特种光纤和光子晶体的限制效应

本书所指特种光纤主要是具有特定功能的光纤种类，如保偏光纤、光子晶体光纤、多芯光纤、稀土掺杂光纤、倏逝场光纤、少模光纤、双包层光纤及红外光纤等，这些光纤在通信和光纤传感等领域都起着重要作用。但这些光纤不太常见，不做重点介绍，只是让大家有个简单了解，掌握一些新的技术。

1.2.2.1　保偏光纤

常规光纤的基模是一个两重简并的模式，即理想中两个偏振模式有着相同的传输特性，不存在双折射。而实际上光纤制作过程中的不完善，光纤或多或少具有双折射特性。保偏光纤（Polarization Maintaining Fiber，PMF）是通过特殊结构设计和制造的，有意地引入高双折射的光纤。

两个偏振有效折射率差可由不对称波导（如椭圆形的纤芯）或由不对称应变导致的折射率分布引入。应变导致原子的相对位移和电子状态的变化，从而导致介电常数的变化，称为光弹性效应。

折射率的变化基本上正比于应变，在光纤预制棒制造和拉丝工艺中引入一个适当的应变就可以实现模式双折射。如在光纤中掺硼（B2O3）以形成两个应力施加区，掺杂的应力施加区和区域外石英材料之间的热膨胀系数差也会导致热应力。

目前，三种保偏光纤比较有代表性，即熊猫眼光纤、领结芯光纤和椭圆芯光纤，如图1.2.4所示。还有一种D形保偏光纤也在应用。

图1.2.4　典型保偏光纤的端面示意图

在熊猫光纤中，在两熊猫眼的区域填入热膨胀系数比石英高的材料，在从1600℃到室温变化的预制棒烧结和光纤拉丝工艺过程中，产生了热应力。由于光纤长而细，这一轴向应力通过横向形变而被消除。横向形变在纤芯及其周围引入上下方向（y）压缩、左右方向（x）拉伸的应变分布，也就是说，在纤芯处发生y方向的正应变和x方向的负应变。这意味着y方向偏振模式会以比y方向较慢的速度传输，即x是慢轴，y是快轴。其他两种光纤的原理也与此相同。

当某一角度线性偏振的光束在输入PMF时，可以分解成x和y方向的两束偏振光，这两个分量将以不同的相速度传播。如果输入光的偏振与PMF的两个主轴x或y轴一致，偏振方向将在传输过程中保持不变，这也是保偏光纤名称的由来。如果输入的偏振方向与主轴不一致，在传输路径上合成的偏振状态就会周期性变化，从线偏振到椭圆偏振，再到圆偏振。

1.2.2.2　光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）

光子晶体光纤是20世纪末光纤领域的重大发现。与普通的阶跃光纤相比，它具有一些独特的优势，比如无截止单模传输特性、灵活可调的色散特性、可实现极高的非线性和高双折射特性等等。

要了解光子晶体光纤，先介绍一下光子晶体。

1987年，有科学家指出在介电系数呈周期排列的三维介质中，电磁波经过散射后，某些波段会因干涉或衍射而呈指数衰减，使得这些波段的电磁波无法在介质内传输，相当于在频谱上形成带隙，即所谓的光子带隙或光子禁带（photonic band gap，PBG）。光子带隙概念的提出，使人们控制光子的梦想成为可能，也让人们看到了以光子替代电子来解决“电子技术瓶颈”问题的希望。具有光子带隙的介电物质，称为光子晶体（photonic crystal，PC）。光子晶体显示出具有非常有吸引力的、独特的性质，如对光发射的控制、光子陷阱、光束顶角转向、负折射率等。

光子晶体包括一维结构（如相同的多层材料的叠层和光纤光栅），二维结构（如光子晶体光纤）和三维结构，如图1.2.5所示。

图1.2.5　光子晶体的代表结构

根据对光子传输的限制作用，光子晶体又分为完全禁带光子晶体和不完全禁带光子晶体。完全禁带光子晶体是指光子完全被限制其中，不向外传输；不完全禁带光子晶体是指光子在某些方向上传输受限，其他方向光子可以传输。

光子带隙能够阻止光子在某方向上的传输，人们就开始尝试将该理念用在光纤导光方面，即在光沿光纤传输的垂直方向上设置成光子带隙保证只让光子在沿光纤的方向上传输。这样，光子晶体光纤的概念就产生了。

