（光学工程专业论文）基于倏逝场特性的微纳光纤器件研究.pdf

摘要 与电子器件相似，微型化也是光子器件的发展趋势之一。微纳光子器件通过 在波长和亚波长尺度上对光的操控，实现各种各样的功能。微纳光波导是微纳光 子器件的基本结构单元，是目前光子学领域的研究热点之一。微纳光纤是一种典 型的微纳光波导，因制备简单、损耗低而受到越来越多的关注。 微纳光纤的突出特点之一是周围的倏逝场可以很强，本文首先研究了微纳光 纤的模场特性。本文用氧化硅微纳光纤模场的解析解，在线偏振和圆偏振输入光 情况下分别讨论了微纳光纤内部及周围的电场和能量的分布，以及氧化硅微纳光 纤的色散特性两根微纳光纤通过倏逝波耦合可形成微型耦合器，这是研制微纳 光纤器件非常有用的一个特性。文中用微扰理论模型从物理上探讨了微纳光纤间 的倏逝波耦合机理，并通过3 d f d t d 方法用数值计算实例分析了微纳光纤倏逝 波耦合器的特性。 本文的工作以氧化硅微纳光纤和玻璃微纳光纤的制备方法为基础，研究重点 为基于倏逝场的微纳光纤器件，包括共振型和干涉型两种。共振型器件以微纳光 纤结型谐振腔和环形激光器为代表，其中对微纳光纤环形激光器的理论建模分析 是共振型器件的重点内容。基于耦合区的耦合波方程和激光工作物质的速率方 程，文中给出了三能级系统和四能级系统的激射条件、阈值泵浦功率和量子效率 的解析表达式。研究表明，若能实现泵浦光的谐振，则能大大降低泵浦的阈值功 率，增加泵浦吸收，从而增加激光器的量子效率。此外，还研究了泵浦光谐振时 的耦合损耗和微环直径对泵浦阈值和量子效率的影响。研究发现，采用大吸收截 面和高掺杂材料制作微纳光纤环形激光器，可以实现直径约几十微米的低阈值、 高效率的微型激光器。这些理论分析对微纳光纤环形激光器和其他微激光器的制 作和特性分析具有一定的指导意义。 在干涉型器件部分，详细研究了基于微纳光纤耦合器的微型m a c h z e h n d e r 干涉仪的实验制作过程和光学特性表征。通过在光学显微镜下的微纳操作，我们 可以方便地在低折射率衬底上制作不同分束比的耦合器。基于3d b 耦合器，可 以方便的制作氧化硅和玻璃微纳光纤m a c h - z e h n d e r 干涉仪，器件尺寸在几十微 米到几百微米。通过仔细调节耦合器的长度，干涉对比度可以达到1 0d b ，通过 微纳操作，还可以自由调节干涉仪两臂的程差，从而改变干涉仪的自由光谱区。 制作方便、结构紧凑，程差可调，且便于与光纤系统相连，这些特性使得微纳光 纤m a c h z e h n d e r 干涉仪有可能用在传感器，光调制器等微光子学器件中。 关键词：微纳光纤；倏逝场；环形谐振腔；环形激光器； m a c h z e h n d e r 干涉仪 i i a b s t r a c t s i m i l a rt ot h e i re l e c t r o n i cc o u n t e r p a r t s ，p h o t o n i cd e v i c e sa l s os h o wt h et r e n df o r m i n i a t u r i z a t i o n m i c r o o rn a r l o p h o t o n i cd e v i c e s ，w h i c hm a n i p u l a t el i g h to i lt h e w a v e l e n g t ho rs u b w a v e l e n g t hs c a l e ，d e m o n s t r a t ev a r i o u si m p r e s s i v ef u n c t i o n s m i c r o _ o rn a n o s c a l ew a v e g u i d e sa r eo n eo ft h ef u n d a m e n t a lb u i l d i n gb l o c k sf o rm i c r o o r n a n o p h o t o n i cd e v i c e s ，a n da r eh o tt o p i c si nc u r r e n tp h o t o n i c sr e s e a r c h b e i n go n e o f t h et y p i c a lm i c r oo rn a n o s c a l ew a v e g u i d e s ，m i c r o - o rn a n o f i b e r ( m n f ) ，f e a