手性芯光纤优化方案

手性芯光纤与手性耦合芯光纤不同的是，螺旋结构直接作用在纤芯上并且不具有侧芯，从而引起纤芯的折射率周期性调制，因此也常被称为手性光纤光栅。手性光纤光栅的概念是2003年由美国手性光子公司Kopp等提出，这种波导结构可在软化条件下高速扭转偏芯或者非圆纤芯光纤而成，无需光敏与掺杂，为光纤光栅的制作引入了新思路［119］。在扭转作用下，光纤纤芯呈螺旋结构，从而形成纵向和角向折射率周期性调制，因而这类光栅不但具有类似于普通光纤光栅的波长选择特性，而且具有与旋转方向相关的圆偏振选择特性。根据扭转周期的大小，手性光纤光栅可分为三类，各类手性光纤光栅的结构和作用机制如图3－20所示。

图3－20　各类手性光纤光栅的结构和作用机制

（1）短周期手性光纤光栅的螺距等于光波长，为1μm左右，其反射光在纤芯内部。与入射光传输方向相同的旋光为同向旋光，与入射光传输方向相反的旋光为反向旋光。短周期手性光纤光栅在纤芯内存在一定波长范围的禁带，反射同向旋光，自由传播反向旋光，在禁带边缘以同向旋光的形式出现。这种光纤等同于分光的双折射光纤，可用作偏振选择光谱滤波器。因为低阶模式较其它模式能够长时间存在于禁带边缘，所以这种光纤经过掺杂和泵浦，可用于制作激光器。

（2）中间周期手性光纤光栅的螺距在10μm范围内，其散射光在纤芯外。其螺距与光纤中传播的光波长的比值介于手性短周期光栅和长周期光栅之间。在其禁带附近，只有同向旋光被散射。(www.xing528.com)

（3）长周期手性光纤光栅的螺距与光纤中传播光波长之比约为100，通过光栅进行相位补偿，能够将纤芯中模式耦合到包层同向传播。长周期手性光纤光栅对于光纤包层特性和周围环境非常敏感，可用于温度、压力液体等传感器。

美国手性光子公司系统研究了长周期手性光纤光栅的温度［120，121］、压强［122］及辐射［123］等传感特性，结果表明：与传统长周期光纤光栅相比，这类光纤光栅在恶劣环境下具有更大优势，在4001000℃高温下仍能稳定工作。2009年，他们报道了基于熊猫形光纤制作的手性全光纤起偏器，在1330 nm处的插入耗损和消光比分别为0.39 dB和28.5 dB，在1550 nm处则分别为0.45 dB和33.5 dB［124］。

韩国光州科学技术学院将普通单模光纤通过二氧化碳激光加热后，精确控制光纤移动，扭转制成手性长周期光纤光栅，并对光栅的扭转、温度、弯曲、应力［125，126］等特性进行了研究。结果表明：与传统长周期光纤光栅相比，手性长周期光纤光栅具备类似的温度敏感度、较高的扭转敏感度以及较低的偏振相关耗损。将两根不同螺旋方向的螺旋长周期光纤光栅级联，可用作带宽［127］和幅度可调谐滤波器［128］。

2005年，西班牙的Jáuregui［129］重点研究手性长周期光纤光栅的偏振特性，并称之为虚拟长周期光栅。同年，葡萄牙的Ivanov等［130］利用普通单模光纤微弱偏心制成手性长周期光纤光栅，发现该光栅在1000℃时仍非常稳定。2010年，德国的Henschel报道了在强辐射环境下手性长周期光纤光栅对辐射敏感，并提出可根据不同光纤材料设计不同辐射灵敏度的手性长周期光纤光栅［131］。乌克兰Alexeyev等［132］研究了利用手性长周期光纤光栅产生涡旋光，并发现不同扭转截面非圆对称性光纤对涡旋光产生有重要影响。日本的Xian等［133］将左螺旋和右螺旋手性长周期光纤光栅级联，采用幅度调制的方法可同时测量温度和扭转，实现了多参量同时测量。

国内方面，中国科技大学光波实验室对手性长周期光纤光栅做了系列深入的理论研究，为设计和实现宽带圆偏振起偏器提供了理论基础［134－136］。北京理工大学实验演示了基于三根螺旋长周期光纤光栅级联实现温度不敏感的光纤扭转传感［137］。华中科学技术大学的王健等在理论上证明，基于环形结构的手性长周期光纤光栅可实现轨道角动量的产生、转化以及交换，对未来光通信发展具有意义［138，139］。