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1 引言
传统光纤作为光传输载体，主要是基于全内反射(total internal reflection, TIR)原理导光。最典型TIR型光纤是图 1(a)~图 1(b)所示的阶跃或渐变折射率结构光纤，这种光纤通过在高透光材料(如熔石英、聚合物)中掺杂形成高折射率的纤芯区域，使传输光在纤芯-包层界面受TIR约束而保持轴向传输。通讯中常用的单模、多模光纤均属于这种类型。由单一材料也可制成图 1(c)~图 1(d)所示的光子晶体光纤(photonic crystal fiber)和悬挂芯光纤(suspended-core fiber)，这些光纤通过多层微孔结构降低了包层平均折射率，或直接以较大尺寸微孔作为包层，束缚纤芯中光波的横向传输/泄漏，而保持轴向传输，其原理仍然是TIR或近似TIR[1]。这些TIR型光纤实现导光的基本条件是纤芯区域要具有相对较高的折射率，因此也被称为折射率传导光纤。
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空芯光纤的导光原理与上述TIR型光纤完全不同，是以特殊微结构形成的光子禁带或反谐振效应来抑制纤芯中光的横向泄漏，实现低折射率纤芯中的轴向光传输。相比于TIR型光纤，空芯光纤中绝大部分光能量(95%以上)在空气芯中传输，因此光传输受光纤材料吸收影响少，非线性效应和延迟较小，损伤阈值高，热稳定性好，而且可以作为光与物质相互作用的高效平台[1-2]。图 2所示为比较有代表性的三种空芯光纤，它们分别基于(一维)布拉格、光子带隙和反谐振结构。
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各种结构的空芯光纤中，图 2(b)所示的光子带隙型空芯光纤(hollow-core photonic bandgap fiber, HC-PBF)由于具有传输、弯曲损耗小，易与单模光纤连接，以及商业化产品丰富等优点，自1999年首次成功制备[3]以来一直被广泛地关注和研究。本文将在第2部分对这种光纤的基本结构和特性进行简要综述，并在第3部分介绍它在传感领域几个较有特点的应用，最后第4部分是全文的总结。
2 空芯光子带隙光纤的基本性质 2.1 基本结构
HC-PBF中通过轴向延伸的周期性微孔结构形成光子带隙效应，使特定波长/频率的光波在光纤横向上受光子带隙结构的束缚，而只能在纤芯(带隙缺陷)中沿轴向传输。光子带隙效应可以认为是微孔交界处形成的亚波长尺度、相互靠近(模式交叠)且周期性分布的节点波导阵列的整体效果[4]。这些节点波导的分布和形状决定了最终光子带隙的性质。实际HC-PBF中，构成光子带隙的节点波导阵列通常由周期性堆叠的微管外壁在软化状态下通过精确的气压、轴向拉速等参数控制拉制而成[1]。图 2(b)所示空芯光子带隙光纤的局部结构如图 3(a)所示，是一种三角形微孔分布的光子带隙结构。该结构形成光子带隙的归一化带宽(禁带宽度除以中心波长)主要由微孔直径d和孔间距Λ的比值决定，对于d/Λ为0.95~0.97的光子带隙，其归一化带宽约为0.1~0.15，即在通讯波段带宽约为100 nm~200 nm。此外光子带隙的归一化带宽还可以通过节点半径r进行优化调节[5]。
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除了上述三角形微孔分布，光子带隙结构还有矩形微孔分布，三角形节点分布等结构[5]，但实际中最为常见的还是三角形微孔分布的光子带隙光纤。目前带隙(传输窗口)中心波长位于440 nm~2050 nm范围内的多种商业化HC-PBF均采用这种结构。图 3(b)中黑色曲线为一种在通讯波段导光的商用HC-PBF的传输谱，其在中心波长1530 nm附近的损耗约为10 dB/km，陡峭的传输窗口边缘对应了光子带隙的边缘。受限于实际制作中带隙微结构的表面粗糙度，以及中红外波段的材料吸收，HC-PBF目前实现的最低传输损耗在通讯波段约为1.2 dB/km[7]，虽然低于传统TIR型单模光纤(同波段约0.2 dB/km)，但对于许多对长度要求相对较短的光纤传感应用而言是足够的。
