光子晶體光纖在非通訊領(lǐng)域的應(yīng)用

光子晶體光纖在非通訊領(lǐng)域的應(yīng)用

1光子晶體光纖原理1987年，貝爾通信研究所的e.yabronovitch和斯圖爾茨物理研究所的s.約翰斯大林斯圖爾赫（johnfsta）在《物理評估》一階中發(fā)表了光緒性。通過在三維空間周期性改變介質(zhì)折射率的辦法,可以人為地創(chuàng)造出類似于半導(dǎo)體材料晶格禁帶的光子禁帶(Photonicbandgap)。光子帶隙結(jié)構(gòu)能夠阻斷特定頻率的光子,從而將光子局限在特定空間內(nèi)。由光子晶體發(fā)展而來的光子晶體光纖(Photoniccrystalfiber)也稱為多孔空心光纖(Holeyfiber),是一類微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructureopticalfiber)。通過在光纖橫截面上引入空氣孔二維陣列,使光纖橫截面上的折射率發(fā)生周期性變化而產(chǎn)生光子禁帶,從而使光沿著光纖軸向傳播。光子晶體光纖的概念由P.Russell教授在1991年提出,但當(dāng)時未公開發(fā)表論文。Russell教授認(rèn)為,如果把二維空間的折射率周期性變化引入到光纖橫截面中并沿著光纖的軸向作一維無限延伸,這種二維光子晶體結(jié)構(gòu)將有可能把光局限在光纖中央結(jié)構(gòu)缺陷中而使光子僅僅在光纖軸向具有自由度,從而可以使光沿著光纖軸向傳播。在光纖橫截面上引入周期性排列的空氣孔結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)折射率調(diào)制,不同于傳統(tǒng)的階躍型光纖(Step-indexfiber),后者是基于纖芯和包層的材料不同、折射率不同而發(fā)生全反射導(dǎo)光原理,而光子晶體光纖僅僅需要一種材料就可以形成光波導(dǎo)。這種創(chuàng)新想法顛覆了當(dāng)時光纖研究的主流思想,受到很多學(xué)者的質(zhì)疑。1996年Russell教授首次制備出這種具有空氣孔微結(jié)構(gòu)的光纖,并成功地展示了光纖只支持單模的特殊性能。此后,隨著制備工藝逐步完善,多樣的光纖結(jié)構(gòu)、不同的光纖性能和實(shí)際應(yīng)用被陸續(xù)實(shí)現(xiàn),光子晶體光纖成為近20年來特種光纖領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。近年來,光子晶體光纖在超連續(xù)光譜、光纖放大器/激光器、光纖傳感等方面的研究和開發(fā)得到了長足的發(fā)展,商品化的產(chǎn)品逐步出現(xiàn),如丹麥的NKTphotonics、英國的Fianium推出了基于光子晶體光纖的超連續(xù)譜光源產(chǎn)品。其它典型應(yīng)用還包括大模場面積高功率光纖激光器和光纖傳感器等。2光刻光的分類、導(dǎo)光機(jī)制和制造技術(shù)2.1光子帶隙光纖光子晶體光纖大致分為兩大類:實(shí)心光子晶體光纖和空心光子晶體光纖,如圖1所示。這兩類光子晶體光纖的共同點(diǎn)在于光纖包層中都具有二維周期性排列的空氣孔結(jié)構(gòu)。實(shí)心光子晶體光纖中光的傳導(dǎo)是基于全反射原理。從圖1(a)和(c)可以看出,實(shí)心光子晶體光纖纖芯和包層使用的是同一種材料,材料本身不存在折射率上的差異,而階躍型光纖的纖芯和包層使用的是折射率不同的兩種材料。實(shí)心光子晶體光纖由于在包層中引入了空氣孔,因而降低了包層材料的有效折射率,從而實(shí)現(xiàn)光在纖芯及包層界面上的全反射。與之相反,空心光子晶體光纖的纖芯對應(yīng)的是一個較大的空氣孔(圖1(b)),其折射率低于包層的有效折射率,全反射原理不再適用。由于包層中的周期性排列的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形成了二維布喇格光柵,滿足布喇格反射條件的光就會被局限在中央空心缺陷中,從而使光沿光纖軸向傳播。這種導(dǎo)光機(jī)制稱為光子帶隙效應(yīng)。光子帶隙效應(yīng)對光纖微結(jié)構(gòu)的均勻性和光纖參數(shù)有較高的要求,導(dǎo)光窗口極大地依賴于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù),因此光纖的制備難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)心光子晶體光纖。