（材料物理与化学专业论文）玻璃基光学纳米线的器件应用基础研究.pdf

摘要 本文在亚波长直径氧化硅光纤的研究基础上，针对这些微纳光纤的实际应用 开展了一系列深入研究工作，主要内容包括三个部分：玻璃基光学纳米线的制备 及光学特性、光学纳米线的色散调控和基于氧化硅纳米线的光纤传感器建模。 第一部分主要研究玻璃基光学纳米线的制备和光学特性。首先，我们在两步 拉伸法的基础上发展使用自调节拉伸法制备氧化硅纳米线，获得直径小至2 0 h m 仍保持极好直径均匀性的玻璃纳米线，这些玻璃纳米线的表面粗糙度小于 0 2 n m ，接近熔融法制备的玻璃表面粗糙度极限值，同时具有很好的机械强度和 柔韧性。其次，在制备基础上尝试对玻璃纳米线进行精确剪裁，使用低折射率氧 化硅气凝胶衬底支撑，组装成具有低光学损耗的线型波导、弯曲波导和分支耦合 器等基本的微光子器件，为发展微光子器件提供了新的途径。最后，为解决制备 材料受限的问题，进一步提出了使用局域熔化玻璃材料直接拉制高质量纳米光纤 的方法，从磷酸盐、碲酸盐、硅酸盐玻璃等材料中制备出直径小至5 0 n m 的低损 耗纳米光纤，大大扩展了纳米光纤的种类和功能，同时减小了对制备材料的量的 要求。 本文的第二部分主要是在三层圆柱结构波导传输理论计算的基础上，对介质 膜调控光学纳米线的色散进行了深入研究。纳米线波导的色散对于介质膜的厚度 和折射率非常敏感，在纳米线表面镀上一层特定折射率的非吸收薄膜，就有可能 在对波导其他单模传输特性影响很小的情况下对纳米线的色散进行较大范围的 调节，提高了纳米线作为亚波长直径光波导在光通信、传感、非线性光学和原子 波导等方面的潜在应用价值。 ， 第三部分提出了使用这些玻璃纳米线作为单模光波导用于倏逝波光学传感 器的研究设想。通过求解m a x w e l l 方程的方法，计算了水溶液中氧化硅纳米线由 于水溶液环境微小变化而引起的传输光相位变化，并以此为依据估计该类传感器 所能达到的灵敏度，初步建立氧化硅纳米线的光纤传感器模型，为纳米线实际应 用于高灵敏度微型生物化学传感器提供了理论基础。 浙江大学博士后研究工作报告 a b s t r a c t i nt h i sw o r kw ei n v e s t i g a t ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fo p t i c a lm i c r o 一n a n o w i r e s b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c ho ns u b w a v e l e n g t h d i a m e r t e rs i l i c aw i r e s t h ew o r k i n c l u d e st h r e ep a r t s ：f a b r i c a t i o na n do p t i c a lp r o p e r t i e so fg l a s sn a n o w i r e s ，d i s p e r s i o n s h i f t si no p t i c a ln a n o w i r e s ，a n dm o d e l i n go f s i l i c an a n o w i r e sf o ro p t i c a ls e n s i n g t h ef i r s tp a r tf o c u s e so nt h ef a b r i c a t i o na n do p t i c a li n v e s t i g a t i o no fg l a s s n a n o w i r e s f i r s t l y , w cd e m o n s t r a t eas e l f - m o d u l a t e dt a p e r - d r a w i n gm e t h o df o r f a b r i c a t i o no fu n i f o ms i l i c an a n o w i r e sw i t hd i a m e t e r sd o w nt o2 0 衄t h es i d e w a l l r o u g h n e s so ft h ew i r e sg o e sd o w nt o0 2n m , r e p r e s e n t i n gt h ei n t r i n s i cr o u g h n e s so f m e l t - f o r m e dg l a s ss u r f a c e s t h ew i r e sa l s os h o wh i g hs t r e n g t ha n dp l i a b i l i t y s e c o n d l y , w ei n v e s t i g a t et h em e t h o da n dp o s s i b i l i t yf o rt a i l o r i n gf r e e s t a n d i n gs i l i c an a n o w