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根据固体物理学的晶体能带理论，电子在晶格中运动时，会受到晶格周期性势场的作用而使其能谱在某些特定的方向出现不连续性。能带的断裂称为能隙，电子不能在其能隙范围内的方向上传播。当晶格的周期性势场足够强时，其能隙有可能在任何方向上都存在。例如，半导体材料具有介于导带和价带之间的完整带隙，因此电子在完整带隙内的任何方向上传播都是被禁止的。类似现象也发生在光学领域中，光子在具有周期性变化的介电材料中运动时，也会产生类似的能隙效果。因此可以做一个类比，假如电子在晶格中运动时，在某些方向上其能量是不连续的，那么光子在光子晶体中运动时，在某些方向上其频率也将具有不连续性。光子在其能谱上的频率间隔被称为“光子带隙”，因此我们将这种具有光子带隙的周期性介质结构称为光子晶体，如图2.2所示。
根据光子晶体相关理论可知，光子晶体具有两个基本特征：一是光子带隙，即落入带隙中的光子被禁止传播，相当于通信理论中的阻带。带隙又分为完全带隙和不完全带隙，完全带隙是在各个方向都存在带隙，一般理解为在TM和TE方向具有重叠的带隙，对应的光子晶体为完全光子晶体。不完全带隙是指只在某一方向具有带隙，一般理解为只在TM方向具有带隙或只在TE方向具有带隙，该光子晶体为不完全光子晶体。二是光子局域，通过设计好一个完整的光子晶体结构，如果在其中抽出几个周期性结构，形成缺陷，那么和缺陷频率相吻合的光子被局限在缺陷位置，形成缺陷模式，称为缺陷模，而其他处于偏离缺陷频率的光将迅速被衰减掉。
图2.2 带隙型光子晶体光纤
空芯反谐振光纤由于具有优越的光学性能，近年来已经受到了广泛的关注。其包层由一圈圆形管或椭圆形管组成，利用了简单的包层结构和纤芯边界的负曲率。在HC-AR光纤中，纤芯边界的表面法向量与径向单位向量相反。负曲率会抑制基模和包层模之间的耦合。包层模式主要存在于管内、玻璃内或管与外部玻璃环之间的间隙中，反谐振对于抑制负曲率光纤中的纤芯和包层模式之间的耦合是必要的，玻璃中纤芯边界处的反谐振与纤芯和包层模式之间的波数失配相结合抑制了模式之间的耦合，导致显著的低损耗。空芯反谐振光纤在导光通带、损耗和模式等特性上都具有独特的优势，所以在很多领域都具有很好的应用前景。
运用ARROW可以对低折射率纤芯光纤导光机理进行分析，其原理类似于法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振腔。图2.3是ARROW的结构及其对应的传输谱图，其中灰色部分是折射率为 n 2 的高折射率层，相当于Fabry-Perot谐振腔，白色部分是折射率为 n 1 的低折射率层，当光的波长满足谐振条件时就会从高折率层谐振出去，即对应着传输谱中的低传输强度部分，这就类似于光在FP腔中发生了相消干涉；而反谐振波长的光在高、低折射率的界面上会被反射回来被限制在纤芯中传输，对应着传输谱中高传输强度的宽带部分，所以大部分的光会反射回纤芯。但这种反射并不是完全的反射，所以还是会有很少的泄漏，存在一定的损耗。对于不同模式的光来说，泄漏部分的程度不一样。对于低阶模式来说，它是掠入射纤芯-石英界面的，所以泄漏比较少，反射很多，损耗就比较低；对于高阶模式来说，它的入射角较大，所以泄漏比较多，损耗比较大。
图2.3 ARROW的结构及其对应的传输谱图
对于波长满足 k ∗ d = m ∗ π（其中 k 是传播常数， d 是高折射率层厚度， m =1,2,…）的光来说，传输至高折射率层时会形成驻波，这个波长的光满足谐振条件，当波长远小于纤芯尺寸时，根据谐振条件可以得出谐振波长：
式中， n 2 为高折射率层的折射率、 n 1 为纤芯的低折射率； d 为高折射率层的厚度； λ m 是第 m 阶谐振波长。其中， m 为正整数即谐振阶次，阶次越高，对应的谐振波长越短， m 的最小值取1，对应的谐振波长为一阶谐振波长，波长比一阶谐振波长大的宽传输带为第一阶导光通带，第一阶和二阶谐振波长之间的传输带为第二阶导光通带，以此类推。通过ARROW理论可以确定光纤的谐振波长以及光纤的传输通带，光纤传输通带的位置与高、低折射率区域的折射率差和高折射率层的厚度有关，所以可以通过调节这两个参数来设计出各种导光特性的空芯反谐振光纤。