在光纖制備過程中通過控制空氣孔中的氣壓可以改變包層空氣孔的直徑d以及孔間距Λ來調(diào)整空氣占空比(Air-filling-fraction,AFF)(見圖2)。空氣占空比可以簡單理解為光纖的包層中玻璃與空氣的面積之比。它是影響實(shí)心光子晶體光纖性能的一個重要參數(shù),其數(shù)值的大小直接決定了光纖的非線性系數(shù)和色散曲線。通過改變拉絲過程中的氣壓來控制包層空氣孔的大小或空氣占空比,從同一根光纖預(yù)制棒既可以制備出空氣占空比極高的高非線性光纖(如圖1(c)所示,d/Λ=0.98,AFF=0.87),也可以制備出只支持單模傳輸、空氣占空比較小的大模場面積(約500μm2)、無截止單模光纖(Endlesslysingle-modefiber)(如圖1(a)所示,d/Λ=0.4,AFF=0.145)。與實(shí)心光子晶體光纖的全反射導(dǎo)光原理完全不同,空心光子晶體光纖在導(dǎo)光機(jī)制上又可細(xì)分為兩類:光子帶隙光纖(圖1(b))和Kagomé晶格空心光纖(Kagomélatticehollowcorefiber)(圖1(d))。這兩種光纖結(jié)構(gòu)上的差異在于光纖包層結(jié)構(gòu)空氣孔之間的三角形間隙是否閉合,而這一結(jié)構(gòu)上的微小差異源自于拉絲過程中的結(jié)構(gòu)控制,導(dǎo)致光纖的導(dǎo)光機(jī)制迥異。包層中空氣孔之間的三角形間隙閉合之后形成周期性分布的高折射率點(diǎn)陣,從而形成光子帶隙。光子帶隙可以用一維布喇格光柵(One-dimensionalBragggrating)來理解。當(dāng)某一頻率的光入射至折射率周期性變化的一維光柵,只有嚴(yán)格滿足布喇格定律的光才有可能反射回纖芯中,從而沿光纖的軸向傳播,因此光子帶隙光纖的導(dǎo)光窗口較窄。Kagomé晶格光纖的導(dǎo)光是基于反諧振反射光波導(dǎo)(Anti-resonantreflectingopticalwaveguide,AR-ROW)理論,如圖3所示。ARROW光波導(dǎo)導(dǎo)光機(jī)制可以理解為低折射率的空心纖芯周圍環(huán)繞一圈高折射率的玻璃薄層(圖3(a))。高折射率的玻璃層可視為一個法布里-珀羅諧振腔(Fabry-Perotresonator)。滿足諧振條件某一頻率的光會在諧振腔中相干加強(qiáng)而無法在纖芯中傳播,在光纖透射光譜中對應(yīng)透射率最低的位置(圖3(b))。反之,如果某一頻率的光在此諧振腔的是反諧振的,那就會被反射回低折射率的纖芯中實(shí)現(xiàn)光在空心纖芯中傳播。2.2玻璃的堆拉光子晶體光纖常用的制備方法有堆拉法(Stackanddraw)和擠出法(Extrusion)兩種。其它一些方法,比如化學(xué)腐蝕法、機(jī)械鉆孔法等,不是常用的方法,使用面較窄。相對于堆拉法,擠出法更適用于工作溫度只有幾百度的多組分玻璃。對于軟化溫度在1650℃以上,拉絲溫度在1800℃以上的石英玻璃而言,尚無可行的擠出辦法。無論是石英玻璃還是多組分玻璃,堆拉法都被證明是可行的,是成熟的光子晶體光纖制備技術(shù)。圖4為堆拉法制備光子晶體光纖的流程。首先將玻璃管(外徑10~20mm)在拉絲塔上拉成直徑為1~2mm的毛細(xì)管;第二步,將毛細(xì)管用堆棧的方式有序地排列成需要的微結(jié)構(gòu);第三步,將毛細(xì)管堆套入一根玻璃管中拉制成外徑為1~2mm的光纖預(yù)制棒。最后將預(yù)制棒拉制成所需的光子晶體光纖。毛細(xì)管堆棧方式不同,最后的成品光纖可以具有不同的微結(jié)構(gòu),而這些光纖結(jié)構(gòu)上的差異決定了其光學(xué)性能。利用堆拉法可以靈活制備不同種類的光子晶體光纖,如圖5所示。2.3新材料的影響目前,90%的光子晶體光纖都采用石英玻璃制備。石英玻璃作為通信光纖的首選材料,具有極佳的穩(wěn)定性、極高的原材料純度以及成熟的拉絲技術(shù)。然而,受限于材料的本征吸收,石英玻璃光子晶體光纖雖然在可見及近紅外區(qū)間具有良好的導(dǎo)光性能,但在2μm以上材料的吸收損耗以指數(shù)上升,影響到光纖的光學(xué)性能。因此,選用新材料(多組分玻璃,或稱軟玻璃),比如鉛硅玻璃、碲酸鹽和鍺酸鹽重金屬氧化物玻璃、氟化物和硫化物玻璃等,對于研究和開發(fā)新型光波導(dǎo)和光纖器件有重要意義,特別是軟玻璃的中紅外傳輸性能(重金屬氧化物玻璃5~6μm,氟化物玻璃7~8μm,硫系玻璃10~20μm)是石英玻璃無法相比的。除了工作窗口拓展到中紅外區(qū)之外,軟玻璃通常還具有高非線性、高折射率、高稀土摻雜濃度等特點(diǎn),適合于研制中紅外光纖激光器/放大器、化學(xué)/生物學(xué)傳感器等。