i r e s t h en a n o w i r e sa r ec u t , b e n ta n dm a n i p u l a t e dw i t hh i g hp r e c i s i o n , a n dt h e ns u p p o r t e d b yl o w i n d e xs i l i c aa e r o g e la n da s s e m b l e di n t ob a s i cm i c r o p h o t o n i cd e v i c e s ( e g w a v e g u i d eb e n d sa n dc o u p l e r s ) w i t hl o wo p t i c a ll o s s e s t h i sw o r km a yp a v et h ew a y f o r t h ed e v e l o p m e n to fav a r i e t yo fm i c r o p h o t o n i cd e v i c e s f i n a l l y , i no r d e rt o c i r c u m v e n tt h e l i m i t a t i o no ft h ep h y s i c a ld r a w i n gt e c h n i q u e st h a tr e q u i r e so p t i c a l f i b e r sa sp r e f o r m sf o rt a p e rd r a w i n g , w ed e v e l o p e dam e t h o df o rd r a w i n gh i 曲 u n i f o r mo p t i c a ln a n o w i r e sd i r e c t l yf r o mb u l kg l a s s e sb ym e a n so fl o c a lm e l t i n g l o w - l o s sn a n o w i r e sw i t hd i a m e t e r sd o w nt o5 0n n la r ef a b t i c m e df r o mp h o s p h a t e ， t e l l u r i t ea n ds i l i c ag l a s s e s t h i st e c h n i q u eg r e a t l yf a c i l i t a t e st h ef a b r i c a t i o no f v e r s a t i l e n a n o w i r e sw i t hl e s sr e q u i r e m e n to nt h es t a r t i n gm a t e r i a l s i nt h es e c o n dp a r t ，w ei n v e s t i g a t ed i s p e r s i o ns h i f t si nt h i n - d i e l e c t r i c - c o a t e d o p t i c a l n a n o w i r e sb a s e do ne x a c ts o l u t i o n so fm a x w e l l s e q u a t i o n s o f 3 - l a y e r - s t r u c t u r e dc y l i n d r i c a lw a v e g u i d e s o u rr e s u l t ss h o w et h a t ，d i s p e r s i o no fa n a n o w i r ew a v e g u i d ec a nb em a d eh i 班l ys e n s i t i v et ot h et h i c k n e s sa n di n d e xo ft h e c o a t i n gl a y e f c o a t i n gan a n o w i r ew i t hat h i nn o n - d i s s i p a t i v ed i e l e c t r i cm a t e r i a lm a y l e a dt oc o n s i d e r a b l ed i s p e r s i o ns h i f t ，a n dd o e sn o to b v i o u s l yc h a n g et h eg e o m e t r i c d i m e n s i o na n ds i n g l e - m o d ec o n d i t i o no f t h en a n o w i r ew a v e g u i d e t h ep o s s i b i l i t yf o r t u n i n gt h ed i s p e r s i o no ft h eo p t i c a ln a n o w i r em a yo p