微结构空芯光纤特性及光纤测试和工程应用

空芯光纤有着不可替代的物理特性，成为科研机构珍贵的基础研究课题，但由于其整体性能和配套应用并不成熟，产业界一直保持观望态度。近些年来，随着空芯光纤损耗指标的不断优化，多个产业应用案例的成功推进，空芯光纤逐渐得到工业界的进一步重视。文章梳理了3类空芯光纤，即空芯布拉格包层光纤、空芯光子带隙光纤和空芯反谐振光纤，重点介绍了其光学工作原理和测试手段，也结合通信、激光传能和传感领域的应用情况分析了空芯光纤的优势。文章最后对标通信单模光纤对空芯光纤的未来技术趋势做出了展望。     

基于光子带隙中模式截止特性的单模传输研究

空芯光子带隙光纤拥有优越的环境适应性,但光纤中的高阶模使其在多种场合下的应用受到制约.利用光子带隙内高阶模式在小于截止波长时被强烈抑制,而基模在该波段可以稳定存在的特性,提出了实现单模传输的方法,并通过实验验证了该方法的可行性.在此基础上仿真分析了包层参数对单模传输波段的影响,计算结果表明,单模传输波段的带宽随材料折射率的增加而增加,折射率由1.445提高到2时,带宽增加2.9倍;相对倒角由0.2提高到0.8时,单模传输波段的工作波长移动310 nm以上.     

面向光纤陀螺发展需求的空芯微结构光纤的弯曲特性研究

空芯微结构光纤的弯曲损耗是决定其能否真正应用到光纤陀螺中的一个核心指标。设计并成功拉制出一款具有超低弯曲损耗的19芯空芯光子带隙光纤，通过与拉制的具有相近纤芯直径的空芯反谐振光纤进行对比，详细探究了空芯微结构光纤弯曲损耗的产生机理，证明了空芯光子带隙光纤具有更优异的抗弯曲特性。使用对称缠绕法，在0.25 cm的极限弯曲半径下，实验测量得到的空芯光子带隙光纤的弯曲损耗为每圈3.63×10^-3 dB@1624 nm，这是目前实验报道的空芯微结构光纤在最小弯曲半径下的最低弯曲损耗。面向光纤陀螺的应用需求，首次实验研究了在不同张力下空芯光子带隙光纤敏感环的插入损耗的变化情况。研究结果显示，随着绕制张力的增加，环体插入损耗显著增加，因此宜在小张力条件下进行空芯光子带隙光纤敏感环的绕制。研究成果对空芯微结构光纤在光纤陀螺领域的实用化进程有着重要的推进作用。     

1550nm处空芯光子晶体光纤带隙结构的研究

文章利用全矢量平面波法分析了二维三角结构空芯光子晶体光纤平面内和平面外存在的光子带隙的结构图.重点分析了课题组拉制的空芯光子晶体光纤,计算出了存在光子带隙的波长范围,发现在1550nm的光纤通讯窗口也存在光子带隙.通过理论计算这种光纤,发现随着包层的空气填充率、包层与空气孔两介质的相对折射率差的增大,带隙宽度也将随之增大.最后,说明了如何制备宽带隙的光子晶体光纤.     

高非线性光子晶体光纤与单模光纤低损耗熔接实验

在理论分析基础上,采用常规电弧放电熔接技术,在1550 nm波段对高非线性光子晶体光纤(PCF)与单模光纤(SMF)的熔接损耗机制进行了实验研究,指出模场失配是造成两者直接熔接损耗的主要因素;而熔接过程中因放电电流过大或放电时间过长所导致的光子晶体光纤的包层气孔形变以致塌陷,会引起超过10 dB的附加损耗。采用过渡光纤有效地缓解了两种光纤模场的失配;通过优化放电参数,有效地避免了光子晶体光纤包层气孔的塌陷,实现了高非线性光子晶体光纤和单模光纤的低损耗(<1 dB)熔接。     

