文/施伟华，邵婉婷，娄跃，穆蓉秋

南京邮电大学电子与光学工程、微电子学院

 

什么是微结构光纤

 

传统光纤的纤芯和包层由两层折射率不同的材料组成，纤芯折射率比包层略大，其折射率差可以通过掺杂的方法实现。传统光纤导光原理是全反射，即当光线在芯包界面的入射角大于全反射发生的临界角时，光线不透过界面，全部反射，被限制在纤芯内，从而实现导光。

 

20世纪70年代低损耗光纤的出现和广泛应用奠定了光纤通信迅速发展的基础，并成为推动光电子技术和信息技术发展的标志性成就。但是传统光纤在色散、损耗、非线性等性能上都存在局限性，随着光纤通信网络的迅速发展，传统光纤的局限性成为超大容量、超高速发展的制约瓶颈。微结构光纤在20世纪90年代的光纤技术革命中应运而生。

 

微结构光纤是一种新型光纤，其纤芯或包层不再是传统光纤那样的单一结构，而是在其中引入了一些微小结构，如包层中周期性结构、纤芯中缺陷结构等，以此来获得不同于传统光纤的性能。

 

引入的微小结构极大地增加了光纤的设计自由度，通过调整结构，可以得到传统光纤不具备的优良特性，被广泛应用于光纤通信、光纤传感、非线性光纤光学及新型光纤功能器件等领域。与传统光纤相比，微结构光纤由于引入了不同的微小结构，设计较为灵活，因此具有以下优点：

 

• 灵活的色散特性。可以实现近零色散平坦、大负色散、零色散等，而色散可控对于实际应用如光通信系统、色散补偿、线性和非线性光学等有非常重要的意义。
• 较低的损耗特性和大模场面积特性。可以通过改变光纤结构有效降低损耗，通过增大模场面积有效降低光纤中的非线性效应，从而改善光纤的传输特性。大模场面积特性还适合高功率激光传输。目前低损耗微结构光纤的制备工艺和成本制约了其作为传输光纤替代现有光纤的推进。
• 高非线性特性。可以灵活设计纤芯结构和选用高非线性光纤材料，使其具有较高的非线性，结合色散可控的特性，在超连续谱等非线性光纤的研究中起着重要作用。
• 高双折射特性。可以在两个垂直方向上实现较大的有效折射率差，相较传统光纤可以将双折射提高一到两个数量级，能够应用于新型保偏光纤等方面。

 

除以上特性外，微结构光纤还具有可填充性。可以在微结构光纤的空芯或包层空气孔中进行填充，一方面填充材料改变了光纤的折射率分布，从而改变光纤的基本性能；另一方面，填充温度、电场、磁场等敏感材料，可实现温度、电场、磁场等物理量的高灵敏传感。

 

微结构光纤主要分为光子晶体光纤、Bragg光纤和反谐振光纤三类。在对其主要结构及应用进行探讨之前，可先对微结构光纤的传光原理进行了解。

 

微结构光纤主要类型及其传光原理

 

光子晶体光纤及其传光原理

 

光子晶体光纤（PCF）是微结构光纤中研究最多的一种。光子晶体光纤按传光原理可以分成两大类：带隙型（PBG）光子晶体光纤和全内反射型（TIR）光子晶体光纤，其导光原理分别对应光子带隙效应和全内反射效应。

 

带隙型光子晶体光纤的包层结构由在基底材料中周期性分布的空气孔构成，空气孔的大小、间距和周期排列都具有严格要求；在中心引入线缺陷形成低折射率的纤芯（大多为空芯），从而使光以缺陷态局域在纤芯中传输[1]。

 

不同于传统光纤的导光机制，当光线入射到纤芯和包层空气孔的界面上时，由于受到包层周期性结构的多重散射，对满足Bragg条件的某些特定波长和入射角的光产生干涉从而使光线回到纤芯中，光被限制在纤芯中向前传播，如图1所示。

 

图1 光子带隙光纤（PBG-PCF）结构及导光示意图

[唐灿. 光子晶体光纤研究[D]. 电子科技大学, 2005.]

