作者

廉正剛 1， *， 陳翔 1， 王鑫 2， 婁淑琴 2， 郭臻 1， 皮亞斌1

1武漢長盈通光電技術(shù)有限公司

2北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院

一根細(xì)細(xì)的玻璃纖維可以把等同于上千本書的信息幾乎瞬時地傳輸?shù)綌?shù)百千米之外。在現(xiàn)代通信行業(yè)中，它早已取代了銅線，成為長距離信號傳輸?shù)妮d體。

根據(jù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化成熟度，可將光纖分為通信光纖和功能光纖，通信光纖的發(fā)展已經(jīng)非常成熟。功能光纖應(yīng)用廣泛并且其多項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。功能光纖可細(xì)分為：微結(jié)構(gòu)光纖、集成式光纖和新材料光纖。近20年關(guān)于微結(jié)構(gòu)光纖的研究較多，通過靈活設(shè)計微結(jié)構(gòu)光纖，可巧妙地把玻璃材料和空氣孔相結(jié)合，該結(jié)構(gòu)不僅可以用于無盡單模光信號傳輸，也可以實(shí)現(xiàn)空芯低損耗傳輸?shù)取?/p>

微結(jié)構(gòu)光纖光纖機(jī)理

光子晶體源于對動物體表的研究。1987年，Yablonovitch等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些動物體表有周期性規(guī)律排列的細(xì)毛，這些細(xì)毛可以把某些顏色(對應(yīng)一定波長)的光完全反射，而吸收其他波長，展現(xiàn)出艷麗的色彩，如圖1所示孔雀的羽毛和蝴蝶的翅膀表面，并于2001年將此類結(jié)構(gòu)命名為光子晶體。很快，這一結(jié)構(gòu)在光纖領(lǐng)域得到了移植應(yīng)用。

圖1 (a)孔雀的彩色羽毛；(b)通過電子顯微鏡看到的放大的孔雀羽毛；(c)藍(lán)色蝴蝶；(d)通過電子顯微鏡看到的蝴蝶翅膀細(xì)節(jié)

第一根光子晶體光纖(PCF)則是在1996年由Knight 等成功制備出。光子晶體光纖是由一簇細(xì)小的毛細(xì)管周期性排列制備而成。由于具有優(yōu)良的傳輸特性，光子晶體光纖迅速在全球受到重視。微結(jié)構(gòu)光纖發(fā)展初期，其導(dǎo)光機(jī)制主要是全內(nèi)反射導(dǎo)光和光子帶隙導(dǎo)光。近年來，人們發(fā)現(xiàn)空芯微結(jié)構(gòu)光纖中還存在一種不同于光子帶隙的導(dǎo)光機(jī)理——反諧振導(dǎo)光機(jī)理。

01

全內(nèi)反射導(dǎo)光機(jī)理

如圖2(a)所示的光子晶體光纖，其纖芯為實(shí)心芯區(qū)，其包層中雖然引入了周期性排布的空氣孔，但并未形成有效的光子禁帶，由于芯區(qū)的折射率大于包層的等效折射率，因此，光在纖芯中是以類似傳統(tǒng)階躍光纖的全內(nèi)反射形式進(jìn)行傳導(dǎo)。這類基于全內(nèi)反射導(dǎo)光機(jī)理導(dǎo)光的光子晶體光纖也稱為折射率導(dǎo)光型光子晶體光纖。由于該類光纖對包層結(jié)構(gòu)的周期性要求并不嚴(yán)格，空氣孔的引入只是起到降低并調(diào)控包層等效折射率的作用，因此工藝上易于實(shí)現(xiàn)，早期報道的光子晶體光纖大多是基于全內(nèi)反射機(jī)理導(dǎo)光。

圖2 不同導(dǎo)光機(jī)理的光子晶體光纖。(a)折射率導(dǎo)光型光子晶體光纖;(b)光子帶隙光纖; (c)反諧振導(dǎo)光光纖;(d)單層無節(jié)點(diǎn)反諧振光纖

02

光子帶隙導(dǎo)光機(jī)理

如圖2(b)所示的光子晶體光纖，包層為周期性排布的空氣孔，其導(dǎo)光機(jī)理為二維光子晶體的光子帶隙，即當(dāng)包層空氣孔間距和直徑滿足一定條件時，其頻率處于帶隙范圍內(nèi)的光波被禁止向包層方向傳播，只在缺陷纖芯中沿著缺陷的方向進(jìn)行傳播。由于光子帶隙導(dǎo)光機(jī)理為包層光子帶隙，因此對于纖芯的折射率沒有太大限制，使得空芯導(dǎo)光成為了可能，但是帶隙型導(dǎo)光對光纖包層結(jié)構(gòu)的周期性要求非常嚴(yán)格，以確保形成有效的光子帶隙，因此對制作工藝水平要求很高。