1992年，英国罗素（Russell）等人首次提出光子晶体光纤PCF的概念，经过大约四年的反复尝试，英国巴斯大学的奈特（J.C.Knight）等人在1996年成功拉制出世界上第一根光子晶体光纤（Photonic crystal fiber，PCF）。在开始阶段也称为多孔光纤（Holey fiber，HF）、微结构光纤（Microstructure fiber，MF）或空气孔辅助型光纤，它是在石英光纤的包层中沿轴向均匀地排列空气孔，并在纤芯端面存在一个破坏了周期性结构的缺陷所构成，从而使入射光能被控制在光纤纤芯中传输。它可以被视为一种周期结构被破坏的带有线缺陷的二维不完全禁带光子晶体。光子晶体光纤由于包层中的二维光子晶体结构，可以作为更加优异的光传输介质，在新一代光纤通信系统和激光技术等重要领域具有极其广阔的应用范围。

光子晶体光纤的制造方法与传统光纤一样，先是制备预制棒，然后拉丝。制作预制棒的办法主要有堆积法（stack and draw）、挤压法和超声波打孔法等。

堆积法通常由一捆石英管在高温融合制作而成。线性光子晶体光纤是在包层中规则排列着细小空气孔（晶格常数为μm数量级）的具有二维周期结构的细长的硅光纤，核心处引入一个多余的空气孔，或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替，从而在二维光子晶体中引入了一个“缺陷”作为核心。制作这种光纤是用几百根硅棒或硅管手工堆积成预先设计的成阵列，硅管是由石英玻璃管拉制成毛细管，然后从中心抽去7根硅棒或硅管，留下1个大的中心空气孔，或者在中心应该使用硅管的地方用硅棒代替。空气孔可以通过包含孔状结构的预制棒来得到，该预制棒可通过首先堆叠毛细管和固体管（堆叠管技术），然后再将这些管子插入更大的管子，熔缩成预制棒拉丝。

挤压法则是利用软化温度较低的玻璃或塑料，根据光纤结构设计制作出相应的模具，然后将玻璃或塑料加热熔融，灌入模具中形成预制棒。这种方法效率高，模具可以重复使用，比较适合于大规模生产，但是每一种结构必须有不同的模具设计。

超声波打孔办法就是通过超声波将预制棒打出设计的孔型和尺寸，但是超声波打孔法制备预制棒长度有限，无法打出太深的孔洞，而且花费较长的时间，优点是可随意制备出不同结构的光子晶体光纤。

PCF中的空气孔可以有很多种排列方式，因此可以得到很多不同的性质PCFs，所有的这些PCFs都可看作是特种光纤。

最简单的光子晶体光纤中间的孔缺失，即实心的芯周围是排列好的空气孔。这种类型的PCF可以通过有效折射率模型来理解：缺失的孔处具有更高的有效折射率，与普通光纤中的纤芯类似。

光子晶体光纤具有周期性的排列结构，它同传统的光纤在传输机理上有很大的不同。根据PCF的导光原理，光子晶体光纤可分为两种，一种是全内反射光子晶体光纤（TIR—PCF），另一种是光子带隙光子晶体光纤（PBGF）。

（1）全内反射型（TIR—PCF）

全内反射光子晶体光纤是依赖全内反射效应导光。纤芯折射率比包层的有效折射率高，光束在纤芯中按照改进的全内反射原理进行传输，它对包层的空气孔排列的周期性要求不是十分严格。全内反射型PCF中心有纤芯，外面空气孔呈周期性紧密排列，空气包层的有效折射率由空气和石英的比率决定，因此，可以制成不同折射率剖面的光纤。纤芯、包层间的有效折射率差是波长的函数，归一化的传输频率可以在很宽的范围内保持不变，从而保证宽带范围内的单模传输和不同的色散特性。

（2）光子带隙型光纤（PBG—PCF）

光子带隙光子晶体光纤是按照光子带隙效应导光，即光纤包层结构由周期性晶格排列的空气孔产生光子带隙。对频率在带隙内的光子存在带隙效应，使光只能在纤芯中传导而不能在包层中传播，它对包层中空气孔排列的周期性要求比较严格。光纤结构与TIR—PCF恰好相反，空气孔构成的纤芯折射率小于包层折射率。导光特性也有明显差别。PBF—PCF利用包层微结构产生的光子带隙特性实现导光。

