1998年英国Bath大学的Knight等首次提出光子晶体光纤是一种制造单模大模场光纤的新方法，并成功制备出模场直径为22μm、模场面积为380μm 的大模场光子晶体光纤。然而，由于大模场光子晶体光纤结构设计和预制棒制备工艺的复杂性，在随后的几年里其研究进展缓慢。直到德国Jena大学的Limpert等通过实心棒取代空气孔微结构包层内环若干数量空气孔的方法，增大纤芯直径，获得了模场面积超过1000μm2 的单模光子晶体光纤。2005年以后，大模场光子晶体光纤的设计和制备方法开始多样化，出现了各种形状的大模场光纤结构，包括泄漏通道光子晶体光纤、棒状光子晶体光纤、多芯光子晶体光纤等。光纤的模场面积也相应地得到极大提高。2007年美国IMRA 的Dong等利用泄漏通道结构获得了模场面积达3160μm2 的光子晶体光纤，随后又用该方法将光纤的模场面积提高到14000μm2。2009年研究者又设计出一种获得大模场光子晶体光纤的新方法应力诱导低折射率差法。美国IMRA的Fu等利用光纤拉丝冷却后形成的压力场诱导纤芯和低折射率沟道形成微小的折射率差[Δn≈6(±1)×10-5]，分别实现了模场面积为17400μm2(对应波长1.03μm)和模场面积为31600μm2(对应波长1.55μm)的单模低损耗光子晶体光纤。研究者在大模场光纤设计和制备方面进行了大量的研究工作，还报道了抗弯曲光子晶体光纤，以及其他大模场光子晶体光纤的设计方法。

自2001年英国Bath大学Wadsworth等采用掺Yb3+ 大模场光子晶体光纤实现激光输出以来，稀土离子掺杂的大模场光子晶体光纤开始广泛应用于光纤激光器，激光输出功率也从最初的315mW 提高到2.5kW 以上。有研究者预测大模场光子晶体光纤激光器单根光纤激光输出可达36kW，因此大模场光子晶体光纤激光器的激光输出功率还有很大的提升空间。与此同时，大模场光子晶体光纤在脉冲激光器、光纤放大器领域的应用也处于快速发展中，并取得重大进展，目前脉冲宽度已达到亚飞秒级，峰值功率不断提高。2003年以后，有关大模场光子晶体光纤色散特性、偏振特性、损耗等特性以及它在光纤通信系统中高速信号传输、超连续谱产生和高灵敏度传感器等方面的探索性应用研究相继报道。

国内在大模场光子晶体光纤方面的研究起步虽晚，其商业化进程也相对缓慢，然而近年来燕山大学、天津大学、南开大学、武汉邮电科学研究院、中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称中科院上海光机所)、华中科技大学和烽火通信等研究机构和厂商在大模场光子晶体光纤的设计与制备、高功率光纤激光器、放大器等方面取得了丰富的研究成果，部分工作已达国际先进水平。国内的大模场光子晶体光纤激光器的输出功率已从几瓦提升到近千瓦量级。在脉冲激光放大器方面，脉冲宽度也已达亚百飞秒量级，2008年天津大学刘博文等将光纤激光器的输出经光栅对压缩后，得到85fs超短脉冲。在大模场光子晶体光纤设计和制备方面，2010年燕山大学郭艳艳等采用多极法设计了一种新型的全固态八边形大模场低损耗掺镱石英光子晶体光纤，且可实现单模传输，在1.064μm处模场面积可达2000μm2。同年，燕山大学耿鹏程等采用多极法和有限差分光束传播法设计了一种大模场掺镱的七芯光子晶体光纤，其模场面积高达3703μm2。2010年中科院上海光机所的周秦岭等采用全矢量有限差分法设计了一种大模场面积平顶模场光子晶体光纤，模场面积超过2000μm2，与相同模场面积的其他类型光子晶体光纤相比，其损伤阈值和非线性阈值明显提高，有利于提高大模场光纤激光器及放大器的输出功率。中科院上海光机所和烽火通信有限在大模场光子晶体光纤的制备方面做出了巨大贡献，2006年烽火通信制备了模场面积为167μm2的掺镱宽频单模大模场光子晶体光纤，2009年该又制备了1465.7μm2 的大模场光子晶体光纤。2012年中科院上海光机所的冯素雅等制备了纤芯直径为260μm的准单模大模场光子晶体光纤，这是目前国内报道的最大纤芯的光子晶体光纤。

此外，虽然已报道的大模场光子晶体光纤的基质材料大都集中于石英材料，而基于一些新玻璃基质(如碲酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和硫系玻璃)的大模场光子晶体光纤近年来也开始相继报道。