e nn e wo p p o r t u n i t i e sf o rt h e i f f u t u r ea p p l i c a t i o n si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , o p t i c a ls e n s i n g ，n o n l i n e a ro p t i c s ，a n d a t o mg u i d i n g i nt h et h i r dp a r t , w ep r o p o s et ou s es i l i c an a n o w i r e sa ss i n g l e - m o d ew a v e g u i d e s n 浙江大学博士后研究工作报告 f o re v a n e s c e n t - w a v e - b a s e do p t i c a ls e n s i n g p h a s es h i f to ft h eg u i d e dm o d ec a u s e db y i n d e xc h a n g eo fa q u e o u ss o l u t i o ni so b t a i n e db ys o l v i n gm a x w e l l se q u a t i o n , a n di s u s e da sac r i t e r i o nf o r s e n s i t i v i t ye s t i m a t i o n n a n o w i r es e d s o re m p l o y i n ga w i r e - a s s 即a b l e x im a c h - z e h n d e rs t l b c r l r ei sm o d e l e d o u rs i m u l a t i o ns h o w et h a t o p t i c a ln a n o w i r e sa r cv e r yp r o m i s i n gf o rd e v e l o p i n gm i n i a t u r i z e dc h e m i c a la n d b i o l o g i c a l $ e 】t l $ o r sw i t hh i g hs e n s i t i v i t y i l l 第一章引言 微电子学和光子学是现代光通信和光传感产业的支柱。随着器件设计理论和 制备工艺技术的发展，以及对器件性能、集成度和能量消耗等要求的提高，微电 子器件的特征线宽已经达到了纳米尺度。与之类似，要提高光子器件的性能和集 成度，以及在同等尺度上实现光电混合集成，同样需要减小波导的线宽。但是理 论和实验研究均表明【1 3 】，当光波导的线宽或直径减小到波长或亚波长量级时， 表面粗糙度和直径波动引起的散射损耗将急剧上升，实现低损耗光传输对亚波长 光波导的表面光滑度和直径均匀性要求很高，对目前常用的制备技术是一个挑 战。 作为光子学、电子学、化学和生物学领域中的基本材料之一，玻璃相对于其 它材料( 例如晶体) 在均匀性、制备方法和光学特性等方面具有突出的优势，而 且对于很多掺杂离子来说都是极好的溶剂。最近，玻璃低维结构，尤其是一维的 纳米光纤，已经在纳米尺度的光子学、电子学和力学等领域引起了研究者极大的 兴趣。 最近，我们提出高温拉伸法从玻璃或玻璃光纤直接拉制亚波长和纳米直径的 光纤( 以下简称纳米光纤) 【4 - 6 】，所获得的纳米光纤比普通光纤细几十到上千倍， 表面粗糙度低至原子量级，直径非常均匀，光传输损耗远远小于其他类型的亚波 长尺度光波导，可表现出强光场约束、大比例倏逝波传输和大波导色散等特性 【7 】，可用于组建亚波长或纳米特征尺度的光子器件。与目前已经报道的其他低 维玻璃结构的制备方法( 比如电子束刻蚀、化学生长和纳米压印等) 相比，高温 拉伸法不但方法简单，而且制备的纳米光纤具有其他方法无法获得的直径均匀 性、原予量级的表面粗糙度以及超低的波导损耗【4 6 ，8 】。 本人在博士后工作期间，在博士期间对亚波长直径氧化硅光纤研究的基础上 ( 本人博士学位论文题目；亚微米和纳米直径氧化硅线的制备及其光传输特性研 究) ，主要针对这些微纳光纤的实际应用开展了一系列深入研究工作，在玻璃基 光学纳米线的制备及光学特性、光学纳米线的色散调控计算和基于氧化硅纳米线 的光纤传感器建模等方面获得了较好的研究结果，本工作报告主要总结这些研究 结果。 浙江大学博士后研究工作报告 第二章玻璃基光学纳米线的制各及光学 特性 2 1 氧化硅纳米线的制备及特性简介 2 1 1 玻璃微纳纤维的高温拉伸制备简史 其实早在1 9 世纪8 0 年代，英国科学家b o y s 等人就报道过从高温熔融的矿 石中拉制玻璃细线，并研究他们的机械特性和用途 9 ，1 0 】，最后他们将这些玻璃 细线绕成线圈，作为推动电流计指针的弹簧。直到一个世纪以后，当光波导理论 完整地建立起来，人们才开始考虑从玻璃光纤拉制的细线的光学用途f l l - 1 3 。