中空光子晶體光纖——結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用

正文

一瓤的、空心光纖的歷史和基本結(jié)構(gòu)

除了常見的電信傳播波段1.31-1.55微米，新的應(yīng)用領(lǐng)域如外科吞歼、傳感圈膏、焊接通常需要更長波段的，這不光是激光器的問題篙骡，更是傳輸

介質(zhì)的問題稽坤，但石英材料透射譜段有限，于是人們又有了硫系玻璃糯俗、氟系玻璃和多晶材料尿褪。但是，如果能將傳輸介質(zhì)替換為空氣得湘，是不

是就可以突破材料對傳輸波段的限制杖玲。圖1是一維光子帶隙光纖，即在空氣孔邊緣附件構(gòu)造周期的輻射狀折射率改變忽刽。

圖1天揖、一維光子帶隙光纖

二維光子帶隙光纖由P.Russell首次制備而成，如圖2所示跪帝，這種光纖具有比固態(tài)纖芯光纖更加低的傳輸損耗今膊。

圖2、二維光子帶隙光纖

二伞剑、空心光纖的傳輸原理

包層中含有空氣孔的周期性二維陣列的實芯光子晶體光纖的導(dǎo)波機(jī)制斑唬，通常被認(rèn)為是傳統(tǒng)的全內(nèi)反射（total internal reflection-

TIR）。在所謂的光子帶隙光纖（Photonic-Bandgap Fiber）中黎泣，空氣孔的周期特性至關(guān)重要，因為它通過包層內(nèi)折射率的周期變化

將光模限制在纖芯內(nèi)抒倚。對于空心光子晶體光纖褐着，充滿空氣的芯的折射率小于包層材料，空心內(nèi)不能發(fā)生全內(nèi)反射托呕，波導(dǎo)模式是靠光子帶

隙實現(xiàn)的含蓉。

可用三種主要的方式频敛，如圖3，實現(xiàn)空心光纖中光的波導(dǎo)：

1馅扣、可選介質(zhì)涂層的金屬管斟赚，

2、多層電介質(zhì)布拉格鏡

3差油、二維光子晶體

圖3拗军、三種主要類型的反射包層

(a)通過反射包層產(chǎn)生光導(dǎo)的空心光纖

(b)帶有電介質(zhì)涂層的金屬包層

(c)多層電介質(zhì)鏡

(d)二維光子晶體包層

空心光子晶體光纖的纖芯內(nèi)充滿空氣(空氣的非線性折射率系數(shù)大約是石英的千分之一)，所以非線性效應(yīng)弱得多蓄喇。早些年前发侵，與常規(guī)石

英光纖相比，空芯光子晶體光纖大部分具有相當(dāng)高的損耗（約1dB/m）公罕，而且這種損耗取決于多個設(shè)計因素器紧，包括空氣孔的形狀和間

距，六邊形晶格形式的空心光纖如圖4楼眷。圖5給出了通過測量得到的包層被設(shè)計成六邊形晶格形式的空芯光子晶體光纖的損耗譜铲汪，這種

晶格由交錯的三角形組成，這樣每個交叉有四個最鄰近的交叉罐柳，六邊形晶格使包層主要被空氣填充掌腰，這樣石英支柱的網(wǎng)狀物占據(jù)不到

20%的空間。

采用相當(dāng)大的空芯結(jié)構(gòu)张吉，提高六邊形晶格的間距齿梁，間隙填充物主要是空氣，非線性效應(yīng)被大大降低肮蛹。即使是較高損耗的細(xì)纖芯的光子晶

體光纖勺择，也可以利用他們的色散特性壓縮脈沖伦忠。

如果使用氫氣來替換空氣來觀察受激拉曼散射省核，結(jié)果表明拉曼閾值降低到石英光纖拉曼閾值的百分之一左右。因此昆码，不同的填充物可以

來增強(qiáng)不同的非線性效應(yīng)气忠。

圖4、六邊形結(jié)構(gòu)空心光纖

圖5赋咽、六邊形空芯光子晶體光纖損耗譜 

三旧噪、空心光纖應(yīng)用

空心光纖在醫(yī)療上的應(yīng)用主要是感應(yīng)和診斷治療，空心光纖的最大優(yōu)點(diǎn)是可以傳輸普通固體芯無法傳輸?shù)牟ㄩL脓匿。例如淘钟，傳統(tǒng)石英基光纖

由于其材料吸收，截止波長約在2.1微米陪毡，但Er:YAG激光波長達(dá)2.94微米日月、CO2激光波長達(dá)10.6微米袱瓮，這比短波長的石英光纖具有更大

的臨床診療優(yōu)勢爱咬。通常，利用長波長的高水吸收峰绊起，阻止激光能量穿透作用組織以外精拟，達(dá)到精確消融或切割的目的，同時CO2激光良

好的止血性能也有助于外科醫(yī)生的操作虱歪。盡管二氧化碳激光器有許多優(yōu)點(diǎn)蜂绎，但由于缺乏一種靈活的介質(zhì)將激光功率傳輸?shù)饺梭w中的目