在光子晶体光纤的应用中，光纤的传输模式、损耗、色散和模场面积等是决定其性能的重要参数。光子晶体光纤的许多应用要求其单模传输，单模传输特性可保证光子晶体光纤输出光束的质量，这对信号传输系统、光纤放大器、激光器尤其是超快脉冲激光器的应用极为重要。光纤的损耗决定了光信号的传输距离，在实际系统中损耗过大，则不可避免地需要增加信号放大器，既增加了系统的复杂度又提高了运营成本。色散是衡量光纤性能的另一个重要参数，对于信号传输、超连续谱发生、谐波的产生和孤子传输等有重要影响。非线性效应是高功率光纤系统进一步发展的最大障碍，为了突破非线性效应的限制，各国研究者付出了艰辛的努力。在研究大模场光子晶体光纤的特性及应用时，必须综合考虑上述各影响参数。与传统光纤类似，为了光子晶体光纤设计和性能表征的方便，研究者引入归一化频率V、模场面积Aeff、限制损耗Lc和色散D 等特征参数。

大模场光子晶体光纤结构设计方法

目前大模场光子晶体光纤结构设计方法主要包括:大芯径光子晶体光纤、棒状光子晶体光纤、泄漏通道光子晶体光纤和压力诱导光子晶体光纤等。

大芯径光子晶体光纤

大芯径法是实现大模场面积最简单有效的方法。它主要通过使用实心棒取代光子晶体光纤内环若干个空气孔以形成纤芯区来增大纤芯直径。目前取代1孔、3孔、7孔、19孔的光子晶体光纤均有报道。研究表明若保持光纤结构及参数相同，相比于取代1孔的光子晶体光纤，取代3内环空气孔的光子晶体光纤的模场面积可增加30%，取代7空气孔的光子晶体光纤模场直径可达到35μm，甚至45μm。此外，光子晶体光纤的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸无关，当改变结构尺寸时，光子晶体光纤仍可保持单模传输，这就提供了一条实现大模场面积光纤的途径，即可通过扩大光子晶体光纤的尺寸以增大纤芯直径。

棒状光子晶体光纤

棒状光子晶体光纤是Limpert等为进一步提高光子晶体光纤激光器输出功率，并免受高功率导致的受激拉曼散射、自相位调制等非线性效应限制而提出的一种新型大模场光子晶体光纤。这种棒状光纤由毫米量级的大尺寸棒状外包层、空气孔微结构内包层和大直径实心纤芯构成。光纤中存在两个重要的波导结构:一个用来传输抽运光，另一个可用来传输激光，具有棒状和光纤增益介质的双重优点。2005年Limpert等报道了Yb3+ 掺杂外包层直径为1.7mm、内包层直径为117μm、模场直径为35μm、长度为48cm的单模大内包层数值孔径的棒状光子晶体光纤，并且采用976nm的激光抽运，得到了近衍射极限输出功率为120W 的连续激光输出。随后，他们又制备出模场直径分别为60μm和100μm的有源、无源单模光子晶体光纤，泄漏通道光子晶体光纤。

为了打破传统光子晶体光纤中严格单模、低损耗、抗弯曲要求对模场直径的限制，2005年，美国提出了一种新型抗弯曲严格单模大模场光子晶体光纤的设计方法:泄通通道型光子晶体光纤。这种光子晶体光纤由一环或几环大直径空气孔和大直径纤芯构成，同时合理地选择空气孔的几何分布并采用大孔间距Λ。研究表明大纤芯直径可提高模场面积，大直径空气孔使得纤心和空气孔形成很大折射率差，光纤对基模具有很强的限制作用，大孔间距Λ 使得高阶模能够从大孔间通道泄漏出去。泄漏通道光子晶体光纤中基模的损耗很小(小于0.1dB/m)，高阶模的损耗很大(大于1dB/m)，因此可严格单模或近单模工作。这种光纤的出现对高功率光纤激光器和光纤放大器等光器件的发展形成了极大的推动作用。

2005年Wong等制备出模场面积为1417μm2 单模低损耗泄漏通道光子晶体光纤，研究表明，当纤芯直径增大到100μm时，这种光纤仍能单模工作。2007年制备出模场面积为3160μm2 的掺Yb3+ 低损耗单模泄漏通道光纤和模场面积为1400μm2 的偏振保持泄漏通道光纤，实验验证了该光纤优异的抗弯曲特性。