t u r e dw i t h s i m p l ef a b r i c a t i o na n dl o wl o s s ，i sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s o n eo ft h eo u t s t a n d i n gp r o p e r t i e so fm n f si st h e i rp o s s i b i l i t i e st oo f f e rh i g h f r a c t i o no fe v a n e s c e n tf i e l d s i nt h et h e s i s ，w ef i r s ti n v e s t i g a t et h em o d ef i e l d p r o p e r t i e so fm n f s u s i n ga n a l y t i c a le x p r e s s i o n so f t h em o d ef i e l d so fs i l i c am n f s ， w es t u d yt h ee l e c t r i c f i e l da n de n e r g yd i s t r i b u t i o n , b o t hi n s i d ea n do u t s i d et h es i l i c a m n f sw i t hl i n e a ra n dc i r c u l a r p o l a r i z a t i o n b e s i d e s ，w ea l s oi n v e s t i g a t e t h e d i a m e t e r - d e p e n d e n tw a v e g u i d ed i s p e r s i o n si nm n f s ， t w om n f sc a nf o r mam i c r oc o u p l e rb ym e a n so fs i d e b y - s i d ee v a n e s c e n t c o u p l i n g ，w h i c hi sv e r yh e l p f u lf o rb u i l d i n gm n fd e v i c e s t h em e c h a n i s mo f e v a n e s c e n tc o u p l i n go fm n f sa r ei n v e s t i g a t e du s i n gp e r t u r b a t i o nm o d e l ，a n dt h e b e h a v i o ro fa ne v a n e s c e n tc o u p l e ri sn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e du s i n ga3 d f d t d m e t h o d s t a r t e dw i t ht h et a p e r - d r a w i n gf a b r i c a t i o no fm n f sf r o ms i l i c af i b e r sa n db u l k g l a s s e s ，t h et h e s i sp u t si t se m p h a s i so nr e s o n a n c ea n di n t e r f e r e n c em n f d e v i c e sb a s e d o ne v a n e s c e n tc o u p l i n g i nr e s o n a n c ed e v i c e s ，m n fk n o tr e s o n a t o r sa n dm i c r o r i n g l a s e r sa r ei n v e s t i g a t e d t h em a i ne f f o r t sa r em a d eo nt h et h e o r e t i c a lm o d e l i n go fm n f r i n gl a s e r s ，w h i c hi sb a s e do nr i n gr e s o n a t o re q u a t i o n s a tt h ec o u p l i