文/施偉華，邵婉婷，婁躍，穆蓉秋

南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程、微電子學(xué)院

什么是微結(jié)構(gòu)光纖

傳統(tǒng)光纖的纖芯和包層由兩層折射率不同的材料組成，纖芯折射率比包層略大，其折射率差可以通過摻雜的方法實現(xiàn)。傳統(tǒng)光纖導(dǎo)光原理是全反射，即當(dāng)光線在芯包界面的入射角大于全反射發(fā)生的臨界角時，光線不透過界面，全部反射，被限制在纖芯內(nèi)，從而實現(xiàn)導(dǎo)光。

20世紀(jì)70年代低損耗光纖的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用奠定了光纖通信迅速發(fā)展的基礎(chǔ)，并成為推動光電子技術(shù)和信息技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志性成就。但是傳統(tǒng)光纖在色散、損耗、非線性等性能上都存在局限性，隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)光纖的局限性成為超大容量、超高速發(fā)展的制約瓶頸。微結(jié)構(gòu)光纖在20世紀(jì)90年代的光纖技術(shù)革命中應(yīng)運而生。

微結(jié)構(gòu)光纖是一種新型光纖，其纖芯或包層不再是傳統(tǒng)光纖那樣的單一結(jié)構(gòu)，而是在其中引入了一些微小結(jié)構(gòu)，如包層中周期性結(jié)構(gòu)、纖芯中缺陷結(jié)構(gòu)等，以此來獲得不同于傳統(tǒng)光纖的性能。

引入的微小結(jié)構(gòu)極大地增加了光纖的設(shè)計自由度，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)，可以得到傳統(tǒng)光纖不具備的優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、非線性光纖光學(xué)及新型光纖功能器件等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)光纖相比，微結(jié)構(gòu)光纖由于引入了不同的微小結(jié)構(gòu)，設(shè)計較為靈活，因此具有以下優(yōu)點：

• 靈活的色散特性?？梢詫崿F(xiàn)近零色散平坦、大負(fù)色散、零色散等，而色散可控對于實際應(yīng)用如光通信系統(tǒng)、色散補償、線性和非線性光學(xué)等有非常重要的意義。
• 較低的損耗特性和大模場面積特性?？梢酝ㄟ^改變光纖結(jié)構(gòu)有效降低損耗，通過增大模場面積有效降低光纖中的非線性效應(yīng)，從而改善光纖的傳輸特性。大模場面積特性還適合高功率激光傳輸。目前低損耗微結(jié)構(gòu)光纖的制備工藝和成本制約了其作為傳輸光纖替代現(xiàn)有光纖的推進。
• 高非線性特性?？梢造`活設(shè)計纖芯結(jié)構(gòu)和選用高非線性光纖材料，使其具有較高的非線性，結(jié)合色散可控的特性，在超連續(xù)譜等非線性光纖的研究中起著重要作用。
• 高雙折射特性?？梢栽趦蓚€垂直方向上實現(xiàn)較大的有效折射率差，相較傳統(tǒng)光纖可以將雙折射提高一到兩個數(shù)量級，能夠應(yīng)用于新型保偏光纖等方面。

除以上特性外，微結(jié)構(gòu)光纖還具有可填充性。可以在微結(jié)構(gòu)光纖的空芯或包層空氣孔中進行填充，一方面填充材料改變了光纖的折射率分布，從而改變光纖的基本性能；另一方面，填充溫度、電場、磁場等敏感材料，可實現(xiàn)溫度、電場、磁場等物理量的高靈敏傳感。

微結(jié)構(gòu)光纖主要分為光子晶體光纖、Bragg光纖和反諧振光纖三類。在對其主要結(jié)構(gòu)及應(yīng)用進行探討之前，可先對微結(jié)構(gòu)光纖的傳光原理進行了解。

微結(jié)構(gòu)光纖主要類型及其傳光原理

光子晶體光纖及其傳光原理

光子晶體光纖（PCF）是微結(jié)構(gòu)光纖中研究最多的一種。光子晶體光纖按傳光原理可以分成兩大類：帶隙型（PBG）光子晶體光纖和全內(nèi)反射型（TIR）光子晶體光纖，其導(dǎo)光原理分別對應(yīng)光子帶隙效應(yīng)和全內(nèi)反射效應(yīng)。

帶隙型光子晶體光纖的包層結(jié)構(gòu)由在基底材料中周期性分布的空氣孔構(gòu)成，空氣孔的大小、間距和周期排列都具有嚴(yán)格要求；在中心引入線缺陷形成低折射率的纖芯（大多為空芯），從而使光以缺陷態(tài)局域在纖芯中傳輸[1]。

不同于傳統(tǒng)光纖的導(dǎo)光機制，當(dāng)光線入射到纖芯和包層空氣孔的界面上時，由于受到包層周期性結(jié)構(gòu)的多重散射，對滿足Bragg條件的某些特定波長和入射角的光產(chǎn)生干涉從而使光線回到纖芯中，光被限制在纖芯中向前傳播，如圖1所示。

圖1 光子帶隙光纖（PBG-PCF）結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光示意圖

[唐燦. 光子晶體光纖研究[D]. 電子科技大學(xué), 2005.]