2.2 模式特性
在HC-PBF中，纤芯是由周期性光子带隙结构中刻意引入的缺陷形成的。通常的纤芯缺陷结构是在制备排管时移取中心位置的3个、7个或19个微管后拉制形成的，对应常称为3单元(3-cell)、7单元或19单元HC-PBF。对于通讯波段的HC-PBF，这些类型纤芯的尺寸范围从5 μm到50 μm，支持如图 4所示的单个(3单元HC-PBF)或多个(7及19单元HC-PBF)空气传输模式[8]。HC-PBF最大可支持的纤芯模式数可以通过纤芯直径、工作波长以及带隙边缘参数进行估算[9]。
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上述HC-PBF中，7单元HC-PBF由于较容易设计成具有与单模光纤近似的模场形态，因而更容易与已广泛使用的单模光纤系统和光纤器件连接，是目前用于搭建传感系统的常用HC-PBF结构。通过在光子带隙结构中空气纤芯的附近设计额外的缺陷，来形成对高阶纤芯模式的耦合“过滤”效果，还可以制备单模甚至单模保偏的大芯径HC-PBF[10]。
HC-PBF中的纤芯模式具有与标准阶跃折射率光纤形态相似的模场分布，通常可以用阶跃折射率光纤的模式标记方法(LP01、LP11等)来进行标记[11]。对于基模(HE11或LP01)虽然模场分布在不同方位角上有一定不对称性，但其主体部分形态仍然可以用高斯强度分布来近似表征，以及用类似传统光纤的方法定义模场的半径、有效面积和发散角等参数。在多数应用情况下，这些基模参数随光波频率的变化很小[9]。
图 5(a)、图 5(c)为一段5 m长的7单元HC-PBF中LP01、LP11模式的实测模场分布图。图中除了可以观察到空芯区域的模式，在纤芯/包层界面附近还可以观察到较弱的零星能量分布，它们对应着HC-PBF中另一种可能存在的传导模式：表面模。HC-PBF系统中，纤芯导模和表面模的混合干涉会引入较大的模式噪声而影响光纤的传输损耗和带宽[12]，以及传感系统的探测灵敏度[13]，需要从光纤、光路设计或后处理等方式来进行优化。由于表面模能量更多位于包层微结构中传输，因而更容易受到与光纤微结构表面粗糙度有关的散射损耗影响，以及与辐射模式发生耦合而产生损耗。因此，通过图 5(a)和图 5(b)的对比可以看出，在较长的HC-PBF中表面模将明显减少。但对于通常长度10 m以内的HC-PBF传感应用，还需要其它的方法来抑制表面模：通过合理设计纤芯的尺寸、形状可以形成表面模抑制效果的光纤[12, 14]，但这增加了HC-PBF制作的复杂程度；表面模与纤芯模式尤其是低阶模式有较大的折射率差(10-2以上)，通常在传输过程中较少发生相互耦合，而主要是在光波输入光纤时激发的。因此可以通过在HC-PBF输入端进行模式过滤来抑制表面模的激发[13]。
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2.3 双折射
理想的HC-PBF中纤芯(带隙缺陷)结构对称，两个正交线偏振基模(HE11, x，HE11, y)是简并的，即有效折射率相等nx=ny。但由于制备中空气纤芯结构或多或少的不对称性，以及环境/结构缺陷扰动等因素的存在，在对HC-PBF的实际测量中，可以观察到较明显的与波长相关的双折射，以及偏振相关的损耗、空芯模式与表面模的交叉耦合等现象[15-17]。