n gr e g i o na n dr a t e e q u a t i o n sf o ra c t i v em a t e r i a l s a n a l y t i c a le x p r e s s i o n sa l eg i v e nf o rl a s i n gc o n d i t i o n ， p u m pt h r e s h o l da n dq u a n t u me f f i c i e n c yf o rt h r e e l e v e la n df o u r - l e v e lt r a n s i t i o n si n e ，a n d 坩+ d o p e dg l a s s e s i ts h o w st h a tp u m pr e s o n a n c ec a l ls i g i l i f i c a n t l yr e d u c e i t ! t h et h r e s h o l d ，i n c r e a s et h ep u m pa b s o r p t i o n ，a n dt h u sg r e a t l yi n c r e a s et h eq u a n t u m e f f i c i e n c y b e s i d e s ，w ea l s os t u d yt h ee f f e c to ft h ec o u p l i n gl o s sa n dt h er i n gs i z e a t t h ep u m pr e s o n a n c e i ti sf o u n dt h a th i g h l yd o p e dm n f sw i t hl a r g ea b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o n sw i l lf a c i l i t a t el o w t h r e s h o l d ，h i g hq u a n t u me f f i c i e n c ym i c r o r i n gl a s e r sw i t h r i n gd i a m e t e r sd o w nt o t e n so fm i c r o m e t e r s t h e s er e s u l t sm a yo f f e rv a l u a b l e r e f e r e n c et ot h er e a l i z a t i o no fm n f b a s e dr i n gl a s e r so ro t h e rk i n do fm i c r o l a s e r s i nt h es e c t i o no fi n t e r f e r e n c em n fd e v i c e s ，w ep r e s e n tt h ef a b r i c a t i o na n d o p t i c a lc h a r a c t e r i z a t i o no fm n fm a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r si nd e t a i l b ym e a n so f m i c r o m a n i p u l a t i o nu n d e ra no p t i c a lm i c r o s c o p e ，m i n i a t u r em n fc o u p l e r s w i t h d i f f e r e n ts p l i u i n gr a t i o sc a nb ee a s i l yc o n s t r u c t e d b a s e do nt w om n fc o u p l e r s ，s i l i c a a n dg l a s sm n fm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r sa r ea s s e m b l e d ，w i t ht y p i c a ld i m e n s i o n s o ft e n st oh u n d r e d so fm i c r o m e t e r s t h ee x t i n c t i o nr a