最 常用的制备方法是使用激光或火焰加热玻璃光纤，待光纤软化后拉成细纤，使用 这种方法拉制的细纤直径一般为几微米，大于传输光的波长，一般情况下是多模 光纤。如果要单模工作，必须将光纤的直径减小到波长量级以下。但理论和实验 的结果均表明【1 2 ，1 4 】，用于拉制直径均匀的亚微米直径光纤所需的激光能量要求 过高，买际上难以实现；如果使用火焰加热拉制纳米光纤，火焰的紊流和空气的 对流等因素将影响拉伸区域温度分布的稳定性，因此使用一步拉伸的方法很难得 到直径小于2 0 0 r i m 的均匀光纤。 2 1 2 氧化硅纳米光纤的二步拉伸制备法 2 0 0 3 年我们使用火焰加热两步拉伸的方法【4 】，从玻璃光纤拉制出了直径均 匀性很好的纳米光纤。两步拉伸的方法如图2 1 所示。首先，使用一步拉伸法将 光纤拉细至微米量级。然后，为了在拉伸区域得到一个稳定的温度分布，我们用 一个尖端直径大约为1 0 0 i t m 的蓝宝 石光纤锥来吸收火焰的能量，蓝宝石 光纤的热惯性在光纤拉伸过程中起 到保持温度稳定的作用。将微光纤的 一端绕在蓝宝石光纤锥上并放置于 火焰边缘处，调整火焰至合适温度 ( 约2 0 0 0 k ) ，就可以进一步将光纤 拉细至纳米量级。拉伸速度一般为图2 i 二步拉伸法制备纳米光纤的示意图 i - 1 0 m m s 。 使用这个方法制备的光纤直径最小可达到5 0 r i m 。纳米光纤的典型显微形貌 如图2 2 所示。图2 2 ( a ) 是一根直径2 6 0 r i m 长度4 m m 光纤的扫描电子显微镜( s e m ) 2 浙江大学博士后研究工作报告 照片，光纤盘在一块硅片上以显示它的长度。直径测量结果表明，这根光纤在整 个4 m m 长度伍) 内的最大直径波动( d ) 约为8 r i m , 即直径均匀度为a d l - - 2 x l 旷。 从图2 2 ( b ) 2 2 ( d ) 也能够看出其他直径的纳米光纤同样具有很好的直径均匀性。 图2 2 ( e ) 和2 2 ( 0 分别是2 4 0 r i m 和3 3 0 r i m 直径光纤的透射电子显微镜( t e m ) 照片， 从图中可看出，即使在高倍电子显微镜下，光纤的表面也看不出明显的缺陷。典 型的表面粗糙度测量值( 均方根) 小于0 5 n m 。从上述显微形貌来看，这些光纤 的直径均匀度和表面粗糙度要比其他方法制备的一维结构好得多。 图2 2 ( a ) 直径为2 6 0 r i m 长度为4 r a m 纳米光纤的s e m 照片；( b ) 至( d ) 5 0 n m 到1 0 0 0 n m 左右直径的典型纳米光纤的s e m 照片；( e ) 和( f ) 直径分别为2 4 0 n m 和3 3 0 r i m 纳米光纤的t e m 照片 2 1 3 亚波长直径光纤的光学传输特性 虽然人们对传统光纤的光学传输特性已经进行了很好的研究，但是以前很少 考虑光纤直径小于传输光波长的情况。从理论上来说，如果已知材料特性，亚波 长直径光纤的光学传输特性可以通过严格求解m a x w e l l 方程得至l j 1 5 。由于光纤 的尺度很小，介电特性的空间变化率很大，不能使用一些常规光纤分析中的近似 方法，而必须使用m a x w e l l 方程的精确解。同时，由于不作近似的本征方程形式 比较复杂，无法直接给出传播常数的解析解，需要使用数值计算。 浙江大学博十后研究丁作报告 我们使用的研究方法是在柱坐标系中求解具有理想圆柱对称的纳米光纤模 型【7 】。假定光纤长度足够长，光纤内部折射率均匀分布，外部为空气或水等均 匀折射率环境。由于光纤的直径一般大于1 0 r i m ，所以仍然可以假定纳米光纤的 折射率与大块玻璃一致。在这些前提条件下，将试探解代入m a x w e l l 方程并结合 圆柱对称的边界条件后，就可以得到关于传播常数的本征方程。使用计算机数值 求解，就可以得到传播常数的数值解，进而可以计算出纳米光纤中光的传导模式、 单模条件、电场和能量分布、群速度以及波导色散等一系列传输特性。 通常，要使空气中的纳米光纤单模工作，即只支持基模( h e l i 模) 传输， 光纤的直径必须小于传输光的波长。比如，对于常用的6 3 3 n m 波长的h e - n e 激 光，氧化硅光纤( 折射率约为t 4 6 ) 的直径必须小于4 6 0 n m 才能单模工作；对 于高折射率的碲酸盐光纤( 折射率约为2 0 5 ) ，单模工作要求光纤直径小于 2 7 0 r i m 。 纳米光纤中传输光场能量的典型空间分布( 坡印亭矢量) 如图2 3 所示，图 中光纤直径分别为2 0 0n n l 和4 0 0 r a n ，材料为氧化硅，传输光的波长为6 3 3 n m ， 其中网格部分为被约束在圆柱光纤内部的传导电磁场，外部为被约束在光纤周国 空气中的倏逝场。对于4 0 0 n r a 直径的光纤，大部分光能量在光纤内部传输( 约 占7 2 ) ，显示出纳米光纤对传输光场的强约束能力，这对于研制小尺寸光子器 件和发展高密度光学集成十分有利：当光纤直径减小到2 0 0n l n 时，大部分( 大 于9 0 ) 光能量转移到光纤表面附近区域，以围绕光纤的倏逝波形式传输，纳米 光纤这种大比例倏逝波传输的特性在光学耦合和传感等应用中具有独特的优势。 