中空光子晶体光纤——结构特性和应用

正文

一、空心光纤的历史和基本结构

除了常见的电信传播波段1.31-1.55微米，新的应用领域如外科、传感、焊接通常需要更长波段的，这不光是激光器的问题，更是传输

介质的问题，但石英材料透射谱段有限，于是人们又有了硫系玻璃、氟系玻璃和多晶材料。但是，如果能将传输介质替换为空气，是不

是就可以突破材料对传输波段的限制。图1是一维光子带隙光纤，即在空气孔边缘附件构造周期的辐射状折射率改变。

图1、一维光子带隙光纤

二维光子带隙光纤由P.Russell首次制备而成，如图2所示，这种光纤具有比固态纤芯光纤更加低的传输损耗。

图2、二维光子带隙光纤

二、空心光纤的传输原理

包层中含有空气孔的周期性二维阵列的实芯光子晶体光纤的导波机制，通常被认为是传统的全内反射（total internal reflection-

TIR）。在所谓的光子带隙光纤（Photonic-Bandgap Fiber）中，空气孔的周期特性至关重要，因为它通过包层内折射率的周期变化

将光模限制在纤芯内。对于空心光子晶体光纤，充满空气的芯的折射率小于包层材料，空心内不能发生全内反射，波导模式是靠光子带

隙实现的。

可用三种主要的方式，如图3，实现空心光纤中光的波导：

1、可选介质涂层的金属管，

2、多层电介质布拉格镜

3、二维光子晶体

图3、三种主要类型的反射包层

(a)通过反射包层产生光导的空心光纤

(b)带有电介质涂层的金属包层

(c)多层电介质镜

(d)二维光子晶体包层

空心光子晶体光纤的纤芯内充满空气(空气的非线性折射率系数大约是石英的千分之一)，所以非线性效应弱得多。早些年前，与常规石

英光纤相比，空芯光子晶体光纤大部分具有相当高的损耗（约1dB/m），而且这种损耗取决于多个设计因素，包括空气孔的形状和间

距，六边形晶格形式的空心光纤如图4。图5给出了通过测量得到的包层被设计成六边形晶格形式的空芯光子晶体光纤的损耗谱，这种

晶格由交错的三角形组成，这样每个交叉有四个最邻近的交叉，六边形晶格使包层主要被空气填充，这样石英支柱的网状物占据不到

20%的空间。

采用相当大的空芯结构，提高六边形晶格的间距，间隙填充物主要是空气，非线性效应被大大降低。即使是较高损耗的细纤芯的光子晶

体光纤，也可以利用他们的色散特性压缩脉冲。

如果使用氢气来替换空气来观察受激拉曼散射，结果表明拉曼阈值降低到石英光纤拉曼阈值的百分之一左右。因此，不同的填充物可以

来增强不同的非线性效应。

图4、六边形结构空心光纤

图5、六边形空芯光子晶体光纤损耗谱 

三、空心光纤应用

空心光纤在医疗上的应用主要是感应和诊断治疗，空心光纤的最大优点是可以传输普通固体芯无法传输的波长。例如，传统石英基光纤

由于其材料吸收，截止波长约在2.1微米，但Er:YAG激光波长达2.94微米、CO2激光波长达10.6微米，这比短波长的石英光纤具有更大

的临床诊疗优势。通常，利用长波长的高水吸收峰，阻止激光能量穿透作用组织以外，达到精确消融或切割的目的，同时CO2激光良

好的止血性能也有助于外科医生的操作。尽管二氧化碳激光器有许多优点，但由于缺乏一种灵活的介质将激光功率传输到人体中的目

标，它在医学上的应用相对有限。由于没有灵活的传输介质，CO2激光的使用仅限于在激光和目标之间建立直接视线的程序，主要是

在皮肤科和使用刚性喉镜的耳、鼻、喉(ENT)手术。利用全向反射一维光子带隙来限制光的中空纤维已经被开发出来，并成功地用于

CO2激光器的一些微创手术中。如图6所示，这些光纤足够柔软，可以通过柔韧的内窥镜引入体内，将CO2激光辐射传送到以前这种激

光器无法到达的区域。

图6、图中灰色光缆内部的空芯光纤用于微创手术

在光纤传感领域中，温度敏感特性是需要被利用的，但在光通信领域，往往需要克服这个特性。尤其是需要时间同步，或需要从光信号

中获取时间信息的应用，例如跨洋同步网络，遥感数据，和带光纤延迟线路的激光器。通常，每摄氏度的温度变化可以使每公里标准实

芯光纤的传播时间改变约40皮秒。如图7中不同芯直径的空芯光纤在通信波段的热延迟系数（TCD）的变化，更高的芯直径（37-

cells）拥有更低的损耗。

中空的光子带隙光纤与实心石英光纤的结构差异，使得大部分的光功率通过空气介质而非玻璃（石英）材料传递。第二方面是与玻璃

（石英）材料相关的群速度折射率，空芯光纤群速度折射率降低，光在光纤中行进更快。这些都有助于提高信号的传输速度，减少延

时，最终降低信息服务企业的运营成本。有研究报道了37芯的(Hollow-Core Photonic BandGap Fibers-HC-PBGFs),传输速率高达

73.7Tbit/s，这得益于内部低串扰及无表面模式的影响。同时，空芯光纤在非线性脉冲整形及饱和吸收、分布反馈激光器和等离子体激

元传感器等方面的应用也在展开。

图7、不同芯直径在不同波长（1.55微米波段）的热延迟系数

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

在化学传感应用方面，空芯光纤能够比传统光纤提供显著的效率优势和低样品体积要求。有研究在浓度为30ppb的1.5毫升氯乙烷样品

中检测氯乙烷分子，使用空芯光纤可将反应时间缩短为8秒。(Ref:Applied Physics Letters 86, 194102 (2005); doi: 

10.1063/1.1925777)

空心芯光纤也可以作为无源元件，将被感知或研究的源的辐射传递到传感器，然后传感器分析辐射。应用包括温度传感(黑体辐射分析)

和化学传感。这种技术在危险环境(如战场)或感应点难以到达(如机器内部)时很有用。当环境中的许多点需要经常分析，但不是连续分

析时(海底、工业工厂)，它也很有用;在这种情况下。与每个需要监控的点都放置一个传感器的情况相比，需要部署的传感器数量显著减

少。使用空心芯光纤的好处是，它们可以传输更宽的带宽，并能访问使用其他实芯光纤难以探索的波长范围(例如，对于化学传感来

说，3-20um范围是特别有用的)，广泛应用中包括环境传感(污染等)、国土安全、过程监测和生物医学传感(如检测哮喘的呼吸分析)。

大功率激光功率传输同样是空芯光纤的应用领域，金属涂敷的空芯光纤可传3KW功率的激光能量。

（声明：本文部分图表参考自OSA或AIP数据库论文，期刊卷及DOI编号都已在引用部分标出；昊量光电可提供空芯光子晶体光纤，配

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