t i oc a nr e a c h10d bb yf i n e l y a d j u s t i n gt h ec o u p l e rl e n g t h b e s i d e s ，t h ep a t h - l e n g t hd i f f e r e n c e sc a nb et u n e db y m i c r o m a n i p u l a t i o n ，a n dt h u st h ef r e es p e c t r u mr a n g ec a n b ee a s i l ya d j u s t e d b yv i a u e o fi t se a s yf a b r i c a t i o n ，c o m p a c ts i z e ，t u n a b i l i t ya n dc o n v e n i e n ti n t e g r a t i o nw i t hf i b e r s y s t e m ，m n fm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r sa r ep r o m i s i n gt o f i n da p p l i c a t i o n si n s e n s o r s ，o p t i c a lm o d u l a t o r sa n d o t h e rm i n i a t u r ep h o t o n i cd e v i c e s k e y w o r d s ：m i c r o - n a n o f i b e r ，e v a n e s c e n tf i e l d ，m i c r o f i b e r k n o tr e s o n a t o r , m i c r o r i n gl a s e r , m a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r i v 第一章徼纳光纤及其器件的研究现状概述 1 微纳光纤的研究背景 近年来，器件的微型化成为科学研究和技术应用的趋势之一。与电子器件相 比，光子器件的微型化的研究刚刚开始。从商业的角度来看，光子器件的研究源 于超大量数据传输的光纤通讯行业。光纤网络的铺设实现了光子的回路，而在目 前的光子回路里，光子器件的尺寸比较大。如此以来，微型光子器件的设计和集 成成为光子学领域发展的重要研究课题。 微电子学技术领域也有发展微纳尺度上光子学技术的内在要求。随着集成电 子技术的进展，单位电子芯片面积上的集成器件越来越多，芯片间的通讯速度成 为集成电子技术的一大瓶颈，研究者们开始考虑用电子器件间微纳光波导的光互 连的办法解决这个问题【1 1 。 在这样的研究背景下，微纳尺度上的光子器件及集成进入研究者的视界，随 着对微纳尺度上的材料和光学研究的深入，研究者在微纳尺度发现了非常有趣 的光学现象，并基于这些现象研究具有各种功能的微纳光子学器件。微纳光波导 是这些光学现象和器件实现的最基本的单元，成为研究微纳光子学现象和构筑光 子学器件的基石。目前得到广泛研究的微纳尺度的波导有硅基刻蚀波导1 2 】，光子 晶体波导【3 1 、表面等离子体波导 4 1 、宽禁带半导体纳米线波导【5 1 、激光直写微纳 波导【6 1 和微纳光纤【7 】等。 除了实现光波导的功能外，微纳光纤还有许多有趣的特性。当光纤的直径达 到微纳量级时，对光场的约束比普通的单模光纤要强，增强了光与物质的相互作 用，从而可在较低的输入功率时产生非线性效应【8 1 ；在微纳光纤中，光场有很大 一部分能量分布在光纤之外。这部分光纤之外的倏逝场与环境发生相互作用时， 可以用来做结构紧凑灵敏度高昀传感器。本文以基于倏逝场特性的徽纳光纤及其 器件作为研究对象。 微纳光纤是微纳尺度上的玻璃细线，而人们对的玻璃细线的兴趣由来已久。 早在1 9 世纪8 0 年代，英国科学家c v b o y se ta 1 就从高温熔融的矿石中拉刳 玻璃细线，研究玻璃细线的机械特性和基于机械特性的用途1 9 1 。研究者将玻璃细线 绕成线圈，用作电流计指针的弹簧。对光波导深入研究以后，人们开始考虑玻璃 细线用来传导光。由于玻璃材料在很宽的光谱范围内透明，相对容易得到非常纯 净的材料基质，并对光的传输损耗很低，可进行熔融拉纤，玻璃材料成了制作波 导的极佳材料。近四十年的光纤技术的飞速发展正是基于这一点。 普通光纤通过拉伸熔融状态的玻璃材料而制备，这给微纳光纤的制备提供了 很好的启示，微纳光纤的制备可进一步通过普通光纤的拉锥而进行。