不過,軟玻璃光子晶體光纖的制備難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石英玻璃光子晶體光纖,主要原因在于玻璃的不穩(wěn)定性以及極小的拉絲溫度區(qū)間。石英玻璃拉絲溫度調(diào)節(jié)范圍可達(dá)200~300℃,碲酸鹽玻璃只有30℃,而氟化物玻璃甚至可能小于10℃。玻璃拉絲溫度區(qū)間很窄時,由于玻璃粘度隨溫度變化過于劇烈而很難控制,很難維持光纖的微結(jié)構(gòu)。3用硅光刻色散光3.1光纖單模支持下的光纖光纖實(shí)心光子晶體光纖與傳統(tǒng)的階躍型光纖雖然都是全反射原理導(dǎo)光,但是前者可以通過控制光纖結(jié)構(gòu),具體來講是控制包層空氣占空比和纖芯大小來獲得期望的色散曲線,如圖6所示。在石英玻璃高非線性光子晶體光纖中,若限定空氣占空比AFF=0.8,逐漸減小纖芯的直徑,可以在很大程度上對光纖的色散進(jìn)行調(diào)整,而這在傳統(tǒng)的階躍光纖中是很難實(shí)現(xiàn)的。另一方面,某些應(yīng)用對光纖支持的模式有較高的要求。在實(shí)心光子晶體光纖中,如果包層中空氣孔直徑和孔間距的比值小于0.4,那么這類光纖就只支持單模傳輸。因為光纖的單模特性不依賴于纖芯的大小,那么利用這個特性可以制備出超大模場面積、只支持單模的光纖并用于研制高功率光纖激光器。早在2003年,德國耶拿大學(xué)的A.Tunnermann教授等就利用實(shí)心光子晶體光纖的這一特性開發(fā)出輸出功率80W、模場面積350μm2的光纖激光器,所使用的摻鐿光纖的結(jié)構(gòu)如圖7所示。3.2在高非線性的光子晶體光纖中產(chǎn)生超連續(xù)光的方案超連續(xù)譜光源是高非線性光子晶體光纖最為成功的應(yīng)用之一。將高功率的皮秒或者飛秒脈沖激光耦合至光纖中,激發(fā)多重光學(xué)非線性效應(yīng),可以實(shí)現(xiàn)激光頻譜的展寬。頻譜展寬的過程包含了多種非線性效應(yīng),包括四波混頻、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、拉曼效應(yīng)、光孤子自頻率頻移等。在光子晶體光纖中產(chǎn)生超連續(xù)光譜對于光纖有嚴(yán)格的要求,需要調(diào)整它的結(jié)構(gòu)參數(shù)將光纖的零色散點(diǎn)調(diào)整到泵浦激光波長附近,但略小于激光脈沖的波長。激光脈沖在光纖的反常色散區(qū),光纖色散接近于零的位置泵浦,就可以引發(fā)光孤子的產(chǎn)生。而光孤子和拉曼效應(yīng)能有效將光譜往低頻方向上展寬。與此同時,其它的非線性效應(yīng),如在光纖的正常色散區(qū)產(chǎn)生的四波混頻、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制以及色散波也能進(jìn)一步展寬整個頻譜。在塊狀樣品中產(chǎn)生超連續(xù)光需要106~109W的脈沖峰值功率,相比之下,在高非線性的光子晶體光纖中產(chǎn)生超連續(xù)光只需要微焦甚至納焦量級的脈沖能量,這得益于光子晶體光纖色散可調(diào)以及纖芯的有效面積可以遠(yuǎn)小于普通單模光纖的設(shè)計。圖8對比了不同種類的超連續(xù)譜光源的頻譜及輸出光強(qiáng)。包括普通白熾燈(Incandescentlamp)、超輻射發(fā)光二極管(Superluminescentlightemittingdiode,SLED)、光纖放大自發(fā)輻射(Fiberamplifiedspontaneousemission)、納秒和皮秒脈沖激光泵浦光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續(xù)光譜(PCFSCsource)。英國Fianium公司商品化的一種超連續(xù)譜光源產(chǎn)品,采用平均功率10W,脈沖寬度5ps的皮秒激光泵浦,輸出功率為6.5W,輸出光譜覆蓋0.4~2.2μm。3.3空心光子帶隙光纖光子晶體光纖被用于研制氣體、液體、生物、壓力等各類傳感器。YU等采用ARROW光纖研究了乙炔氣體傳感器。Jin等在7cm長的空心光子帶隙光纖上用飛秒激光每隔1cm打一個孔,制備了一種高靈敏度、快速響應(yīng)的甲烷氣體傳感器。此外,他們還在75m長的空心光子帶隙光纖上用飛秒激光打孔,研制分布式氣體傳感器。光子晶體光纖由于具有特殊結(jié)構(gòu),在研制高靈敏度的傳感器方面具有顯著的優(yōu)勢,發(fā)展?jié)摿薮蟆?光子晶體光纖對光子晶體光纖的發(fā)展歷史、種類、導(dǎo)光機(jī)