3分钟了解微结构光纤 _微结构光纤

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。