光纤的拉锥 约有四十年的历史【1 0 l 。由于玻璃材料的非晶性和粘滞特性，在高温下用热源将 光纤加热至熔融状态，然后缓慢拉伸，即可获得直径约几微米的拉锥区。若选用 恰当的加热装置，并精确控制加热的温度和拉伸的速度，拉锥的形状可以得到严 格控制，从而得到近乎理想的绝热拉伸【1 。此时光在拉锥区传播时传输损耗极低， 可忽略不计。 微纳光纤的制备进展介绍 一般地说，微纳结构的获得有白上而下( t o p d o w n ) 和自下而上( b o s o m u p ) n 种途径。近年来的微纳合成技术进展迅猛，研究者可通过自下而1 ( b o s o m u p ) 的合成方法获得各种材料的一维微纳结构，材料包括半导体【5 1 ，金属【1 2 】等，一维 结构有纳米线【1 3 l ，纳米管【1 4 】等。与所有的其他的化学生长法一样，由自下而上 法得到的氧化硅纳米线的直径不够均匀而且界面粗糙度较大【1 3 ，1 4 】，若用做导光 余质，则散射损耗较大。丙且这样得到的纳米线经常附着在衬底上或者悬浮与溶 液中，在特性表征和器件制作过程中难以操控； 通过自上而下( t o p d o w n ) 得到微纳波导的典型方法的有刻蚀法【2 1 ，光纤拉锥 法( 7 】等。其中光纤拉锥法借鉴普通光纤拉制的过程，通过对熔融状态的粘性非 晶材料的拉伸而得到微纳波导。这种方法获得的微纳光波导表面质量高、均匀性 好、长度较长、便于后续的操纵，因而得到了研究者们的广泛关注。举例来说， 若将剥去涂覆层的单模光纤进一步拉细，则纤芯和包层等比例缩小。当光纤的总 体直径小至约1 微米的时候，纤芯直径约为几十纳米。因为纤芯与包层的折射率 差很小( 约0 0 0 4 ) ，故而拉细后的光纤作为微纳光纤的芯层，而氧化硅以外的空 气即为微纳光纤的包层。这样的工艺可以方便的实现微纳光纤的制各。 l t o n ge ta 1 首次演示了用两步拉伸法拉伸氧化硅光纤制备的亚波长直径微 纳光纤，可以用于低损耗的光学传输1 7 1 。首先，将氧化硅光纤用作微纳光纤的预制 棒，在酒精灯上加热至熔融状态并拉伸，可将光纤直径拉至约几微米。然后用宝 石棒在酒精灯上加热，作为热源。然后将拉细的光纤绕在宝石棒的尖端，用宝石 棒传导的热再次熔融已初步拉细的光纤，将其进一步拉伸至亚波长甚至纳米量 级。用这样的两步拉伸的方法可以便捷地得到直径约5 0a m 的微纳光纤，其长度 可达几个厘米。 上述的两步拉伸法得到的微纳光纤引起研究者们的极大关注。然而由于微纳 光纤容易受到周围空气的扰动的影响而且两步拉伸法对拉伸过程的平稳性要求 很高等诸多因素，要制备直径出直径小于5 0n n l 的微纳光纤颇为困难。在随后的 研究中，l t o n ge ta 1 又进一步简化了微纳光纤的拉制方法，提出自调制拉伸法 1 1 5 1 。这个方法的诀窍在于拉伸过程中引入了光纤拉锥区的弯曲张力，即利用可 逐渐自发改变的弯曲张力来平衡光纤从粗到细过程所需的从大到小的拉伸力。当 微纳光纤比较粗的时候，所需的拉伸力比较大，弯曲发生在较粗的拉锥区。在光 纤越拉越细时，所需的拉伸力逐渐减小，弯曲区慢慢自发转移至弯曲张力较细的 拉锥区。由于拉伸过程中拉伸力逐渐变化，用于平衡的弯曲张力也随之变化。自 调制的单步拉锥法由于这个弯曲张力在拉伸过程中自发改变而得名。用这样的方 法得到的微纳光纤直径可小至2 0n l n ，直径均匀度达o 1 上述两种微纳光纤的制备方法中，氧化硅光纤都用作微纳光纤的预制棒。这 对于微纳光纤的材料选择构成严重的限制。当然，若将所需材料事先制作成光纤， 作为后续微纳光纤制备的预制棒，这样的制备方案也可行，但无疑显得繁复和浪 费。为了扩大微纳光纤材料的选择性，研究各种材料微纳光纤的导光特性和展示 微纳光纤器件的可行性，l t o n ge la 1 提出了从块状玻璃材料中直接拉制微纳光 纤的方法【1 6 1 在此方法中，首先用高温的宝石棒在熔融状态的块状玻璃材料中 蘸取些许物质，并保持其熔融状态，然后用另一个宝石棒接触此熔融的微量物质 并快速拉伸。这样由于熔融状态非晶态物质的粘滞性，可以在宝石棒端头处得到 细长的微纳玻璃线。 完全人工的制备方法有灵巧方便的特点，但工艺难于重复。gb r a m b i l l ae ta 1 用改进了的光纤耦合器制作装置制备超低损耗的微纳光纤【1 7 1 。该装置的改进之 处有二，其一是加热源，其一是树脂玻璃罩。改进的加热源为大小约毫米量级的 氧气和异丁烷的火焰，在拉制过程中，火焰沿着光纤反复扫描，扫描范围为数十 毫米，这样整个扫描范围内受热均匀，有利于拉制直径缓变的微纳光纤，而采用 树脂玻璃罩是为了防止微纳光纤拉制过程中空气扰动，方便制作直径较细的微纳 光纤。