標(biāo)，它在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用相對有限笋鄙。由于沒有靈活的傳輸介質(zhì)师枣，CO2激光的使用僅限于在激光和目標(biāo)之間建立直接視線的程序，主要是

在皮膚科和使用剛性喉鏡的耳萧落、鼻践美、喉(ENT)手術(shù)。利用全向反射一維光子帶隙來限制光的中空纖維已經(jīng)被開發(fā)出來找岖，并成功地用于

CO2激光器的一些微創(chuàng)手術(shù)中陨倡。如圖6所示，這些光纖足夠柔軟许布，可以通過柔韌的內(nèi)窺鏡引入體內(nèi)兴革，將CO2激光輻射傳送到以前這種激

光器無法到達(dá)的區(qū)域。

圖6蜜唾、圖中灰色光纜內(nèi)部的空芯光纖用于微創(chuàng)手術(shù)

在光纖傳感領(lǐng)域中杂曲，溫度敏感特性是需要被利用的，但在光通信領(lǐng)域袁余，往往需要克服這個特性擎勘。尤其是需要時間同步，或需要從光信號

中獲取時間信息的應(yīng)用泌霍，例如跨洋同步網(wǎng)絡(luò)货抄，遙感數(shù)據(jù)，和帶光纖延遲線路的激光器朱转。通常蟹地，每攝氏度的溫度變化可以使每公里標(biāo)準(zhǔn)實

芯光纖的傳播時間改變約40皮秒。如圖7中不同芯直徑的空芯光纖在通信波段的熱延遲系數(shù)（TCD）的變化藤为，更高的芯直徑（37-

cells）擁有更低的損耗怪与。

中空的光子帶隙光纖與實心石英光纖的結(jié)構(gòu)差異，使得大部分的光功率通過空氣介質(zhì)而非玻璃（石英）材料傳遞分别。第二方面是與玻璃

（石英）材料相關(guān)的群速度折射率遍愿，空芯光纖群速度折射率降低，光在光纖中行進(jìn)更快耘斩。這些都有助于提高信號的傳輸速度沼填，減少延

時，最終降低信息服務(wù)企業(yè)的運(yùn)營成本括授。有研究報道了37芯的(Hollow-Core Photonic BandGap Fibers-HC-PBGFs),傳輸速率高達(dá)

73.7Tbit/s坞笙，這得益于內(nèi)部低串?dāng)_及無表面模式的影響。同時荚虚，空芯光纖在非線性脈沖整形及飽和吸收薛夜、分布反饋激光器和等離子體激

元傳感器等方面的應(yīng)用也在展開。

圖7版述、不同芯直徑在不同波長（1.55微米波段）的熱延遲系數(shù)

(Ref: Vol. 4, No. 6 / June 2017 / Optica doi:10.1364/OPTICA.4.000659)

在化學(xué)傳感應(yīng)用方面梯澜，空芯光纖能夠比傳統(tǒng)光纖提供顯著的效率優(yōu)勢和低樣品體積要求。有研究在濃度為30ppb的1.5毫升氯乙烷樣品

中檢測氯乙烷分子渴析，使用空芯光纖可將反應(yīng)時間縮短為8秒晚伙。(Ref:Applied Physics Letters 86, 194102 (2005); doi: 

10.1063/1.1925777)

空心芯光纖也可以作為無源元件，將被感知或研究的源的輻射傳遞到傳感器檬某，然后傳感器分析輻射撬腾。應(yīng)用包括溫度傳感(黑體輻射分析)

和化學(xué)傳感。這種技術(shù)在危險環(huán)境(如戰(zhàn)場)或感應(yīng)點(diǎn)難以到達(dá)(如機(jī)器內(nèi)部)時很有用恢恼。當(dāng)環(huán)境中的許多點(diǎn)需要經(jīng)常分析民傻，但不是連續(xù)分

析時(海底、工業(yè)工廠)场斑，它也很有用;在這種情況下漓踢。與每個需要監(jiān)控的點(diǎn)都放置一個傳感器的情況相比，需要部署的傳感器數(shù)量顯著減

少漏隐。使用空心芯光纖的好處是喧半，它們可以傳輸更寬的帶寬，并能訪問使用其他實芯光纖難以探索的波長范圍(例如青责，對于化學(xué)傳感來

說挺据，3-20um范圍是特別有用的)，廣泛應(yīng)用中包括環(huán)境傳感(污染等)脖隶、國土安全扁耐、過程監(jiān)測和生物醫(yī)學(xué)傳感(如檢測哮喘的呼吸分析)。

大功率激光功率傳輸同樣是空芯光纖的應(yīng)用領(lǐng)域婉称，金屬涂敷的空芯光纖可傳3KW功率的激光能量。

（聲明：本文部分圖表參考自O(shè)SA或AIP數(shù)據(jù)庫論文，期刊卷及DOI編號都已在引用部分標(biāo)出王暗；昊量光電可提供空芯光子晶體光纖悔据，配

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