全內(nèi)反射型光子晶體光纖的包層中也形成了空氣孔的周期性排列，但對空氣孔的大小、間距和周期排列不具有嚴(yán)格要求。在中心處通過缺失空氣孔形成纖芯，纖芯具有較高折射率，從而形成類似于普通階躍光纖的基于光的全內(nèi)反射效應(yīng)的導(dǎo)光原理，如圖2所示。

圖2 全內(nèi)反射光子晶體光纖結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光示意圖

[唐燦. 光子晶體光纖研究[D]. 電子科技大學(xué), 2005.]

Bragg光纖及其傳光原理

如圖3(a)所示為周期性Bragg光纖橫截面結(jié)構(gòu)。它包括一個低折射率纖芯和具有周期性的包層，這種包層由若干高、低折射率相間的環(huán)形層構(gòu)成?？梢酝ㄟ^改變芯區(qū)的半徑、芯區(qū)折射率、包層層數(shù)、包層折射率差、包層厚度等多項結(jié)構(gòu)參數(shù)來控制傳輸特性，具有設(shè)計靈活性。根據(jù)纖芯引入低折射率缺陷介質(zhì)的不同，又可以分為實芯和空芯兩種結(jié)構(gòu)。

Bragg光纖導(dǎo)光機制如圖3(b)所示，當(dāng)光到達纖芯和包層界面時將被周期性介質(zhì)層散射，對于滿足Bragg條件的特殊波長而言，無論它以何種角度入射，均被包層周期性結(jié)構(gòu)通過多重散射和干涉而返回到纖芯中，最終表現(xiàn)為一定波長的光不能在光纖截面橫向傳播，只能被限制在纖芯的缺陷中沿軸向進行傳播。

圖 3 (a) Bragg光纖橫截面結(jié)構(gòu)，(b) Bragg光纖帶隙導(dǎo)光機制

反諧振光纖及其傳光原理

反諧振光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，包括低折射率的纖芯區(qū)域和高折射率的包層區(qū)域；高折射率的包層區(qū)域又分為兩部分——內(nèi)包層區(qū)和外包層區(qū)，內(nèi)包層區(qū)由一層或多層的包層管組成，外包層為一層有一定厚度的包層管組成；內(nèi)包層包圍的區(qū)域為低折射率的纖芯區(qū)域。圖4(a)是空芯反諧振光纖的一種簡單結(jié)構(gòu)，內(nèi)包層由8個高折射率圓形的包層管組成，相鄰包層管是相互接觸的，屬于有節(jié)點的反諧振光纖；當(dāng)相鄰包層管相互不接觸，就屬于無節(jié)點的反諧振光纖，如圖5(a)、(b)、(d)所示。無節(jié)點反諧振光纖大多采用嵌套式結(jié)構(gòu)，如兩層圓形管嵌套（圖5(a)）、圓形管與橢圓形管嵌套（圖5(b)）和圓形管嵌套多個小圓形管（圖5(d)）的結(jié)構(gòu)。單圈橢圓管結(jié)構(gòu)（圖5(c)）也是常見的一種無節(jié)點反諧振光纖。無節(jié)點反諧振光纖的包層管一般由外包層連接。

圖4(a)有節(jié)點空芯反諧振光纖示意圖，(b)ARROW結(jié)構(gòu)示意圖

圖 5 (a)嵌套管結(jié)構(gòu)的反諧振空芯光纖；(b)嵌套橢圓管結(jié)構(gòu)的反諧振空芯光纖；(c)單圈橢圓管反諧振空芯光纖；(d)嵌套三個圓管結(jié)構(gòu)的反諧振空芯光纖

[高壽飛, 汪瀅瑩, 王璞. 反諧振空芯光纖及氣體拉曼激光技術(shù)的研究進展[J]. 中國激光, 2019, 46(005):175-192.]

反諧振光纖的導(dǎo)光原理可以用平面波導(dǎo)中的反諧振反射(ARROW)原理來進行解釋，當(dāng)光傳輸至纖芯和包層交界面時，對于滿足諧振條件的光直接從包層透射出去，而其它不滿足諧振條件的光將會被反射回纖芯區(qū)域。反諧振反射原理示意圖如圖4(b)所示，圖中n1纖芯折射率，n2為包層折射率，d為包層厚度，a為纖芯直徑。諧振條件通常由波長、包層和纖芯折射率、包層管壁厚決定。

