空芯光纤 -- 什么是光子带隙光纤？

长期以来，光纤通信的发展受到纤芯材料特性的限制，特别是损耗特性。二氧化硅在可见光至近红外波长范围内损耗低，与激光器工作波长相匹配，因此成为长途电信应用中光纤纤芯的首选材料。

这类光纤的纤芯是实心的，传输原理是基于全内反射（Total Internal Reflection, TIR），其中光纤芯的折射率 𝑛纤芯 > 𝑛包层。

想象一下，一束光在纤芯中传播，撞击在纤芯和包层之间的界面上。如果界面上的入射角低于 TIR 的临界角，则光就会被完美反射回纤芯。

这是利用折射率差异形成的反射，界面不就是一面镜子嘛。

所以，咱们能否直接制造一面镜子，想想咱们日常使用的镜子的反射面，反射的就是光线。

那干脆直接在波导内部构建一个镜面不就得了！光纤也属于波导哈，圆形波导。日常用的镜子，折射率大于1，因此对于空芯波导，我们要将其空芯的折射率小于包层材料的折射率即可。

早期，贝尔实验室在空心管的内部涂上一层铜的导电边界，管中间是空心的。金属波导内部的铜形成的导电边界，充当了一面镜子，将引导的光反射回管芯中心，从而引导光在纤芯中传输。

古代人们使用的镜子用的镜子也是用铜打造的，说明高反射率的材料。据资料显示，工作频率范围旨在达到 40–110GHz，损耗小于 1 dB/km。

不过这东西架不住贵啊，后来“光纤无铜” 的警示牌，或者并不是人们的无知啊！

后面将铜改成了铝，矩形铝波导，损耗低至约 1dB/m。

当康宁公司开发出损耗为 17dB/km 的硅芯光纤，这些金属波导的热度才褪去。但是这种空芯光纤的思想却延续着。

除了这种方法，还有另一种产生高反射表面的物理机制：光子带隙。光子带隙晶体是人工制造的材料，其中折射率在高折射率值和低折射率值之间周期性变化。

光子带隙光纤主要有两种类型：

• 一维（1D）光子带隙光纤；
• 二维（2D）光子带隙光纤。

从折射率周期变化这个特性，不知大家是否有想到光纤布拉格光栅，它在轴向具有周期性变化的折射率。能够反射特定的波长。

类似的，一维光子带隙光纤是在径向上，具有周期性高低变化的折射率。

因此，这种空芯光纤也被叫作布拉格光纤（不是光纤布拉格光栅哈）。

再就是二维光子带隙光纤，是利用二维周期光子晶体实现的镜子。

可以简单理解是在波导结构上打了很多孔，这些有孔洞的地方对特定频率的光是禁止通行的。中间空芯的部分则是可以让这部分频率的光通过，从而形成波导。

还有一种嵌套式反谐振空芯光纤。这种光纤形成镜面的方法是将通过嵌玻璃管形成谐振腔，把光反射回空芯区域。我们将在后续讨论。