图2 3 直径分别为2 0 0 n m 和4 0 0 n m 的光纤传输波长为6 3 3n m 光时沿 传输方向的坡印亭矢量 另外，波导色散的计算结果表明 7 】，纳米光纤的波导色散可以达到 l l s n m - i k m 4 量级，比一般光纤大1 到3 个数量级，使其在与色散相关的光通信 和非线性光学等领域具有潜在的应用价值。 在实验上，我们利用倏逝波耦合的方法将光输入纳米光纤，并测量了纳米光 4 浙江大学博士后研究工作报告 纤的传输损耗。如图2 4 ( a ) 所示，首先将光输入一端拉锥的普通光纤，将拉锥形 成的纳米光纤与待测纳米光纤平行靠近，当静电力或范德瓦尔斯力将其吸附在一 起时，光就可以自然地从拉锥光纤中输入待测的纳米光纤中图2 4 ( b ) 是一根 3 9 0 n m 直径光纤通过倏逝波耦合将6 3 3 n m 波长h e - n e 激光输入到另一根4 5 0 n r a 直径光纤的光学显微镜照片，从图中可以看出，相当一部分光已通过倏逝波耦合 在两根光纤之间实现了转移。图2 4 ( c ) 是一根3 6 0 n m 直径光纤传输6 3 3 n m 波长 激光的照片，光在右端被另一根3 1 t i n 直径的支撑光纤拦截而产生散射，从交点 处的散射强度可以看出光纤中传输的能量远远大于光纤其他部分的表面散射。图 2 4 ( d ) 是一根5 5 0 n m 直径光纤传输6 3 3 n m 波长的激光，左半部分在空气中，右半 部分放在m g f 2 晶体表面，因为m g f 2 的折射率( 约为1 3 9 ) 比氧化硅( 约1 4 6 ) 低，光纤从空气到达m g f 2 晶体后，激光被继续约束在光纤周围沿m g f 2 晶体表 面传输。另外，使用超低折射率材料( 比如气凝胶) 作为支撑衬底，光纤直径还 可以远小于波长 1 6 1 ，表明了纳米光纤与低折射率衬底集成的可能性。 图2 4 ( a ) 利用倏逝波耦合将光输入纳米光纤的示意图；( b ) 通过倏逝 波耦合将6 3 3t a m 波长h e - n e 激光从3 9 0n m 直径光纤输入到4 5 0t a m 直径光纤的光学显微镜照片；( c ) 3 6 0n m 直径光纤传输6 3 3 n m 波长激 光的光学显微镜照片。光在右端被3 9 i n 直径支撵光纤拦截而产生散 射；( d ) 5 5 0 n m 直径光纤传输6 3 3 n m 波长激光，左半部分在空气中。 右半部分放在m g f 2 晶体表面 利用图2 a ( a ) 所示的耦合方式还可以测量纳米光纤的传输损耗。初步测试结 果表明，对于单模运行的纳米光纤，在材料的透明波段，光损耗值可低于 o 1 d b m m 4 最近，英国s o u t h a m p t o n 大学的研究人员在进一步改进制备和测 浙江大学博士后研究工作报告 试条件后，在1 5 5 9 i n 波长处获得了0 0 1 d b m m 的单模传输损耗 8 】。与其他类型 的亚波长直径光波导( 比如表面等离子体波导) 相比，纳米光纤的损耗一般可以 低1 到5 个数量级 2 1 4 氧化硅纳米光纤应用简介 由于纳米光纤具有小尺寸、低光学损耗、强光场约束、倏逝波传输、大波导 色散、抗拉强度高和易于弯曲等特性，并且可以保持传输光的相干性，所以在光 通信、传感和非线性光学等领域均具有潜在的应用价值，特别是在减小器件尺寸、 提高器件性能和集成度等方面。 利用纳米光纤的小尺寸、强光场约束和倏逝波耦合等特性，可以研制小尺寸 的光子器件，器件尺寸远远小于常规的光纤耦合器。 选择合适的光纤直径和探测光的波长，使一定比例的传输光能量以倏逝波形 式在光纤外面传输，通过测量光纤输出端的强度、位相或光谱等物理量来判断光 纡传输过程中所受到的外部影响，可以研制成纳米光纤传感器。最近在这方面获 得的一些研究结果表明，纳米光纤传感器具有尺寸小、灵敏度高、响应速度快等 优良特性 1 7 - 1 9 。 因为具有很低的光传输和弯曲损耗，使用纳米光纤可以做成高品质的微型光 纤环谐振腔。美国o f s 实验室最近报道了一个使用直径约为6 6 0 r i m 的氧化硅光 纤制作的微环谐振腔【2 0 】，微环直径约为5 0 0 1 m a ，在1 5 i _ t m 的光通信波段测量得 到的q 值高于1 0 4 ，有希望应用于光通信和光传感等领域。 此外，纳米光纤在非线性光学和原子波导等方面也具有潜在的应用价值。比 如，英国b a t h 大学的研究人员报道了在纳米光纤中产生超连续光谱的实验结果 【2 l 】，表明使用纳米光纤后泵浦功率和光纤长度均可以大大减小。日本和俄罗斯 的研究人员研究了使用纳米光纤的强倏逝场来约束冷原子的设想 2 2 ，2 3 ，发现导 光的纳米光纤可以对原子产生束缚作用并可以用作原子波导。 2 2 超细纳米线的自调节拉伸制备方法 如前所述，通过二步拉伸法可以制备高度均匀的氧化硅纳米线，但是，一般 来说，由于受到制备条件( 比如加热温度、熔融材料的粘滞度和拉伸力等) 不稳 定性的影响，使用该方法所能获得的最细的纳米线直径约为5 0 n m 。通常，在材 料特性分析、分子动力学研究等方面需要直径更细的纳米线。为此，我们提出了 使用自调节拉伸法制备氧化硅纳米线的方法。 