20世纪，石英光纤技术的出现和广泛应用奠定了光纤通信、光纤激光器、光纤传感三大领域的革命性成就。光纤直径约几十微米，比人类一根头发丝还要细，因此在运输和铺设中相比传统的电缆有很多优势，同时其具备抗电磁辐射能力，保密性能优异，在军事领域应用具有巨大潜力。因此，光纤的设计和研究一直以来都备受科学研究者的关注。
信息时代的不断发展，必将伴随着人们对于信息容量需求的不断增加。光纤作为21世纪信息传输的重要载体，其性能研究是至关重要的。HC-ARF在各类光纤中，凭借其超宽带宽、低损耗等特性脱颖而出。
的司马朝坦副教授团队研究的“新型空芯微结构光纤与传感特性基础研究”，是一种空芯反谐振光纤，该反谐振光纤结构包括纤芯、内包层和外包层。纤芯处由低折射率的空气填充，内包层由一层结构的毛细管组成，每个毛细管采用高、低折射率导光材料交替的结构，外包层采用高折射率的二氧化硅。本发明空芯反谐振光纤具备传输损耗低，色散平坦、单模传输特点，且制备效率高。
项目背景
随着光纤通信和传感技术的发展，微结构光纤的应用日益广泛。而空芯反谐振光纤是近年来被提出的一种空芯微结构光纤，其主要利用反谐振原理将光信号限制在空气芯中传输。基于空芯反谐振原理的新型空芯微结构光纤具备许多优越性能，例如低损耗、大带宽、可调色散等，使得该光纤自出现以来，便迅速成为相关领域研究热点。
最早关于这类光纤研究的是2002年英国巴斯大学Benabid提出的Kagome包层结构的反谐振光纤，该光纤包层是周期性排列的空气孔，但其并不具备光子晶体光纤的完整带隙特性，因此其与光子晶体光纤的带隙导光机理完全不同。
高低折射率包层的空芯反谐振光纤基模模场图
项目概述
本项目总结和梳理了空芯反谐振光纤的研究进展，介绍了微结构光纤的数值计算方法及其基本特性，提出了一种基于高、低折射率包层结构的低损耗空芯反谐振光纤，并利用有限元分析软件对其进行特性分析及优化，并设计了一种基于包层毛细管不同折射率、不同壁厚的高双折射型空芯反谐振光纤，对该光纤双折射及损耗特性进行研究及优化。
基于高、低折射率包层的空芯反谐振光纤横截面
技术特点
主要通过仿真模拟对空芯反谐振光纤结构及基本特性进行了分析研究，其中主要对光纤的损耗、双折射、色散等基本特性进行分析。
介绍了几种微结构光纤的数值计算方法，重点论述了有限元分析法。本研究采用有限元分析法对建模后的光纤进行了仿真计算，分析光纤的基本特性。设计了一种基于高、低折射率包层结构的低损耗空芯反谐振光纤。创新性提出在包层毛细管中引入高、低折射率分布，结合有限元思想对此光纤进行光学特性仿真分析。该光纤在波长1060nm处限制损耗可低至4.8dB/km，相比之前有2.2dB的降低。设计了一种具备高双折射特性的反谐振式空芯光纤，提出在光纤包层毛细管引入折射率和厚度不同的双折射结构，分析了此光纤的传光机理以及其损耗、双折射特性。经过一系列优化后的光纤结构，其双折射在1550nm处为3.13*10-4，损耗为0.56dB/m。
两种嵌套型HC-ARF a.空芯嵌套反谐振光纤b.反谐振泄露限制光纤
本研究项目已申请“一种气体检测方法及系统”（专利申请号：201910802410.0）和“一种空芯反谐振光纤”（专利申请号：201910407523.0）两项发明专利。
应用领域和市场前景
经过一系列优化后的光纤结构，其双折射系数在1550nm处为3.13×10-4，损耗为0.56dB/m。这类光纤具有低损耗、超宽传输带宽、较高损伤阈值等特性，且能够通过调节光纤结构参数来实现不同特性。其在光纤通信、传感以及高功率超快激光传输等领域都有重要应用，是当前空芯特种光纤的热点研究方向。
项目负责人：
司马朝坦，博士，副教授，博士生导师，现为华中科技大学光学与电子信息学院副教授。
主要研究方向：
硅基二氧化硅全光集成器件、光学气体传感、特种光纤。
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