以上两种光纤的典型结构图示意图分别如图1.2.6（a）和（b）所示，图1.2.6（c）为空心光纤端部显微镜图片。

图1.2.6　两种典型的PCF的端面照片

光子晶体光纤具有与常规光纤差异很大的特殊性质。通过适当的设计和制备，光子晶体光纤具有以下独特的性能和特点。

（1）无截止限的单模传播。在常规光纤中，较短波长的光波可以因为归一化频率V增加而激发高阶模。在全内反射型PCF中作为包层的多孔材料的等效折射率随着光频率增加而递增，因为空气孔中倏逝场的深度随光频率增加而减小，从而使归一化频率减小。通过适当设计，在光子晶体光纤中比常规光纤截止波长更短的波长可以保持单模传输。

（2）高非线性光学效应。众所周知，非线性光学效应随着能量密度增加而增强。光子晶体光纤可以设计和制作一个比普通光纤面积更小的纤芯，导致较高光强密度和较高的非线性效应。高非线性光纤在某些应用中起重要作用，如产生超连续谱（supercontinuum），即窄带光源入射到非线性介质后，在多种非线性效应和介质色散的共同作用下，使得出射光中产生了大量的新频率成分，从而使输出光谱得到了极大的展宽，这在波分复用技术及军事领域有广泛应用。

（3）可设计和可控制的偏振特性。显然，光子晶体光纤的很多结构参数都可以用来调节和控制其性质，包括孔的布局和其对称类型，孔的大小，孔之间的间距，孔的形状。一些特殊的设计可以获得高的双折射，如长方形格子的小孔排列，尤其是在纤芯周围，甚至可以实现单一偏振的传输。

（4）可设计和可控的色散特性。基于波导色散，光纤色散可以通过纤芯折射率分布的设计来调整。光子晶体结构提供了设计其色散特性更多的可能性，获得诸如大光谱范围的低色散或零色散等。

（5）高功率和高能量的光波传输。一般玻璃材料的光吸收和热效应限制了能量传输的性能。光子带隙效应提供了将光波限制在孔径扩大的空气孔中传输的可能性，从而减轻了负面影响。这一特性可以将光谱扩展到更长的红外波段。复杂结构的光子晶体光纤的制造成本可能高于普通光纤。然而，它没有必要采用需要精确控制掺杂元素和掺杂量的二氧化硅作为纤芯，这在大规模生产中有助于降低成本。

总体来讲，光子晶体光纤在很多方面与标准光纤类似。但是，也存在一些技术困难。

（1）PCFs端面不能采用液体溶液（例如乙醇）进行清洁，因为毛细力会将液体吸入孔中。空中有一点液体都会对光纤的导波特性造成很大的影响。还有专门的研究课题是基于这种效应，通过控制液体进入空气孔中的程度得到可调谐的光学损耗。

图1.2.7　用于高功率光纤激光器和放大器、具有空气包层的光子晶体光纤结构(www.xing528.com)

（2）可以切割和熔接PCFs，但是非常困难，尤其是光纤中空气孔占的比例很大时。在熔接过程中，空气会发生膨胀然后使光纤结构发生畸变。光纤也可以通过机械接点、光纤连接器、插接电缆、光束扩展单元等连接在一起。即使熔接过程非常顺利，但是也可能由于模式面积不匹配引起很大的耦合损耗，例如，小纤芯PCF耦合到标准单模光纤中。存在特制的锥形单模光纤和锥形PCFs提高耦合效率，但是这些锥形光纤也不是很容易制备。

下面给出目前市场上所设计出的一些PCF光纤结构，对应的每一种PCF的作用不详细描述（图1.2.7，图1.2.8）。

图1.2.8　可用于各种干涉仪的双折射率光纤

图1.2.9　布拉格光子晶体光纤

1.2.2.3　稀土掺杂光纤

稀土掺杂光纤是采用某种工艺技术将铷、铒和镱等稀土元素离子单独或混合掺入光纤芯中而制成，目前主要是掺杂到光纤纤芯中，但也有同时掺杂到光纤包层中去的。光纤材料中掺入的稀土离子经光泵跃迁到高能级后，具有放大输入光的功能，就像其他固态激光材料一样。它有独特的性质，如光束质量好、散热性能好、能量效率较高、传输光纤兼容性好等，因此稀士掺杂光纤被用于制作光放大器和激光器。其中掺铒石英光纤是最重要的一种。其他还有掺铥光纤，以及铒镱双包层光纤等。

掺铒光纤放大器（EDFA）被认为是光纤通信领域最重要的器件之一，特别是密集波分复用技术（DWDM）的关键之一。有了它，不同波长携带的信号可以同时分别放大，而不需要做电－光－电的转换。