自调节拉伸法制备氧化硅纳米线的方法如图2 5 所示，首先，与以前使用的 高温拉伸法类似，使用二氧化碳激光或者火焰将一根标准单模光纤( 我们在实验 中使用的是c o m i n g 公司生产的s m f 2 8 型号光纤) 加热拉细到直径为几个微米 6 浙江大学博士后研究工作报告 量级，然后将微米级光纤缠绕在一根拉锥 的蓝宝石光纤顶部。接着，为了引入自调 节机制，我们将连着拉细端的石英光纤转 过9 0 度，使得未经拉细的石英光纤与蓝 宝石光纤保持平行，并在这个过程中维持 拉细的微米级光纤不断。适当平移未经拉 细的石英光纤，拉紧拉细的微米级光纤， 使得在连接微米级光纤和未经拉细的石 英光纤的拉锥部分出现一个大致为9 0 度 的弯曲，如图2 5 ( b ) 所示。这个弹性弯曲 所产生的弹性张力可以用于纳米线拉伸 制备中的自调节。 自调节的原理如图2 5 ( c ) 所示，在开 始拉伸的阶段，由于微米光纤的直径较 大，所需的拉力也比较大，9 0 度的弯曲中 心一般出现在拉锥段比较租( 即靠近标准 光纤) 的位置，当拉伸进行一段时间后， 微米光纤进一步变细，并被拉长，使得弹 性弯曲松弛，弯曲中心向较细的光纤端移 动，从而使得由于拉锥部分的弹性形变而 引起的弹性拉力也相应变小，而这正是我 们所需的自调节拉力：即对于越细的光纤 使用警：! ! ! 竺警伸考量：苎时，在实际的耋 图2 5 ( a ) 自调节拉伸系统结构示意图； 纤拉伸青4 备过程中，很多不可预见的因素 ( b ) 使扇自调节拉伸法制各纳米线的光 将可能对制备条件带来严重的影响，比如 学照片；( c ) 通过移动弯曲中心实现自 很小的温度波动有可能引起玻璃材料秸 调节的原理示意图 滞系数的明显变化，如果这时还是使用以 前的固定拉力和拉速，就很容易将光纤拉断或引起较大的直径波动；使用自调节 拉伸方法后，如果碰到类似情况，虽然标准石英光纤的拉速保持不变，但是弹性 弯曲中心可以很快地从拉锥的细端转移到拉锥的粗端，从而缓和了突变情况对光 纤拉伸过程的影响，使得拉伸机构有足够的时间来作出反应( 比如减慢拉伸速度 或调节加热功率等) 。另外，在实际的拉伸制备过程中，我们在标准石英光纤中 输入红色的h e - n e 激光，使得激光一直沿着光纤、光纤拉锥和制备所得的纳米 线传输，以便于实时观察纳米线的拉伸过程。 使用自调节拉伸法可以获得直径小至2 0 纳米的玻璃纳米线。这样制备的纳米 7 浙江大学博士后研究工作报告 线一般包括三个部分：纳米线开始是 一段长度为几毫米的明显的拉锥光 纤，中间通常是厘米长度的均匀纳米 线，末端是很短( 几微米到几十微米 长) 的锥形末梢。我们使用场发射电 子显微镜测量了一根典型的纳米线的 直径与长度的关系，结果如图2 6 所示。 图中横坐标为纳米线的长度( 以最细 的末梢端为起点) ，纵坐标为直径( 左 边) 和直径均匀度( 右边) ，其中直径 均匀度定义与上一节相同，定义为沈尸 a d l 。从图中可以看出，总的来说， 纳米线的直径有一个从大到小单调变 化的趋势，但是，除去两端，纳米线 的中间段还是非常均匀的地虮在霎蠹柔嚣墨裳嚣黧怒篙詈兰 直径3 0 n m 处，测得的直径均匀度 径氧化硅纳米线的t e m 照片；( c ) 1 0 0 n m u o = i 2 x 1 0 ，意思是如果我们以3 0 n t o 直径氧化硅纳米线的s e m 照片 直径点为中心，截取8 0 m 长的一段纳米线，那么这根纳米线两端最大直径差别 小于1 r i m ，这么小的直径变化趋势在几乎所有的应用中都可以忽略不计。从图 2 6 b 和2 6 c 中也可以看出这种极好的直径均匀性，图2 6 b 是一根直径为2 5 n m 的纳 米线的透射电子显微镜照片，图2 6 c 是一根直径为1 0 0 r i m 的纳米线的扫描电子显 微镜照片，实际上这两根纳米线是从同一根利用自调节拉伸制备的纳米线上截取 下来的，但是从图中根本看不出哪一端粗，哪一端细。如果我们假设以直径均匀 度l 7 b 优于i o 为标准来定义均匀纳米线，那么使用自调节拉伸方法制备的纳米线 最细可以达至u 2 0 n m 。 由于纳米线的直径很小，所以非常适合用透射电镜来研究其表面粗糙度。图 2 7 是一根直径为3 5 n m 的纳米线侧壁 的典型t e m 照片，在高倍放大的情况 下看不到有任何明显的缺陷。实际测 量结果显示，对于直径小于5 0 n m 的纳 米线，粗糙度的均方根值大约为0 1 5 到o 2 0n n l 之间，已经接近熔融法制备 的玻璃表面粗糙度的极限值 2 4 ，2 5 ， 比先前报道的o 5 砌左右要好得多【4 】。 黑翟嚣为3 5 砌的纳米线侧壁的典型 由于该方法制备的纳米线长度很 ”“1 8 浙江大学博士后研究工作报告 长，可以很清楚地在光学显微镜下面找到，这使得可以在空气中对这些纳米线进 行单根操作。同时，由于其极好的均匀度，这些纳米线也表现出很好的机械强度 和柔韧性。使用s t m 探针，我们可以将这些纳米线排成各种图样，如图2 8 所 示。