应力诱导型光子晶体光纤

根据单模传输条件，当纤芯直径Dcore很大时，要保持光纤严格单模传输就必须降低光纤的数值孔径NA。由于传统光纤气相沉积过程中掺杂控制精度的限制，传统单模光纤的数值孔径通常为NA>0.06，进一步降低数值孔径难度非常大，所以传统单模光纤的模场面积有限。为解决NA 值难于进一步降低的问题，Fu等提出了应力诱导型光子晶体光纤。与传统空气孔微结构光子晶体光纤不同，应力诱导型光子晶体光纤是由两种热膨胀系数不同(但相差不大)的玻璃材质组成，以高折射率石英玻璃为背景，低折射率石英玻璃棒按照一定的规律分布在高折射率棒中，形成与空气孔微结构类似的等效低折射率玻璃棒微结构包层。

在光纤的拉制过程中，由于扩散、气氛影响及其他表面效应，低折射率玻璃棒的表面比内部有更高的膨胀系数，当光纤缓慢冷却时在石英棒的周围产生了低折射率的沟道，沟道与纤心区的折射率差为10-5量级，因此应力诱导型光子晶体光纤可实现大直径纤芯，并同时保持严格单模运转。2009年Fu等首次制造出包层尺寸为1.2mm、纤芯直径为252μm、模场面积分别为17400μm(对应波长为1.03μm)和31600μm(对应波长为1.5μm)的应力诱导型光子晶体光纤力诱导型PCF横截面上灰色点代表氟掺杂的石英玻璃棒，按三角格子排列在纯石英玻璃中，灰色的六边形为低折射率的沟道，沟道和纤芯的折射率差为6(±1)×10。

综上所述，以上各种方法各有优缺点:大芯径法是实现大模场光子晶体光纤最直接有效的方法，是其他方法的基础;棒状光子晶体光纤的纤芯直径和外径均较大，既可提高光纤的散热性能又可增加光纤的机械性能，可以免去有机聚合物涂覆层，提高了光纤的热损伤阈值;泄漏型光子晶体光纤的尺寸通常与棒状光子晶体光纤相当，但是其结构简单，更易于制备，可采用挤压、钻孔等方法获得;相比于以上几种方法，应力诱导型光子晶体光纤的纤芯与低折射率沟道折射率差极小，可更大程度地增大纤芯直径，同时保持单模运转，然而其折射率精度控制要求极高，制备比较困难。

光纤激光器具有结构简单、散热效果好、转换效率高、光束质量高以及维护方便等优点，成为国内外激光研究领域的最大热点之一。近年来随着包层抽运、抽运耦合和光束整形等技术的发展，光纤激光器的输出功率迅速提高。2004年，Jeong等采用掺镱双包层光纤首次实现了单根光纤千瓦量级的激光输出。到2010年，已实现了单根光纤10kW 近衍射极限的激光输出。光纤激光器功率的提升使得它的应用从光纤通信、光纤传感、光谱学分析等方面进一步扩展到如工业加工、激光医疗和空间通信等领域。

尽管光纤激光器的输出功率提高很快，但是受光纤的非线性效应、光损伤及热损伤等物理机制的限制，欲更大幅度地提高单个激光器的功率已经相当困难。然而，光纤的非线性效应与光纤的模场面积成反比，模场面积越大非线性效应越弱，非线性阈值越高。因此，大模场光纤是解决光纤激光器功率提升面临的非线性效应及光纤损伤的一种最直接有效的途径。然而，为保证输出激光的光束质量，在要求大模场面积(LMA)的同时，必须使光纤能够单模运转。而传统的单模光纤的纤芯直径很小，难以实现大模场面积;增大纤芯直径则不可避免地会造成多横模竞争，影响输出光束质量。光子晶体光纤(PCF)是实现大模场最有前途的一种光纤结构。相比于传统的光纤，光子晶体光纤具有许多奇特的光学性质，如无截止单模、低限制损耗、色散可调、高双折射、大模场面积和大数值孔径等，可以克服传统光纤激光器的诸多难题。首先，光子晶体光纤可实现单模大模场面积，在保证激光传输质量的同时，显著降低光纤中的激光功率密度，减小光纤中的非线性效应，提高光纤材料的损伤阈值;其次，光子晶体光纤可以实现较大的内包层数值孔径，从而提高抽运光的耦合效率，可采用长度相对较短的光纤实现高功率输出。

大模场光子晶体光纤的诸多优良特性，使它成为光纤激光器中一个新的研究热点，在高功率光纤激光器的研究和应用中发挥越来越重要的作用。本文回顾了大模场光子晶体光纤的研究历程，从大模场光子晶体光纤特征参数、设计方法和应用热点等方面概括了大模场光子晶体光纤的研究现状，最后对其发展进行了展望。