稀土掺杂光纤可应用于：（1）激光光纤和光纤放大器；（2）基于吸收、荧光的分布温度传感器；（3）增大菲尔德常数；（4）提高克尔效应和非线性光学系数等。稀土掺杂光纤常与光子晶体光纤技术相结合制作各种特种用途光纤。如双包层掺镱光子晶体光纤可以制成大有效模场面积光纤，掺铒光子晶体光纤具有较好的抗辐照性能以及增益特性。

1.2.2.4　少模光纤

少模光纤（few－mode fiber，FMF）是一种纤芯面积足够大，足以利用几个独立的空间模式传输并行数据流的光纤。目前所见大多为多芯结构或多空包层结构光纤，或者是通过复杂折射率分布设计的纤芯以优化模式耦合与串扰。

随着光纤通信系统传输和接入带宽需求的不断提升，如今普通单模光纤的传输容量已达100Tbit／s，由于非线性效应，系统容量接近香农极限（Shannon capacity formula），为此需要新的光纤技术来应对容量的挑战。香农极限方程：

式中：C——容量（bits／s）；

W——带宽（Hz）；

S／N——信噪比。

为此，空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）技术应运而生。普通单模光纤只支持基模的传输，考虑到基模的两个正交偏振态被采用的情况下，普通单模光纤仅仅支持两路信道传输。空分复用，即采用少模光纤（Few－mode fiber），多芯光纤（Multi－core fiber）或二者的结合来实现单根光纤中多个传输信道的同时工作来提高光通信网络的信息传输能力。相比于G.652光纤，空分复用技术可以在相同的空间内成倍地提高单根光纤中的信息容量。图1.2.10为6种少模光纤或多芯光纤典型结构。

图1.2.10　少模多芯光纤典型结构

不同于普通单模光纤只支持基模一个模式的传输，少模光纤通常支持2～10个模式的传导。几个相互正交的模式分别作为独立的信道同时对信号进行传输，可成倍提升光纤信道的传输容量。与多模光纤相比，少模光纤支持的模式数量少，降低了通信系统对模式耦合引起的信道串扰和模间色散处理的复杂度。相比于单模光纤，少模光纤的纤芯通常较大，使其具有更大的模场面积，可以有效降低光纤中非线性效应的影响，可以容忍输入信号光更高的输入功率，对提高信道的光信噪比及传输距离起到有益作用。少模光通信系统中经常被采用的模式主要有LP01，LP11，LP21，LP02，LP31模式，其中仅基模LP01模式包含两个正交的偏振态，其余模式均包含四个正交的偏振态。

少模光纤以相互正交的几个模式为正交基底，通过模分复用的方法来提升高速光通信系统的传输容量。近年来模分复用技术与原有的波分复用、时分复用及偏分复用技术逐渐融合，少模光纤在提升通信系统通信容量方面具有极大的潜力。与此同时，各种先进的编码技术的应用也对系统信道传输容量的增加起到了非常重要的作用。在空分复用传输系统中，少模光纤正在从常规的单芯少模结构逐步向着多芯少模结构发展，覆盖波段不断增加，通信容量不断提高，传输距离不断增长。新式光子灯笼型模式复用／解复用器的出现，初步解决了少模光纤中模式耦合进／出光纤的问题，避免了利用空间调制耦合方法所面对的器件体积大、操作复杂等问题，实现了少模光纤信道两端的全光化传输。但是少模光纤的实用化仍然面临一些挑战，随着采用模式数量的增加，模式的复用和解复用变得更加复杂，数字信号处理的复杂度不断增大，同时模式相关损耗、模间耦合、少模光纤放大器及高纯度高阶模式的获取更是亟须解决的问题。

少模光纤根据纤芯形状来区分，主要包括圆形和椭圆形两种；根据纤芯层数分布来区分，少模光纤可分为单层芯型和多层芯型。从纤芯折射率分布来看，少模光纤可分为阶跃型、渐变型、环型、沟道下陷型。因此，可以从纤芯的形状及折射率的分布等因素综合考虑设计出满足传输需求的特种少模光纤，进而应用于通信系统的传输信道中。

少模光纤的制作可以采用目前成熟的改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子激活化学气相沉积法（PCVD）、管外气相沉积法（OVD）和气相轴向沉积法（VAD），通过增加芯层的大小或者改变芯层的折射率分布来实现。

目前，少模多芯光纤在制造、测试、接续和施工方面难度均非常大，离大规模商用仍然有很长的一段距离。制作多芯光纤要考虑很多因素，芯间距的大小决定芯层之间的强耦合、弱耦合和无耦合，芯间距太小会使得芯与芯之间的串扰严重，造成信息能量的损耗以及信息的区分困难，包层的厚度决定了光纤的密集度以及抗弯曲和扭转能力，另外还要开发基于多芯光纤的可利用的多维复用方式。优化芯径、芯间距及包层直径的大小，开发大有效面积、高密集度的超大传输容量的多芯光纤一直是国内外研究的方向和首要目标。