在图2 8 ( a ) 中，我们将三根直径分别为3 0 、1 4 0 和5 1 0 n m 的纳米线平行排 列成一束；图2 8 ( b ) 中，我们将一根1 5 0 n m 直径的纳米线环绕在一根4 1 a m 直径 的微光纤上；图2 8 ( c ) 中，我们将一根直径为6 5 r i m 的纳米线绕成一个圆环；图 2 8 ( d ) 中，我们将一根直径1 2 0 r i m 的纳米线扭成一根绳子一样的形状，当我们将 这根纳米“绳”从硅萋底上拿起来时，绳子仍然保持原来的形状，说明这些纳米线 也能够承受一定的切向形变。 图2 8 ( a ) 三根直径分别为3 0 、1 4 0 和5 1 0 r i m 的纳米线平行排 列的s e m 照片：( b ) 1 5 0 n m 直径纳米线环绕在4 9 m 直径的微光 纤上的s e m 照片；( c ) 6 5 n m 直径纳米线绕成1 8 1 t m 圆环的s e m 照片；( d ) 1 2 0 n m 直径纳米线扭成绳子形状的s e m 照片 2 3 氧化硅纳米线的剪裁和支撑 利用氧化硅纳米线为基本单元组建微光子器件，还需要解决一系列的问题 2 6 】。首先，必须发展高精度的显微操纵技术来操纵和组装这些氧化硅纳米线； 其次，氧化硅纳米线必须固定在衬底上，并能保持其传输特性；最后，相邻的纳 米线之间必须避免传输光的相互串扰。我们在氧化硅纳米线制备基础上，尝试对 其进行精确剪裁、使用低折射率衬底支撑并组建成微光子器件。 我们自行搭建的高精度微操纵系统如图2 9 所示，我们使用一台带c c d 成像监 视系统的光学显微镜作为观察工具，采用扫描隧道显微镜( s t m ) 探针的制备方 法自制尖端直径为几十纳米量级的钨探针作为操纵头，安装在亚微米精度的三维 位移平台上作为操纵器。使用这个系统我们可以对氧化硅线实行高精度的切割、 弯曲、组合等处理。比如把氧化硅线切割成需要的尺寸，我们采用弯曲直至折断 的办法，用两个s t m 探针把氧化硅线固定在硅或者蓝宝石的衬底，然后用第三 9 浙江大学博士后研究工作报告 图2 9 纳米线微操纵系统结构示意图；右侧照片为s t m 探针弯曲4 5 0 n m 直径氧化硅线。 图2 1 0 由氧化硅纳米线构成波导基本单元的s e m 照片。( a ) 具有平整断面 的1 4 0 、4 2 0 和6 8 0 n m 直径氧化硅线：( b ) 从1 6 0 m 直径纳米线上切下的长 1 5 1 s m 的线段；( c ) 放置丁蓝宝石衬底上由2 0 0 n m 直径氧化硅线弹性弯曲 形成的9 岬直径的环：( d ) 蓝宝石衬底上经退火处理的塑性弯曲，氧化硅 线直径为4 1 0 n m ：( e ) 9 4 0 h m 直径氧化硅线上相邻的两个塑性弯曲；( f ) 8 0 0 n m 直径氧化硅线上相邻的塑性弯曲，其中锐角弯曲半径小于i t a n 根探针弯曲纳米线使它在预定的位置上断裂。由于氧化硅纳米线的高度均匀性， 一般来说，纳米线的断裂端面均可保持平整，如图2 1 0 ( a ) 和2 1 0 ( b ) 所示，即使 是长度只有l p m 左右的纳米线切割段( 如图2 1 0 ( b ) ) ，仍然可以得到平整的断 面。当氧化硅纳米线放置在衬底上，范德华力和静电力的作用使得纳米线被牢固 地吸附在衬底上，此时可以使用s t m 探针将氧化硅纳米线弯曲到我们所需的半 径。比如，图2 1 0 ( c ) 所示为2 0 0 n m 直径氧化硅纳米线在蓝宝石基片上弯曲成9 p m 直径的环，因为光纤和衬底之间的摩擦力，所以把s t m 探针移开环的形状也不 会改变。为了避免弹性弯曲的纳米线由于弯曲应力引起长期疲劳甚至断裂，我们 i o 浙江大学博士后研究工作报告 把环放在1 4 0 0 k 的真空( 2 1 0 - 3 p a ) 中退火2 小时，就可获得不改变表面光滑度 和直径均匀性的可持久保持的塑性形变。弹性弯曲的氧化硅纳米线可以被牢牢的 固定在衬底上，因此退火并不会影响组装器件的几何形状，所以可以在退火前先 设计好所需图样，然后使用塑性形变使之固定下来。图2 1 0 ( d ) 所示为蓝宝石衬 底上用4 1 0 r i m 直径氧化硅纳米线做成的5 岫半径的弯曲，退火前后弯曲半径的 变化小于0 5 。另外，重复使用弯曲后退火的方法还可以获得大拐角的锐角弯 曲或者在相邻位置形成多处弯曲，如图2 1 0 ) 和2 1 0 ( f ) 所示。 用氧化硅纳米线组建微光子器件，纳米线必须有衬底支撑。氧化硅的折射率 相对面言比较低( 大约为1 4 5 ) ，因而要求树底的折射率必须要比1 4 5 小很多。 我们采用氧化硅气凝胶作衬底来解决这个问题。氧化硅气凝胶是由尺寸在3 0 n m 左右的氧化硅纳米微粒构成的稀薄多孔的网状结构，气凝胶的微粒尺寸比传输光 的波长小的多，并且具有和氧化硅块状材料一样的透明波段 2 7 ，2 8 】。气凝胶大 部分是空气，因此它的折射率和空气非常接近。图2 1 l ( a ) 是4 5 0 r i m 直径氧化硅 线放置于氧化硅气凝胶衬底上的精细图像。氧化硅气凝胶和空气的折射率差( 大 概0 0 3 ) 比氧化硅线和空气的折射率差( 大约o 4 5 ) 小很多，因此用气凝胶支撑 的纳米线的光传输特性事实上和完全以空气为包层的纳米线是一样的。为了研究 气凝胶支撑的氧化硅线的光学特性，我们把光耦合到一端被拉细成纳米线的单模 光纤的纤芯里，然后利用倏逝波耦合使光从拉锥光纤转移到在气凝胶树底表面与 之平行重叠的氧化硅线( 见图2 1 1 ( b ) ) 。