在高精度的光纤传感应用(如干涉仪)中，通常需要用到偏振保持(保偏)光纤来避免光纤偏振模色散，或模式偏振在环境因素作用下随机抖动带来的噪声。保偏光纤具有明确定义的偏振主轴，通常相互垂直的两个主轴之间的折射率差越大，模式的两个偏振态之间的串扰越小，光纤的保偏效果越好。普通商业化7单元的HC-PBF的群双折射约为2·10-5[18]，已具备一定的保偏效果，但通常并没有给出主轴位置。Chen等人和Alam等人[19]分别通过在三角形微孔分布的光纤光子带隙结构中引入4单元缺陷，制备出图 6(a)所示具有椭圆形空芯的HC-PBF。这种光纤的群双折射在某些波段可达10-2量级，比传统保偏光纤高1~2个量级，但它的纤芯支持多模，且基模在某些波长下会与表面膜发生强烈耦合。Roberts等人[20]提出一种对普通7单元HC-PBF的改进：在空气纤芯外壁上引入图 6(b)所示的微节点，这能有效减少空气传输模式与光纤材料的交叠，同时有助于双折射的提升。Fini等人[10]提出了更实用的保偏单模HC-PBF结构。如图 6(c)所示，他们在空气纤芯(缺陷)两侧的光子带隙结构中引入两个对称的缺陷孔，通过调节对称缺陷孔的位置和形态，以及纤芯的形态，可以实现纤芯高阶模与对称的缺陷孔模式间的高效耦合(即滤除高阶模)，并在通讯波段达到接近10-1量级的双折射。
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2.4 弯曲损耗
HC-PBF的弯曲损耗要显著小于传统光纤，即使在直径4 mm的微小弯曲情况下，其传输谱除了在光子带隙的短波边缘出现较小红移(带隙变窄)，其它通光窗口内的弯曲损耗极小且与波长无明显关系[21]。这种优良的弯曲性能可以通过HC-PBF由光子带隙上下边缘波数决定的数值孔径(numerical aperture, NA)来解释：HC-PBF在传输窗口内NA较大(相当宽的范围内可达0.35以上)，因此在弯曲时能很好地束缚纤芯的模式；另外，不同于传统光纤的缓变弯曲损耗谱，HC-PBF的NA在短波长方向上的带隙边缘附近会出现陡降，因此在较小弯曲时HC-PBF损耗谱初始变化通常为短波带隙边缘的红移[9]。
2.5 光纤材料对传输特性的影响
HC-PBF中绝大部分的光能量在空气中传输，因此光纤材料的各种线性或非线性效应(延迟、吸收、热光、克尔等)对传输光的影响远小于实心光纤。这使得HC-PBF中的光传输具有延迟小、中红外窗口范围宽、热光调制弱、损伤阈值高等特点。
HC-PBF中光波在空气纤芯中的传输速度比传统石英光纤中快约40%，可以实现接近99.7%真空光速的长距离低损耗光通讯，每千米光信号传输加快约1.54 μs[2]。由于常规光纤材料石英的中红外吸收强，传统光纤通常难以在2.5 μm以上的中红外波段长距离传输，而需要用到其它特殊材料(如硫系玻璃)，但通常它们的温度、强度等性能不如石英光纤。具有中空纤芯的HC-PBF可以很好地避开这个材料吸收的问题，实现基于石英材料的中红外光纤。对于中红外波段，带隙光纤的微结构尺寸较大，这使该波段HC-PBF在制备上相对近红外和可见光波段更容易。目前，在3.1 μm~3.7 μm的中红外波段，HC-PBF已实现了损耗低至0.05 dB/m的光传输[22]。
HC-PBF微结构中气体的热过程比较复杂，涉及气体密度、压力分布变化，分子扩散等过程，但整体对波导有效折射率的影响远小于传统全固光纤由于材料热膨胀和热光效应带来的影响。一般情况下，HC-PBF的温度响应主要来自光纤材料(石英)热形变引起的光纤带隙结构和长度变化。通讯波段19单元HC-PBF的热相位灵敏度测量值为~2 rad·m-1·K-1，这比普通单模光纤小约18.5倍[23]。通过在HC-PBF外涂覆与光纤材料具有反向热膨胀系数的材料，HC-PBF的热稳定性还可获得进一步提高[24]。
由于传输光与光纤材料的交叠区域小，因此HC-PBF还有光纤损伤阈值高的特点，能进行高能量的光传输。标准单模光纤的损伤阈值约为870 mW，更高功率的光传输通常需要用到大模场面积和高阈值材料的光纤。而与单模光纤模场面积相近的7单元HC-PBF已能实现100 W的连续激光传输[25]，在高能激光应用领域优势明显。
3 空芯光子带隙光纤传感技术
HC-PBF不但可以用于温度、压力、应变等常规参数的传感，其精细的微孔结构为多种物质填充提供了可能性，有利于传感功能的扩展；另外，HC-PBF的纤芯中，传输光可以以较大的能量密度在空芯区域长距离的传输，是高效的光与物质相互作用的平台。
