与普通保偏光纤相似,通过改变包层的结构参数可以制做具有高双折射效应的PCF。最近理论上设计的一种PCF双折射度可达10- 3。它仍然采用高折射率无孔纤芯,包层周期性多孔的结构,但为了引入双折射,增大了中心附近的2个孔径,并同时减小这2个孔的距离(从Λ1变为Λ2 )。考虑到包层结构参数的随机性,光纤中不但有主动引入的双折射,而且还有非主动引入的双折射,后者将影响整个光纤的双折射性能。结果发现, 1) 当结构尺寸Λ1 比真空中波长λ的2倍小时,主动引入的双折射可达10以上; 2) 虽然主动引入的双折射很大,但是包层参数的随机性引入的双折射也不小。实际所得到的双折射PCF表现出很强的双折射,基于偏振模差拍的频谱测量所得到的拍长在1 540 nm处约为4 mm,即3. 85× 10- 3。
SiO2 材料的非线性效应很低,非线性光纤器件的典型长度在1 km的量级,这不适于实际应用。考虑到SiO2 材料和空气的折射率差很大,如果增大包层孔径或减小孔间距,就可以得到大的数值孔径和相应的紧密束缚的模场。这样可以利用PCF光纤技术来减小模场面积,即增大光纤的非线性,从而使PCF同时具备强非线性和快速响应的特性。常规光纤有效截面积在50~ 100μm2 量级,而PCF可做到1μm2 量级, 所以各种典型非线性光纤器件如克尔光闸, 非线性环形镜( NO LM)等就可以做成比普通光纤的短100倍。同时PCF的色散特性使得短波非线性过程可以在低色散条件下进行,从而实而能实现短波孤子传输、白光超连续谱等非线性应用。
光纤的自相位调制( SPM)会产生新的频谱分量,而频移量与入射光的峰值功率成正比,所以频移量反映了入射光的强度。当经SPM作用后的光脉冲信号通过与入射信号光中心频率有一定频移(与信号脉冲的非线性频移相应)的带通滤波器时,则只有峰值功率足够大的脉冲所产生的SPM频移分量才会落在滤波器频带范围内,否则无法通过。PCF的高非线性系数使得单位功率的SPM频移量增加,据此可用来制做2-R再生的光开关。
随着光纤激光器的高功率化，在传输过程中光纤所遇到的非线性效应和材料损伤问题在一定程度上限制了大功率光纤激光器的发展。扩大光纤中的模场面积是一种能够有效避免这些问题的直接手段。对传统的光纤结构而言，要实现大模场，一定程度上需要获得更粗的纤芯直径。为了保证光束质量，输出光需要保持单模或近似单模特性。由光纤光学理论可知，单包层光纤的模式数量与归一化频率V 正相关，仅当V<2.405时，光纤才可实现单模输出，而V 正比于纤芯直径a 和纤芯包层相对折射率差(n2 core-nclad2)1/2，反比于导波波长λ，其中nclad为包层有效折射率，ncore为纤芯折射率。因此，增加芯径a会使归一化频率V 增大，这为单模特性的保持带来了困难。针对该问题主要有两种解决方案:一是将尺寸较大的多模光纤单模化，即通过各种高阶模抑制手段(如弯曲选模，光锥选模，增益控制，新型手型耦合光纤，模式转换等)来降低高阶模的影响;二是在保证光纤单模特性的同时，扩大其模场面积，即通过特殊设计光纤截面折射率分布来优化模场分布，基于该思路的代表性设计为光子晶体光纤(PCF)。PCF有较大的人工设计空间，通过控制其微结构参数即可对模场面积、色散特性、数值孔径、偏振特性等进行针对性优化。而且，PCF在几何上与普通光纤一样具有轴向平移不变性，可通过堆叠拉丝和钻孔法获得，其制造工艺在近些年来又有一些新的发展。此外，PCF的构造材料相对单一，最简单的空气孔PCF可仅由硅玻璃一种材料构成，其机械特性、热力学特性等更加良好，使其成为目前优化光纤模场分布研究方向的热点。
