3分鐘了解微結構光纖

文/施偉華，邵婉婷，婁躍，穆蓉秋

南京郵電大學電子與光學工程、微電子學院

什麼是微結構光纖

傳統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。傳統光纖導光原理是全反射，即當光線在芯包界面的入射角大於全反射發生的臨界角時，光線不透過界面，全部反射，被限制在纖芯內，從而實現導光。

20世紀70年代低損耗光纖的出現和廣泛應用奠定了光纖通信迅速發展的基礎，並成為推動光電子技術和信息技術發展的標誌性成就。但是傳統光纖在色散、損耗、非線性等性能上都存在局限性，隨著光纖通信網絡的迅速發展，傳統光纖的局限性成為超大容量、超高速發展的制約瓶頸。微結構光纖在20世紀90年代的光纖技術革命中應運而生。

微結構光纖是一種新型光纖，其纖芯或包層不再是傳統光纖那樣的單一結構，而是在其中引入了一些微小結構，如包層中周期性結構、纖芯中缺陷結構等，以此來獲得不同於傳統光纖的性能。

引入的微小結構極大地增加了光纖的設計自由度，通過調整結構，可以得到傳統光纖不具備的優良特性，被廣泛應用於光纖通信、光纖傳感、非線性光纖光學及新型光纖功能器件等領域。與傳統光纖相比，微結構光纖由於引入了不同的微小結構，設計較為靈活，因此具有以下優點：

• 靈活的色散特性。可以實現近零色散平坦、大負色散、零色散等，而色散可控對於實際應用如光通信系統、色散補償、線性和非線性光學等有非常重要的意義。
• 較低的損耗特性和大模場面積特性。可以通過改變光纖結構有效降低損耗，通過增大模場面積有效降低光纖中的非線性效應，從而改善光纖的傳輸特性。大模場面積特性還適合高功率雷射傳輸。目前低損耗微結構光纖的製備工藝和成本制約了其作為傳輸光纖替代現有光纖的推進。
• 高非線性特性。可以靈活設計纖芯結構和選用高非線性光纖材料，使其具有較高的非線性，結合色散可控的特性，在超連續譜等非線性光纖的研究中起著重要作用。
• 高雙折射特性。可以在兩個垂直方向上實現較大的有效折射率差，相較傳統光纖可以將雙折射提高一到兩個數量級，能夠應用於新型保偏光纖等方面。

除以上特性外，微結構光纖還具有可填充性。可以在微結構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，可實現溫度、電場、磁場等物理量的高靈敏傳感。

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

微結構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）是微結構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反射型（TIR）光子晶體光纖，其導光原理分別對應光子帶隙效應和全內反射效應。

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

不同於傳統光纖的導光機制，當光線入射到纖芯和包層空氣孔的界面上時，由於受到包層周期性結構的多重散射，對滿足Bragg條件的某些特定波長和入射角的光產生幹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）結構及導光示意圖

[唐燦. 光子晶體光纖研究[D]. 電子科技大學, 2005.]

全內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，從而形成類似於普通階躍光纖的基於光的全內反射效應的導光原理，如圖2所示。

圖2 全內反射光子晶體光纖結構及導光示意圖

[唐燦. 光子晶體光纖研究[D]. 電子科技大學, 2005.]

Bragg光纖及其傳光原理

如圖3(a)所示為周期性Bragg光纖橫截面結構。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、低折射率相間的環形層構成。可以通過改變芯區的半徑、芯區折射率、包層層數、包層折射率差、包層厚度等多項結構參數來控制傳輸特性，具有設計靈活性。根據纖芯引入低折射率缺陷介質的不同，又可以分為實芯和空芯兩種結構。

Bragg光纖導光機制如圖3(b)所示，當光到達纖芯和包層界面時將被周期性介質層散射，對於滿足Bragg條件的特殊波長而言，無論它以何種角度入射，均被包層周期性結構通過多重散射和幹涉而返回到纖芯中，最終表現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光纖橫截面結構，(b) Bragg光纖帶隙導光機制