3.1 高灵敏度气体传感
HC-PBF可以将光学模式和气相材料同时限制在中空纤芯内，这为气体传感提供了一个很好的光与气相互作用平台。目前商用1550 nm HC-PBF，传输窗口宽度约为200 nm，能覆盖多种重要工业和生活气体(如NH3，H2S，C2H2，CH4)的吸收谱线。采用不同波段的HC-PBF，还能获得更宽的光谱覆盖范围。目前利用光谱学技术的HC-PBF气体传感系统已能实现ppb量级的高精度气体传感[26]。
早在HC-PBF首次被报道时，Cregan等人就提出了使用HC-PBF进行气体传感的预言[3]。2004年，Hoo等人[27]利用气体光谱吸收测量了乙炔(C2H2)气体在HC-PBF内的扩散过程，获得了HC-PBF中的扩散系数0.17552 cm2/s，扩散速度略小于开放空间中的气体扩散。同年Ritari等人[28]使用10 m长的HC-PBF清楚地观测到了多种气体(C2H2，HCN，CH4和NH3)的近红外吸收线。随后多家单位开展了基于HC-PBF对C2H2，CO2，CH4等气体更深入的传感技术研究[29-32]，但使用的主要是直接测量光谱吸收的技术。受光纤中多路径干涉等噪声因素的影响，基于直接吸收光谱技术的HC-PBF气体探测系统的浓度检测下限难以突破ppm(百万分之一)量级[13]，在应用上也存在一些实际的问题。
比如，搭建HC-PBF气体传感系统时，通常需要与其它类型的光纤进行连接，以利用传统光纤上成熟的器件形成全光纤探测系统。然而在应用常规光纤熔接参数进行熔接时，HC-PBF中精细的微结构在高温下容易坍塌而引起较大损耗[33]。通过优化参数的偏移熔接技术[34]，可以将HC-PBF低损耗地接入单模光纤系统构成光子微单元(photonic microcell)结构，用于全光纤气体探测以及气相器件的制备[35]。在这样的系统中使用较长的HC-PBF，将增加光与气体相互作用效果的累积，有助于实现更高的气体探测灵敏度。但将较长的HC-PBF直接用于气体探测，存在着气体进出速度慢的问题，影响传感器的响应时间。
通常，在接入光纤系统的HC-PBF两端，预留一定的缝隙作为气体进出通道。可以采用气压驱动的方式改善HC-PBF中气体进出速度[31]。但对于几米甚至更长的HC-PBF，由于微孔通道的管壁效应，气压驱动对响应速度的提升效果仍然有限。可以把较长HC-PBF分成较短的多段，如图 7(a)所示，每段之间通过精密的夹持具进行耦合并引入气体进出口[30]。这种方法增加了气体进出通道数目，能较有效地提高系统响应时间，只是各段之间的耦合损耗会限制光纤段的总数量。另外，维持各光纤段之间的精确对准可能影响传感器的紧凑性和稳定性。使用飞秒激光、紫外激光或聚焦离子束刻蚀等技术可以直接在HC-PBF上制备气体进出口[36-38]。图 7(b)为直接在HC-PBF上制备气体进出口(微孔)结构示意图及用飞秒激光制备的微孔横截面照片。这种从光纤表面直达纤芯的微孔已被证实能显著地提升气体探测的响应时间，同时仅引起极小的插入损耗[39-40]。通过加工流程和参数的优化，目前微通道的损耗可减小到~0.01 dB/孔，使在长距离HC-PBF上大规模制备成为可能。
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商业7单元HC-PBF与普通单模光纤的模场形态相近，因此较容易实现低损耗连接。但这种HC-PBF并不是真正的单模传输，光纤中基模与高阶模、表面模之间的干涉将导致输出信号长时间的波动以及噪声基底的升高，从而影响传感的灵敏度[30]。对于这个问题可以从多方面尝试解决或优化：首先，可以直接使用单模HC-PBF(如3单元HC-PBF等)，但这种光纤与单模光纤直接连接通常存在损耗大的问题，而且目前商业化产品极少；其次，可以通过优化输入方式使光波尽可能多地耦合到HC-PBF基模传输。通过调整单模光纤与HC-PBF间隙大小，加入模式过滤光纤等方法能一定程度地抑制高阶模和表面模的激发[13, 40]；另外，还可以使用新颖的探测原理和信号处理技术来降低噪声对测量系统的影响，获得高性能气体传感器。
