3分钟了解微结构光纤( 二 ) _微结构光纤

[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。

文章插图

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。

文章插图

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。

文章插图

图4(a)有节点空芯反谐振光纤示意图， (b)ARROW结构示意图

文章插图

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。