作者
廉正刚 ¹， *， 陈翔 ¹， 王鑫 ²， 娄淑琴 ²， 郭臻 ¹， 皮亚斌¹
1武汉长盈通光电技术有限公司
2北京交通大学电子信息工程学院
一根细细的玻璃纤维可以把等同于上千本书的信息几乎瞬时地传输到数百千米之外。在现代通信行业中，它早已取代了铜线，成为长距离信号传输的载体。
根据应用和产业化成熟度，可将光纤分为通信光纤和功能光纤，通信光纤的发展已经非常成熟。功能光纤应用广泛并且其多项技术已经成功实现产业化。功能光纤可细分为：微结构光纤、集成式光纤和新材料光纤。近20年关于微结构光纤的研究较多，通过灵活设计微结构光纤，可巧妙地把玻璃材料和空气孔相结合，该结构不仅可以用于无尽单模光信号传输，也可以实现空芯低损耗传输等。
微结构光纤光纤机理
光子晶体源于对动物体表的研究。1987年，Yablonovitch等科学家发现某些动物体表有周期性规律排列的细毛，这些细毛可以把某些颜色(对应一定波长)的光完全反射，而吸收其他波长，展现出艳丽的色彩，如图1所示孔雀的羽毛和蝴蝶的翅膀表面，并于2001年将此类结构命名为光子晶体。很快，这一结构在光纤领域得到了移植应用。
图1 (a)孔雀的彩色羽毛；(b)通过电子显微镜看到的放大的孔雀羽毛；(c)蓝色蝴蝶；(d)通过电子显微镜看到的蝴蝶翅膀细节
第一根光子晶体光纤(PCF)则是在1996年由Knight 等成功制备出。光子晶体光纤是由一簇细小的毛细管周期性排列制备而成。由于具有优良的传输特性，光子晶体光纤迅速在全球受到重视。微结构光纤发展初期，其导光机制主要是全内反射导光和光子带隙导光。近年来，人们发现空芯微结构光纤中还存在一种不同于光子带隙的导光机理——反谐振导光机理。
01
全内反射导光机理
如图2(a)所示的光子晶体光纤，其纤芯为实心芯区，其包层中虽然引入了周期性排布的空气孔，但并未形成有效的光子禁带，由于芯区的折射率大于包层的等效折射率，因此，光在纤芯中是以类似传统阶跃光纤的全内反射形式进行传导。这类基于全内反射导光机理导光的光子晶体光纤也称为折射率导光型光子晶体光纤。由于该类光纤对包层结构的周期性要求并不严格，空气孔的引入只是起到降低并调控包层等效折射率的作用，因此工艺上易于实现，早期报道的光子晶体光纤大多是基于全内反射机理导光。
图2 不同导光机理的光子晶体光纤。(a)折射率导光型光子晶体光纤;(b)光子带隙光纤; (c)反谐振导光光纤;(d)单层无节点反谐振光纤
02
光子带隙导光机理
如图2(b)所示的光子晶体光纤，包层为周期性排布的空气孔，其导光机理为二维光子晶体的光子带隙，即当包层空气孔间距和直径满足一定条件时，其频率处于带隙范围内的光波被禁止向包层方向传播，只在缺陷纤芯中沿着缺陷的方向进行传播。由于光子带隙导光机理为包层光子带隙，因此对于纤芯的折射率没有太大限制，使得空芯导光成为了可能，但是带隙型导光对光纤包层结构的周期性要求非常严格，以确保形成有效的光子带隙，因此对制作工艺水平要求很高。
03
反谐振导光机理
反谐振导光机理是近年来人们在研究空芯光纤时发现的一种不同于光子带隙的导光机理。反谐振的概念来源于1986年Duguay等提出的反谐振式平面波导(ARROW)。反谐振导光机理即通过增强入射光在遇到包层薄壁时的反射，将光尽可能地束缚在纤芯中。如图2(c)所示的空芯光纤，纤芯中能够约束的光主要由包层中的石英壁厚决定。当石英壁厚度满足一定谐振条件时，位于谐振频率附近的光会发生泄漏，而其他频率的光均可在纤芯中实现低损耗传输。
光子晶体光纤的制备方式
光纤的制备工艺一般采用两步法：1）制备光纤预制棒；2）拉制光纤，在拉制过程中处理光纤涂层。
通信单模光纤预制棒制备方法是化学气相沉积法，制备一根预制棒往往需要几小时到几十小时，而且会产生有害气体。光子晶体光纤不需要使用化学沉积等大型设备即可完成预制棒的制备。绝大多数光子晶体光纤预制棒是基于毛细管排管法完成的，即将数十根或上百根毛细管按照蜂窝状排列成型。图3(a) 给出一张空芯微结构光纤预制棒端面的照片，展示出光纤预制棒由超过100根直径为1 mm左右的石英材料毛细管堆叠而成。毛细管堆积而成的预制棒整体套入外层套管。光子晶体光纤的制备工艺灵活，适合的光纤结构也多种，如实芯光纤、空芯带隙光纤和多芯光纤等。
图3 毛细管堆叠技术。(a)空芯微结构光纤预制棒端面的照片；(b)实芯光纤；(c)空芯带隙光纤；(d)多芯光纤
总结
典型光纤包括：全内反射导光型微结构光纤、反谐振型微结构光纤、光子带隙导光型微结构光纤。集成式光纤结合光纤的大带宽、柔性、细长、成本低廉等优势，在通信、激光器等技术领域应用中可将越来越多的电子功能集成到光纤设计中，如微机械系统(MEMS)、半导体技术等。
尤其近几年，英国南安普顿大学、德国马克思普朗克研究所几乎同时开发出纳米机械光纤，这一类功能光纤集微结构光纤和MEMS功能于一体，在光信号传输时，每个纤芯可以作纳米量级的机械振动，这种机械运动使得纤芯可以感知外界的环境，同时也可以通过对纤芯的调制实现光缓存或者光开关的应用。
因此这类光纤在传感、光运算等领域展现出了强大的作用。新型材料科学是光纤技术的支柱，光纤功能的不断提升基于研究人员长期对其材料的提纯和优化。光纤除了使用常见的石英玻璃外，还可选择硫系玻璃、多组分玻璃甚至塑料材料等来构成第三类特殊材料光纤，以满足中红外波段传输、深紫外波段传输、耐高温环境应用等特殊要求。同时，涂层材料的正确选择也有助于提高光纤的强度和环境适应性，如聚丙烯酸树脂、聚酰亚胺、金属涂层等。不同折射率的高分子材料也广泛应用于增益双包层光纤。
参考文献：
廉正刚, 陈翔, 王鑫, 娄淑琴, 郭臻, 皮亚斌. 微结构和集成式功能光纤的制备和潜在应用. 激光与光电子学进展, 2019, 56(17): 170615