基于HC-PBF和气体光谱吸收的光热干涉气体探测技术是近年出现的一种新型气体探测技术，它的气体探测灵敏度和动态范围比基于光谱直接吸收的光纤气体探测技术提升了近3个量级[26]。图 8为一套基于7单元HC-PBF和光纤马赫-曾德尔(Mach-Zehnder, MZ)干涉仪搭建的光热干涉系统。该系统通过对准气体光谱吸收线的泵浦光(分布式反馈布拉格激光，distributed feed-back, DFB)来激发HC-PBF(气体探头)中的待测气体来形成光热信号；通过探测另一束远离气体吸收线的探测光(外腔二极管激光(external cavity diode laser, ECDL))的相位，来实现对HC-PBF中光热效应引起有效折射率变化的测量。探测光受到光热调制的相位变化将被MZ干涉仪转化为强度并被光探测器探测。系统中还采用了反馈控制来锁定MZ的最佳工作点，使用锁相放大来提高系统对光热小信号的探测能力。
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系统中用于探测不同浓度气体光热信号的探测光，在通过HC-PBF后的相位变化可以描述为
\( \Delta \varphi \propto \frac{{{P_{{\rm{pump}}}}}}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}{w^2}}}L\alpha (\lambda )C \)(1)
其中：Ppump为泵浦光功率，w为模场半径，L为光纤长度，α为气体在特定波长λ下的吸收系数，C为气体浓度。HC-PBF中泵浦光能以较高的能量密度(较小的w)激发待测气体的光热效应，同时能在较长的距离L上累积效应效果，因此具有较高的灵敏度。应用一段10 m长的HC-PBF，在15.3 mW的泵浦光激励下，可以实现噪声等效探测灵敏度~2 ppb以及近6个数量级的动态范围的乙炔气体测量。当在系统中使用不同类型的HC-PBF，其中光热的激发和消散过程会略有差别，可以通过调整泵浦光的调制参数，或采用适当的脉冲参数等方法来获得最优的性能[41]。
在HC-PBF的一端应用高反射光纤端面镜，可以在一根HC-PBF上获得加倍的光与气体作用距离，有利于气体传感系统灵敏度的提高[38]。进一步在HC-PBF两端应用高反镜可以构成对特定波长光产生多次反射的光学共振腔，使单根传感光纤中的光与气体作用距离获得更大提升。从而应用较短的HC-PBF也能获得较高的探测灵敏度。Tan等人基于一段9.4 cm长的7单元HC-PBF和端面镀有介质膜的单模光纤制备了如图 9所示的全光纤光学腔。该光学腔的精细度(finesse)为68，作为气室的等效光程长度约4.1 m，用于波长调制二次谐波的气体探测系统，获得了~7 ppm乙炔气体的噪声等效探测下限。制备更高锐度的光纤光学腔可进一步提高这类探测系统的灵敏度。
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以上所述的气体探测技术大都是基于气体的光谱吸收的探测，对于在光纤传输窗口不存在吸收线或吸收线极弱的气体(如H2、N2等)，还可以用拉曼技术来进行探测[43]。
3.2 分布式气体传感
分布式传感能力是光纤传感器的主要优点之一，可以利用一根光纤获得长距离或密集的多点传感数据。基于单模光纤的瑞利、拉曼和布里渊散射的分布式应变、温度传感器已经得到很好的发展和应用[44]。然而，对气体的分布式检测技术仍然研究较少。
图 10是一个基于光谱吸收的HC-PBF分布式气体探测系统[45]。该系统的核心是一套光学时域反射(optical time domain reflectometer, OTDR)系统，系统中以HC-PBF作为探测光纤，以波长对准待测气体光谱吸收线的DFB激光。在HC-PBF沿线通过微加工技术制备一系列如图...