光纖，以確保PCF光纖中雙折射的需要基于太赫茲傳感。
PCF傳感器比較
用于感測 多孔芯和空心PCF的 表明，空芯可以提高性能，因為更多的分析物可以填充芯結構。 3在具有基于圓形氣孔的多孔芯的懸掛型包層的傳感器結構中，根據所使用的玻璃材料的不同，芯界面會產生傳感問題。
在使用外部或內部感應機制的PCF感應中也有選擇（見圖5）。 在外部傳感方法中，分析物通道在等離子體材料之外并且相對容易填充。 相反，空氣孔內分析物的內部傳感方法更復雜，因為用分析物填充微結構微孔是困難的。
.基于PCF的表面等離子體共振生物傳感器可用于外部感測（a）或內部感測（b） 配置。
使用PCF的金屬和介電界面之間的表面等離子體共振（SPR）效應也可以創建基于SPR的生物傳感器。 通過在光纖芯中摻入金，銅，鐵和銀等金屬，SPR在p-極化光波的電子在金屬 - 介電界面之間振蕩時起作用。 環境折射率的微小變化改變了共振波長，為醫學診斷和測試，抗原抗體相互作用，環境監測，國土安全和食品安全提供了極其靈敏的SPR傳感器。 4
迄今為止，諸如毛細管堆積，鉆孔和溶膠 - 凝膠方法的PCF制造方法產生圓孔，而3D打印，擠出和化學氣相沉積（CVD）方法產生非圓形和復雜結構。 隨著這些方法的改進，下一代PCF設計將繼續在傳感和傳輸應用方面取得進展。