03

反諧振導(dǎo)光機(jī)理

反諧振導(dǎo)光機(jī)理是近年來人們在研究空芯光纖時發(fā)現(xiàn)的一種不同于光子帶隙的導(dǎo)光機(jī)理。反諧振的概念來源于1986年Duguay等提出的反諧振式平面波導(dǎo)(ARROW)。反諧振導(dǎo)光機(jī)理即通過增強(qiáng)入射光在遇到包層薄壁時的反射，將光盡可能地束縛在纖芯中。如圖2(c)所示的空芯光纖，纖芯中能夠約束的光主要由包層中的石英壁厚決定。當(dāng)石英壁厚度滿足一定諧振條件時，位于諧振頻率附近的光會發(fā)生泄漏，而其他頻率的光均可在纖芯中實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸。

光子晶體光纖的制備方式

光纖的制備工藝一般采用兩步法：1）制備光纖預(yù)制棒；2）拉制光纖，在拉制過程中處理光纖涂層。

通信單模光纖預(yù)制棒制備方法是化學(xué)氣相沉積法，制備一根預(yù)制棒往往需要幾小時到幾十小時，而且會產(chǎn)生有害氣體。光子晶體光纖不需要使用化學(xué)沉積等大型設(shè)備即可完成預(yù)制棒的制備。絕大多數(shù)光子晶體光纖預(yù)制棒是基于毛細(xì)管排管法完成的，即將數(shù)十根或上百根毛細(xì)管按照蜂窩狀排列成型。圖3(a) 給出一張空芯微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒端面的照片，展示出光纖預(yù)制棒由超過100根直徑為1 mm左右的石英材料毛細(xì)管堆疊而成。毛細(xì)管堆積而成的預(yù)制棒整體套入外層套管。光子晶體光纖的制備工藝靈活，適合的光纖結(jié)構(gòu)也多種，如實(shí)芯光纖、空芯帶隙光纖和多芯光纖等。

圖3 毛細(xì)管堆疊技術(shù)。(a)空芯微結(jié)構(gòu)光纖預(yù)制棒端面的照片；(b)實(shí)芯光纖；(c)空芯帶隙光纖；(d)多芯光纖

總結(jié) 

典型光纖包括：全內(nèi)反射導(dǎo)光型微結(jié)構(gòu)光纖、反諧振型微結(jié)構(gòu)光纖、光子帶隙導(dǎo)光型微結(jié)構(gòu)光纖。集成式光纖結(jié)合光纖的大帶寬、柔性、細(xì)長、成本低廉等優(yōu)勢，在通信、激光器等技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用中可將越來越多的電子功能集成到光纖設(shè)計中，如微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、半導(dǎo)體技術(shù)等。

尤其近幾年，英國南安普頓大學(xué)、德國馬克思普朗克研究所幾乎同時開發(fā)出納米機(jī)械光纖，這一類功能光纖集微結(jié)構(gòu)光纖和MEMS功能于一體，在光信號傳輸時，每個纖芯可以作納米量級的機(jī)械振動，這種機(jī)械運(yùn)動使得纖芯可以感知外界的環(huán)境，同時也可以通過對纖芯的調(diào)制實(shí)現(xiàn)光緩存或者光開關(guān)的應(yīng)用。

因此這類光纖在傳感、光運(yùn)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的作用。新型材料科學(xué)是光纖技術(shù)的支柱，光纖功能的不斷提升基于研究人員長期對其材料的提純和優(yōu)化。光纖除了使用常見的石英玻璃外，還可選擇硫系玻璃、多組分玻璃甚至塑料材料等來構(gòu)成第三類特殊材料光纖，以滿足中紅外波段傳輸、深紫外波段傳輸、耐高溫環(huán)境應(yīng)用等特殊要求。同時，涂層材料的正確選擇也有助于提高光纖的強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性，如聚丙烯酸樹脂、聚酰亞胺、金屬涂層等。不同折射率的高分子材料也廣泛應(yīng)用于增益雙包層光纖。

參考文獻(xiàn)：

廉正剛, 陳翔, 王鑫, 婁淑琴, 郭臻, 皮亞斌. 微結(jié)構(gòu)和集成式功能光纖的制備和潛在應(yīng)用. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2019, 56(17): 170615