1.2.2.5　多芯光纤（Multi－core fiber，MCF）

在少模光纤中，略提及过多芯光纤，而且，有很多的少模光纤是通过多芯光纤来实现的。但是，多模光纤还是有其特殊性，所以单独做简单介绍。

人们对光纤传输容量、带宽、速度等要求越来越高，普通单模光纤的传输容量受香农极限瓶颈的制约，难以提高。另外，管道资源也并非无限，特别是已有光缆已经占据了有限的路由，想扩容的难度会非常大，更换光缆更不是一件简单的事，涉及费用、环保（废光缆的处理）等，所以人们在关注新型光纤产品，多芯光纤就是其中之一。

多芯光纤就是同一包层里含有多个纤芯，一根多芯光纤就相当于几根普通的单芯光纤。通过大密度纤芯设计，多芯光纤传输容量得以大大提高，也解决了大芯数光缆的高成本问题，节约了管道占用空间。

很大一部分少模光纤就采取多芯光纤的方案，但对多芯单模光纤来说，不是简单地将芯棒布置在包层中。多芯光纤中每个纤芯折射率分布可以相同，有可以不同。一些多芯光纤甚至含有空气孔，如图1.2.11所示。

多芯光纤具有纤芯数目、纤芯距离、纤芯大小、纤芯与包层的相对折射率差等多个自由度，结构设计比较灵活。多芯光纤纤芯之间会存在串扰和耦合等现象。增大光纤的模场面积能消除非线性效应带来的不利影响。

根据纤芯之间的耦合程度，多芯光纤可分为弱耦合型和强耦合型两类。弱耦合型多芯光纤的纤芯之间距离较大，相邻纤芯间距一般大于30μm，纤芯之间相互产生很弱的耦合甚至没有耦合。每个纤芯进行信号光的独立传输，在降低纤芯间信号串扰的同时提高传输线路中单位横截面积的传输密度，在长距离高速光通信中有重要应用。强耦合型多芯光纤纤芯之间距离通常较近，增大相邻纤芯模场之间的重叠积分，进而产生很强的耦合。每个纤芯之间的强耦合导致最终的模场分布可以看作是所有纤芯中模场叠加的结果，也称之为超模。超模的模式数目及模场分布与每个纤芯的结构参数及纤芯的排列密切相关，可以灵活地进行设计。传统的多芯光纤竭力避免的耦合作用会在减小光功率密度的同时增大模场面积，这有助于克服非线性效应。但是，大模场面积光纤（Large－Mode－Area Fiber，LMAF）往往存在弯曲损耗大的问题。

图1.2.11　五种典型的多芯光纤示意图

1.2.2.6　双包层光纤

对光纤放大器和光纤激光器来说，主要是如何将泵浦功率尽可能多地注入纤芯中，从而能被离子所吸收，其关键就是微细的纤芯技术。20世纪90年代初期，光纤研究有了一个重大突破，出现了双包层光纤（DCF），泵浦能量可以在一个体积大得多的内包层中传输，而在传输过程中被有源的纤芯所吸收。

图1.2.12　梅花形内包层结构双包层光纤示意图

双包层光纤最重要的特点是具有不规则的几何形状，为梅花形内包层结构，如图1.2.12所示。

分析表明，注入内包层的泵浦光不一定被纤芯有效地吸收。按照射线理论，一部分入射的泵浦光是没有经过纤芯的弧矢光线。在圆柱形对称的光纤中，斜射光线倾向于保持与光纤轴向的夹角不变，它们很难转换成子午光线，如图1.2.13（a）所示。内包层面积越大，泵涌光中经过芯的子午光线所占的比例越少。按照波动理论，在规则的对称光纤中，纤芯传导模和高阶包层模之间不会发生耦合。为此，人们提出并设计了多种方案去克服这个问题，如矩形、正方形、多边形、星形、D形、梅花形、偏心结构等，并计算出注入的泵浦功率变换为纤芯模式的耦合效率。图1.2.13（b）显示了一个D形双包层光纤，它被广泛用于高功率光纤激光器。当然，理论上的设计，还需考虑制造的可行性及生产成本等问题。

除以上光纤外，其他的特种光纤如倏逝场光纤、红外光纤（方形中空纤芯结构）等，都还在不断发展和研究过程中。

图1.2.13　双包层光纤