我们获得的耦合效率高达9 5 、连接损 耗小于0 3 d b ，并且由衬底支撑的氧化硅线具有低传输损耗。图2 1z ( b ) 所示是放 图2 1 1 ( a ) 氧化硅气凝胶衬底上4 5 0 r i m 直径氧化硅线的s e m 照片；( b ) 氧化硅 气凝胶支撑的3 8 0 r i m 直径氧化硅线传输6 3 3 n m 波长激光的光学显微照片；( c ) 气 凝胶衬底上平直氧化硅线在6 3 3 n m 波长处的光传输损耗；( d ) 气凝胶衬底上弯 曲半径为8 t i m 直径为5 3 0 a m 的氧化硅线的s e m 照片；( e ) 气凝胶衬底上弯曲半 径为8 t u n 直径为5 3 0 r i m 的氧化硅线传输激光的光学显微照片；( f ) 由气凝胶支 撑的5 3 0 r i m 直径氧化硅线在6 3 3 n m 波长处的9 0 弯曲的弯曲损耗 浙江大学博士后研究工作报告 置于氧化硅气凝胶衬底表面的3 8 0 r i m 直径氧化硅线传输6 3 3 n m 波长激光的照片， 箭头指示方向为激光传输方向，激光从纳米线的右端面输出在气凝胶表面散射， 沿着0 5 m m 左右长度的氧化硅线，表面散射很均匀基本没有衰减，并且在纳米 线末端有很强的输出，表明散射相对于传输光强度而言是很小的。我们采用与研 究空气包层氧化硅线传输损耗相同的方法获得了由气凝胶支撵的不同直径的氧 化硅线的光传输损耗【4 】，如图2 1 3 ( c ) 所示。因为我们更严格地限制从空气中附 着到氧化硅线表面的杂质，所以获得的损耗值比我们先前报道的空气包层氧化硅 线的损耗更低。低损耗特性更加证明气凝胶衬底不会导致氧化硅纳米线导光性能 的减弱。接近单模临界直径( d 。) 的氧化硅线的损耗值低于o 0 6 d b m m ，远低于 其他亚波长光波导结构的传输损耗 2 9 3 2 。低损耗特性使得氧化硅气凝胶支撑的 氧化硅纳米线有望作为组建微光子器件的基本结构。 图2 1 l ( d ) 是氧化硅气凝胶衬底上5 3 0 n m 直径的塑性弯曲的氧化硅线。这根 氧化硅线首先在蓝宝石基片上弯成8 1 t i n 半径的圆弧，然后经退火处理，最后转 移到氧化硅气凝胶上。这些气凝胶支撑的塑性弯曲纳米线对光具有较强的约束 性，因此具有极好的导光性能。如图2 1 1 ( e ) 所示为气凝胶支撑的塑性弯曲纳米 线传输6 3 3 n m 波长激光的光学显微镜照片。测量所得5 3 0 n m 直径氧化硅线上的 9 0 。弯曲的弯曲损耗值足够小( 图2 1 1 ( f ) ) ，完全可以被一般的光子器件所接受。 例如对于5 3 0 r i m 直径氧化硅线上5 岬半径的弯曲，光损耗不到l d b 。基于平面 光子晶体结构的弯曲波导不仅要求多个周期( 这将会增加器件整体尺寸) 和精密 复杂的制备技术，而且还不可避免的有非平面损耗。相反，图2 1 l 中所显示的 这一类弯曲氧化硅线则具有整体尺寸紧凑、祸合损耗低、结构简单和制备容易等 优点。我们还验证了在二氧化硅吸收边界波长范围内的光都可以被传输，正如同 用其他拉锥方法获得的氧化硅纳米线一样 8 ，2 1 ，3 3 3 5 。我们特别验证了如下波 长的传输性能：3 2 5 、4 4 2 、5 1 4 、6 3 3 、8 0 0 和1 5 5 0 n m 。与光子晶体结构只能应 用于特定波长相反，弯曲氧化硅线可适用于一个很宽的波段范围( 包括从近红外 到紫外线波长) 。 以弯曲波导为基础可以很容易的在氧化硅气凝胶衬底上组建基本的微光子 器件。如图2 1 2 ( a ) 所示，是由两根直径4 2 0 n m 的弯曲氧化硅线组成的x 耦合器， 两根氧化硅线中间的重叠区域不到5 p m ( 见插入的s e m 照片) 。当6 3 3 n m 波长 的光传输到左边分支底部时，耦合器把光一分为二从左右两臂分别输出。在重叠 距离小于5 岬的情况下，该器件可作为一个额外损耗小于0 5 d b 的3 d b 的分波 器。例如熔合祸合器等使用传统方法由光纤锥组成的微型祸合器的互作用长度一 般要求在1 0 0 u _ r a 量级 3 6 】。与之相比较，由氧化硅纳米线组装的耦合器可以使器 件尺寸减小至少一个量级。我们在大约3 1 a n 范围内改变两个弯曲之间的重叠长 度，该耦合器的分波比可以从小于5 一直增加到9 0 以上。以此为基础就有可 1 2 浙江大学博士后研究工作报告 能发展可调微光子器件比如可调耦合器和可调开关等。 图2 1 2 气凝胶支撑的氧化硅纳米线之间的光耦合( 箭头指示传输方向) 。( a ) 两 根4 2 0 r i m 直径氧化硅线组装的微米尺度的x 耦合器的光学显微照片( 插图： 中间重叠区域s e m 照片) ：( b ) 两根3 9 0 r i m 直径氧化硅线在气凝胶衬底表面垂 直相交( 插图：交叉面的s e m 照片) 我们还研究了由氧化硅气凝胶支撑的两根交叉氧化硅线的串扰问题。图 2 1 2 ( b ) 所示即为氧化硅气凝胶衬底上垂直相交的两根3 9 0 r i m 直径的氧化硅线。 当6 3 3 n m 波长的光沿着水平的氧化硅线传输时，除了在交叉点有一些微弱散射， 没有光耦合到垂直的氧化硅线中去。在水平氧化硅线的右侧部分故意引起强散