 

全内反射型光子晶体光纤的包层中也形成了空气孔的周期性排列，但对空气孔的大小、间距和周期排列不具有严格要求。在中心处通过缺失空气孔形成纤芯，纤芯具有较高折射率，从而形成类似于普通阶跃光纤的基于光的全内反射效应的导光原理，如图2所示。

 

图2 全内反射光子晶体光纤结构及导光示意图

[唐灿. 光子晶体光纤研究[D]. 电子科技大学, 2005.]

 

Bragg光纤及其传光原理

 

如图3(a)所示为周期性Bragg光纤横截面结构。它包括一个低折射率纤芯和具有周期性的包层，这种包层由若干高、低折射率相间的环形层构成。可以通过改变芯区的半径、芯区折射率、包层层数、包层折射率差、包层厚度等多项结构参数来控制传输特性，具有设计灵活性。根据纤芯引入低折射率缺陷介质的不同，又可以分为实芯和空芯两种结构。

 

Bragg光纤导光机制如图3(b)所示，当光到达纤芯和包层界面时将被周期性介质层散射，对于满足Bragg条件的特殊波长而言，无论它以何种角度入射，均被包层周期性结构通过多重散射和干涉而返回到纤芯中，最终表现为一定波长的光不能在光纤截面横向传播，只能被限制在纤芯的缺陷中沿轴向进行传播。

 

图 3 (a) Bragg光纤横截面结构，(b) Bragg光纤带隙导光机制

 

反谐振光纤及其传光原理

 

反谐振光纤的基本结构如图4(a)所示，包括低折射率的纤芯区域和高折射率的包层区域；高折射率的包层区域又分为两部分——内包层区和外包层区，内包层区由一层或多层的包层管组成，外包层为一层有一定厚度的包层管组成；内包层包围的区域为低折射率的纤芯区域。图4(a)是空芯反谐振光纤的一种简单结构，内包层由8个高折射率圆形的包层管组成，相邻包层管是相互接触的，属于有节点的反谐振光纤；当相邻包层管相互不接触，就属于无节点的反谐振光纤，如图5(a)、(b)、(d)所示。无节点反谐振光纤大多采用嵌套式结构，如两层圆形管嵌套（图5(a)）、圆形管与椭圆形管嵌套（图5(b)）和圆形管嵌套多个小圆形管（图5(d)）的结构。单圈椭圆管结构（图5(c)）也是常见的一种无节点反谐振光纤。无节点反谐振光纤的包层管一般由外包层连接。

 

图4(a)有节点空芯反谐振光纤示意图，(b)ARROW结构示意图

 

图 5 (a)嵌套管结构的反谐振空芯光纤；(b)嵌套椭圆管结构的反谐振空芯光纤；(c)单圈椭圆管反谐振空芯光纤；(d)嵌套三个圆管结构的反谐振空芯光纤

[高寿飞, 汪滢莹, 王璞. 反谐振空芯光纤及气体拉曼激光技术的研究进展[J]. 中国激光, 2019, 46(005):175-192.]

 

反谐振光纤的导光原理可以用平面波导中的反谐振反射(ARROW)原理来进行解释，当光传输至纤芯和包层交界面时，对于满足谐振条件的光直接从包层透射出去，而其它不满足谐振条件的光将会被反射回纤芯区域。反谐振反射原理示意图如图4(b)所示，图中n1纤芯折射率，n2为包层折射率，d为包层厚度，a为纤芯直径。谐振条件通常由波长、包层和纤芯折射率、包层管壁厚决定。

 

综上所述，光子晶体光纤和Bragg光纤都是通过光子带隙机制导光，反谐振光纤基于反谐振机制导光。和传统光纤相比，这三种微结构光纤都拥有较低的损耗值、良好的非线性、灵活的色散、结构参数可调节的特点。由于实际加工中的局限性(主要是由材料损耗带来的问题)， Bragg光纤的损耗远大于带隙型光子晶体光纤(3个数量级以上), 这降低了Bragg光纤导光机制的学术意义及其应用。

 

微结构光纤主要应用

 

光子晶体光纤的主要应用

 

光子晶体光纤具有无截止单模传输特性、灵活的色散特性、良好的非线性效应和可填充性等传统光纤无法比拟的特性，近年来被广泛应用于很多方面，下面简述其主要应用。

 