綜上所述，光子晶體光纖和Bragg光纖都是通過光子帶隙機制導(dǎo)光，反諧振光纖基于反諧振機制導(dǎo)光。和傳統(tǒng)光纖相比，這三種微結(jié)構(gòu)光纖都擁有較低的損耗值、良好的非線性、靈活的色散、結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)節(jié)的特點。由于實際加工中的局限性(主要是由材料損耗帶來的問題)， Bragg光纖的損耗遠(yuǎn)大于帶隙型光子晶體光纖(3個數(shù)量級以上), 這降低了Bragg光纖導(dǎo)光機制的學(xué)術(shù)意義及其應(yīng)用。

微結(jié)構(gòu)光纖主要應(yīng)用

光子晶體光纖的主要應(yīng)用

光子晶體光纖具有無截止單模傳輸特性、靈活的色散特性、良好的非線性效應(yīng)和可填充性等傳統(tǒng)光纖無法比擬的特性，近年來被廣泛應(yīng)用于很多方面，下面簡述其主要應(yīng)用。

• 光子晶體光纖在大范圍內(nèi)支持單模傳輸，這使得單模工作波段相比傳統(tǒng)單模光纖而言得到較大擴展，為波分復(fù)用增加信道數(shù)提供了可能。
• 光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)和纖芯可以靈活設(shè)計，因此易于實現(xiàn)大模場面積。將大模場面積與寬帶單模傳輸特性結(jié)合起來，可實現(xiàn)高功率能量的傳輸。
• 選擇合適的包層結(jié)構(gòu)和光纖基底材料，可以控制光子晶體光纖的色散特性，得到色散平坦、多個色散零點或大的正負(fù)色散，適用于傳輸、光纖功能器件、色散補償。
• 通過設(shè)計光子晶體光纖的纖芯和選用高非線性光纖材料，可以使光子晶體光纖具有很強的非線性效應(yīng)，最成功的應(yīng)用之一是利用納秒、皮秒和飛秒光脈沖抽運光子晶體光纖，激發(fā)多重光學(xué)非線性效應(yīng)(自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻等)，實現(xiàn)頻譜展寬，從而產(chǎn)生超連續(xù)光譜，由此產(chǎn)生的超連續(xù)譜具有光譜范圍寬、平坦度高、相干性好等優(yōu)勢。
• 在光子晶體光纖中引入不同傳感機制（如表面等離子體共振，SPR），可實現(xiàn)高靈敏傳感，折射率靈敏度比基于傳統(tǒng)光纖的高1個數(shù)量級左右，從而可以應(yīng)用于各種微小量變檢測，如大氣污染監(jiān)測、生物傳感、環(huán)境檢測和應(yīng)力結(jié)構(gòu)監(jiān)測等。在其空氣孔或空芯內(nèi)選擇性填充各類敏感介質(zhì)，使光纖的傳輸及模式特性發(fā)生改變，從而實現(xiàn)多種物理量（如溫濕度、應(yīng)力、電磁量等等）的高靈敏度檢測。

此外還可實現(xiàn)基于光子晶體光纖的多種功能光纖器件（如偏振器、濾波器、波長轉(zhuǎn)換等）。

反諧振光纖的主要應(yīng)用

反諧振光纖在高功率脈沖激光傳輸及壓縮、超快非線性頻率變換、高速高容量光通信、生物化學(xué)分析和量子存儲等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前反諧振光纖的超低損耗特性被廣泛關(guān)注并成為研究熱點，2020年有報道反諧振光纖在1510 -1600 nm，平均損耗為0.28±0.04 dB/km[3]。

微結(jié)構(gòu)光纖的發(fā)展趨勢

綜合當(dāng)前國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，微結(jié)構(gòu)光纖將在如下幾個方向發(fā)展：

• 光纖通信器件：可調(diào)色散補償器、動態(tài)PMD補償器、高功率放大器、光參量放大器OPA、慢光及全光緩存器、波長轉(zhuǎn)換器件等。
• 能量光纖器件：全光纖化激光器，單頻、窄寬等大功率有源器件與無源光纖器件等。
• 醫(yī)療光纖器件：微創(chuàng)手術(shù)器件、內(nèi)窺醫(yī)療器件等。
• 傳感光纖器件：各種特殊環(huán)境應(yīng)用的器件，如壓力、溫度、濕度、位移等參量的傳感和探測器件，光纖陀螺等。
  

微結(jié)構(gòu)光纖也面臨著制備工藝復(fù)雜、成本高、缺乏與之匹配的相關(guān)器件等問題，因此它并沒有像傳統(tǒng)光纖那樣在各個領(lǐng)域得到大面積應(yīng)用推廣。同時有關(guān)微結(jié)構(gòu)光纖的理論仿真研究多于實驗制備及測試。在未來的研究里，微結(jié)構(gòu)光纖的制備工藝和實驗工作成為兩個重要的發(fā)展方向。

參考文獻

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

Wavelength-scalable hollow optical fifibres with large photonic bandgaps

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[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.

作者簡介：

施偉華，南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程、微電子學(xué)院教授；邵婉婷、婁躍、穆蓉秋，南京郵電大學(xué)研究生。

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