反諧振光纖及其傳光原理

反諧振光纖的基本結構如圖4(a)所示，包括低折射率的纖芯區域和高折射率的包層區域；高折射率的包層區域又分為兩部分——內包層區和外包層區，內包層區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；內包層包圍的區域為低折射率的纖芯區域。圖4(a)是空芯反諧振光纖的一種簡單結構，內包層由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，屬於有節點的反諧振光纖；當相鄰包層管相互不接觸，就屬於無節點的反諧振光纖，如圖5(a)、(b)、(d)所示。無節點反諧振光纖大多採用嵌套式結構，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)）的結構。單圈橢圓管結構（圖5(c)）也是常見的一種無節點反諧振光纖。無節點反諧振光纖的包層管一般由外包層連接。

圖4(a)有節點空芯反諧振光纖示意圖，(b)ARROW結構示意圖

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

[高壽飛, 汪瀅瑩, 王璞. 反諧振空芯光纖及氣體拉曼雷射技術的研究進展[J]. 中國雷射, 2019, 46(005):175-192.]

反諧振光纖的導光原理可以用平面波導中的反諧振反射(ARROW)原理來進行解釋，當光傳輸至纖芯和包層交界面時，對於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光，反諧振光纖基於反諧振機制導光。和傳統光纖相比，這三種微結構光纖都擁有較低的損耗值、良好的非線性、靈活的色散、結構參數可調節的特點。由於實際加工中的局限性(主要是由材料損耗帶來的問題)， Bragg光纖的損耗遠大於帶隙型光子晶體光纖(3個數量級以上), 這降低了Bragg光纖導光機制的學術意義及其應用。

微結構光纖主要應用

光子晶體光纖的主要應用

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

• 光子晶體光纖在大範圍內支持單模傳輸，這使得單模工作波段相比傳統單模光纖而言得到較大擴展，為波分復用增加信道數提供了可能。
• 光子晶體光纖的結構和纖芯可以靈活設計，因此易於實現大模場面積。將大模場面積與寬帶單模傳輸特性結合起來，可實現高功率能量的傳輸。
• 選擇合適的包層結構和光纖基底材料，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色散，適用於傳輸、光纖功能器件、色散補償。
• 通過設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，最成功的應用之一是利用納秒、皮秒和飛秒光脈衝抽運光子晶體光纖，激發多重光學非線性效應(自相位調製、交叉相位調製、四波混頻等)，實現頻譜展寬，從而產生超連續光譜，由此產生的超連續譜具有光譜範圍寬、平坦度高、相干性好等優勢。
• 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），可實現高靈敏傳感，折射率靈敏度比基於傳統光纖的高1個數量級左右，從而可以應用於各種微小量變檢測，如大氣汙染監測、生物傳感、環境檢測和應力結構監測等。在其空氣孔或空芯內選擇性填充各類敏感介質，使光纖的傳輸及模式特性發生改變，從而實現多種物理量（如溫溼度、應力、電磁量等等）的高靈敏度檢測。

此外還可實現基於光子晶體光纖的多種功能光纖器件（如偏振器、濾波器、波長轉換等）。

反諧振光纖的主要應用

反諧振光纖在高功率脈衝雷射傳輸及壓縮、超快非線性頻率變換、高速高容量光通信、生物化學分析和量子存儲等領域展現出廣闊的應用前景。目前反諧振光纖的超低損耗特性被廣泛關注並成為研究熱點，2020年有報導反諧振光纖在1510 -1600 nm，平均損耗為0.28±0.04 dB/km[3]。

微結構光纖的發展趨勢

綜合當前國內外研究和應用現狀，微結構光纖將在如下幾個方向發展：

• 光纖通信器件：可調色散補償器、動態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、波長轉換器件等。
• 能量光纖器件：全光纖化雷射器，單頻、窄寬等大功率有源器件與無源光纖器件等。
• 醫療光纖器件：微創手術器件、內窺醫療器件等。
• 傳感光纖器件：各種特殊環境應用的器件，如壓力、溫度、溼度、位移等參量的傳感和探測器件，光纖陀螺等。
  

微結構光纖也面臨著製備工藝複雜、成本高、缺乏與之匹配的相關器件等問題，因此它並沒有像傳統光纖那樣在各個領域得到大面積應用推廣。同時有關微結構光纖的理論仿真研究多於實驗製備及測試。在未來的研究裡，微結構光纖的製備工藝和實驗工作成為兩個重要的發展方向。

參考文獻

[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.

作者簡介：

施偉華，南京郵電大學電子與光學工程、微電子學院教授；邵婉婷、婁躍、穆蓉秋，南京郵電大學研究生。

☆ END ☆