• 光子晶体光纤在大范围内支持单模传输，这使得单模工作波段相比传统单模光纤而言得到较大扩展，为波分复用增加信道数提供了可能。
• 光子晶体光纤的结构和纤芯可以灵活设计，因此易于实现大模场面积。将大模场面积与宽带单模传输特性结合起来，可实现高功率能量的传输。
• 选择合适的包层结构和光纤基底材料，可以控制光子晶体光纤的色散特性，得到色散平坦、多个色散零点或大的正负色散，适用于传输、光纤功能器件、色散补偿。
• 通过设计光子晶体光纤的纤芯和选用高非线性光纤材料，可以使光子晶体光纤具有很强的非线性效应，最成功的应用之一是利用纳秒、皮秒和飞秒光脉冲抽运光子晶体光纤，激发多重光学非线性效应(自相位调制、交叉相位调制、四波混频等)，实现频谱展宽，从而产生超连续光谱，由此产生的超连续谱具有光谱范围宽、平坦度高、相干性好等优势。
• 在光子晶体光纤中引入不同传感机制（如表面等离子体共振，SPR），可实现高灵敏传感，折射率灵敏度比基于传统光纤的高1个数量级左右，从而可以应用于各种微小量变检测，如大气污染监测、生物传感、环境检测和应力结构监测等。在其空气孔或空芯内选择性填充各类敏感介质，使光纤的传输及模式特性发生改变，从而实现多种物理量（如温湿度、应力、电磁量等等）的高灵敏度检测。

 

此外还可实现基于光子晶体光纤的多种功能光纤器件（如偏振器、滤波器、波长转换等）。

 

反谐振光纤的主要应用

 

反谐振光纤在高功率脉冲激光传输及压缩、超快非线性频率变换、高速高容量光通信、生物化学分析和量子存储等领域展现出广阔的应用前景。目前反谐振光纤的超低损耗特性被广泛关注并成为研究热点，2020年有报道反谐振光纤在1510 -1600 nm，平均损耗为0.28±0.04 dB/km[3]。

 

微结构光纤的发展趋势

 

综合当前国内外研究和应用现状，微结构光纤将在如下几个方向发展：

 

• 光纤通信器件：可调色散补偿器、动态PMD补偿器、高功率放大器、光参量放大器OPA、慢光及全光缓存器、波长转换器件等。
• 能量光纤器件：全光纤化激光器，单频、窄宽等大功率有源器件与无源光纤器件等。
• 医疗光纤器件：微创手术器件、内窥医疗器件等。
• 传感光纤器件：各种特殊环境应用的器件，如压力、温度、湿度、位移等参量的传感和探测器件，光纤陀螺等。

微结构光纤也面临着制备工艺复杂、成本高、缺乏与之匹配的相关器件等问题，因此它并没有像传统光纤那样在各个领域得到大面积应用推广。同时有关微结构光纤的理论仿真研究多于实验制备及测试。在未来的研究里，微结构光纤的制备工艺和实验工作成为两个重要的发展方向。

 

参考文献

[1]Philip St.J. Russell,Photonic-Crystal Fibers,JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, 2006，24(12)：4729-4749.

 

[2]B. Temelkuran, S. D. Hart, G. Benoit, J. Joannopoulos, and Y. Fink.

Wavelength-scalable hollow optical fifibres with large photonic bandgaps

for CO2 laser transmission,Nature,2002，420:650-653.

 

[3]G. T. Jasion, T. D. Bradley, K. Harrington, H. Sakr, Y. Chen, E. N. Fokoua, I. A. Davidson, A. Taranta, J. R. Hayes, D. J. Richardson, and F. Poletti, Hollow Core NANF with 0.28 dB/km Attenuation in the C and L Bands,in Optical Fiber Communication Conference Postdeadline Papers 2020, (Optical Society of America, 2020), paper Th4B.4.

 

作者简介：

施伟华，南京邮电大学电子与光学工程、微电子学院教授；邵婉婷、娄跃、穆蓉秋，南京邮电大学研究生。

 

☆ END ☆