谐振式空心光子带隙光纤陀螺中的光克尔效应

谐振式光纤陀螺(PROG)采用空心光子带隙(HCPBG)光纤后,光克尔效应引入的系统漂移将会与普通单模光纤(SMF)谐振式陀螺系统中的有所不同。为了研究谐振式空心光子带隙光纤陀螺中光克尔效应的变化情况,采用光场叠加的方法,从理论上分析谐振式空心光子带隙光纤陀螺中的光克尔效应,同时针对光克尔效应引入的系统漂移进行了数值仿真,并且与普通单模光纤谐振腔陀螺中的光克尔效应进行对比。理论计算表明,采用空心光子带隙光纤的谐振式光纤陀螺比采用普通单模光纤谐振式陀螺的光克尔效应有明显的降低,在光源线宽不变时,不同光纤环长度对应的光克尔效应引起的旋转角速度漂移前者比后者降低了1~2个数量级。     

一种红外波段低损耗空芯反谐振光纤的设计与研究

提出一种红外波段低损耗的空芯反谐振光纤,石英包层管为半圆半椭圆拼接结构,采用全矢量有限元法进行设计与研究。半椭圆管的半短长轴与半圆管的半径相等,将半圆管与半椭圆管进行拼接,改变半圆的半径以及半椭圆管的半长轴来改变靠近纤芯处的负曲率以及远离纤芯的正曲率,进而研究包层管的正负曲率对空芯反谐振光纤的损耗特性的影响,设计应用于1. 5~3. 0μm波段的低损耗空芯反谐振光纤。结果显示负曲率较小正曲率较大时限制损耗效果更好。当靠近纤芯处为圆形半管远离纤芯处为椭圆半管,圆形半径ry=25μm,椭圆的半长轴rx=65μm,半短长轴ry=25μm时,光纤最低限制损耗在波长2. 1μm处为8. 22×10^-2dB/km。     

中红外空芯光纤技术现状与发展趋势(特邀)

中红外光纤作为中红外领域的重要器件，在中红外激光产生与传输、生物医学检测、环境检测等领域有着重要应用。然而中红外光纤长期存在制备困难、制备材料化学稳定性差等问题，限制了其发展。与实芯光纤相比，空芯光纤通过构建包层微结构将光波限制在空气中传输，可以大幅降低光纤光学性能对制备材料的依赖，从而为光波传输提供一个低损耗、低色散、低延迟、低非线性、高损伤阈值的理想传输通道，这为中红外光纤的发展拓宽了道路。文中从光纤结构、拉制方式、材料吸收、传输性能等方面分析了石英基和软玻璃基中红外空芯光纤的发展历程、研究现状和应用前景。并通过理论仿真分析了石英基单圈结构和嵌套管结构反谐振空芯光纤吸收损耗、限制损耗与纤芯、壁厚、波长之间的关系，为低损耗中红外反谐振空芯光纤的制备和应用提供了理论指引。     

双芯准晶格光子晶体光纤的色散特性

设计了一种折射率引导型双芯准晶格光子晶体光纤,并基于有限元法对其色散特性进行数值模拟和研究。该光纤内、外纤芯中光波的耦合效应,可在相位匹配波长附近产生相当高的负色散值。通过分析内包层孔径d1,外纤芯孔径d2,外包层孔径d3,孔间距Λ以及内包层空气孔层数的改变对光纤色散特性的影响,最终设计出一种在1550 nm低损耗窗口性能优越的色散补偿光纤,负色散峰值为-2250 ps/(nm.km),半峰全宽超过280 nm,色散-带宽乘积可达630 GHz-1.km-1。此种光纤适合在长距离高速光纤通信系统中为常规单模光纤提供色散补偿。     

空芯光子晶体光纤中光子带隙的测量

利用全矢量法对空芯光子晶体光纤的光子带隙的存在进行了数值模拟,并通过实验进行了证实。采用透射谱的方法对带隙型光子晶体光纤分别在可见光以及近红外波段进行了测量,光从光纤的一端注入,探测器从另一端接收,实验结果发现可见光附近没有明显的透射带,而在波长为2591nm处出现了一个很强的透射带,证明了光子带隙的存在,与理论模拟相一致,实验的重复性好。