通过这样的装置改进可制备出直径约3 2 0n l t l 的微纳光纤，损耗可低至o 0 1 d b m m 。 于2 0 0 5 年，gb r a m b i l l ae ta 1 又用类似的装置制备了化合物玻璃纳米线 1 8 】。 由于化合物玻璃的软化温度相对氧化硅要低( 约4 0 0 6 0 0 0 c ) ，研究者采用电流 控制的石墨加热器代替了氧气和异丁烷燃烧的火焰，作为加热源，这样可以实现 范围为2 0 0 1 7 0 0 0 c 的可控加热温度。通过可控石墨加热器在数厘米范围内的反 复回扫加热，并用微米量级的位移可控二维位移台拉伸化合物玻璃光纤，实现了 直径可控的掺铅硅酸盐玻璃微纳光纤和掺铋硅酸盐玻璃微纳光纤的拉制。纳米线 的长度约几十毫米到1 0 0 毫米，直径可达9 0n m ，且在红外区损耗较低( 低于1 d b m m ) 。类似的制作装置也被用做制备各种材料的微纳光纤【8 ，1 9 , 2 0 l 。 采用这样的装置改进可以获得高质量的微纳光纤，然而，在这样的装置中气 源需非常纯净，以防止气源可能带来的污染；而且气流需严格控制，以控制火焰 的温度。由于装置中有运动部件，火焰周围的空气扰动难以避免。j m w a r de ta 1 采用了c 0 2 激光做为加热源【2 1 1 。由于c 0 2 激光的功率可控，而且有可能精确控 制受热区，有可能实现任意形状拉锥过渡区。 在c 0 2 激光加热的方案中，微纳光纤的直径与c 0 2 激光的功率有关。直径 越小，所需的激光功率越高。对于直径小于1g m 的微纳光纤，所需的激光功率 大于1 0 0 w ，一般的实验室不易采用这样的方案。研究者提出了其他的方案，比 如，用电加热的金属条作为熔融光纤的热源【2 2 1 。通过这样的办法，由于不存在 火焰引起的空气扰动，可以得到直径小于1l a m 长达1 0c m 的微纳光纤。 徽纳光纤的特性研究进展 上述几种微纳光纤的制备方法，工艺简单，对设备要求低，可选择的材料较 广，且在制备过程甚至不需要预制棒，成本低廉，成品率高。这些特点使得这样 的方法非常适合在实验室和科学研究使用，故而在l t o n g e t a l 提出之后两步拉 伸法的制备方法后，微纳光纤引起了研究者们的广泛关注。研究者们对微纳光纤 4 的机械特性、损耗特性、模场特性、色散特性以及传输特性的调控几个方面展开。 这一部分的内容将对它们做个简要的概括。 3 1 机械特性 在提出制备方法之初，l t o n ge la 1 简单测试了氧化硅微纳光纤的机械特性 仍。实验结果表明，徽纳光纤有极好的柔韧性和机械强度。直径为5 2 0n n l 的氧 化硅微纳光纤可以通过弯曲形成直径小于1 5 a m 的微环而不发生塑性形变；3 3 0 n n l 的氧化硅微纳光纤可以互相缠绕在一起而不致弯曲折断。通过弯曲致断裂的 实验测试表明直径约2 8 0 衄l 的氧化硅微纳光纤的抗张强度可高于s 5g p a 。若通 过塑性形变，直径约2 8 0n n l 的氧化硅微纳光纤弯曲半径可小于1 a m 。这些优异 的力学性能保证了氧化硅微纳光纤可实现微观器件结构。在e c c m s i l v ae ta 1 的研究中详细研究了不同直径的氧化硅微纳光纤的劲度t 2 3 1 。结果表明，直径在 2 8 0n l t l 1 9 5 0n n l 的氧化硅微纳光纤和块状氧化硅材料的的劲度相当。他们通过 分子动力学模拟结果表明，当氧化硅微纳光纤的直径从1 0 0n m 减少到1 0n l t l 时， 由于比表面的增加，劲度将增加3 0 。 3 2 光学损耗特性：传输损耗，弯曲损耗，拉锥损耗 对于用于导光的微纳光纤而言，一个最重要参数是其对传导光的损耗系数 微纳光纤是从熔融状态的非晶材料中拉制而成，表面质量非常理想，由表面引起 的散射损耗理论上可以非常低。若材料无吸收且制备过程保证材料的均匀性，可 预期微纳光纤的损耗非常低。在l t o n g e t a l 的研究中发现【7 1 ，对于波长为6 3 3 n l t l 的传导光，1 9 0n m 直径的氧化硅微纳光纤，传输损耗为1 7d b m m 。与其他 的微纳波导相比，氧化硅微纳光纤损耗极低，这当然得益于熔融拉伸制备过程中 近于理想的表面质量。微纳光纤的直径减少，损耗有所增加，这是由于光纤外的 倏逝场分量随着直径的减少而增加，从而引起散射损耗增大的缘故。其他研究组 采用不同的制备方法可以得到损耗更低的微纳光纤，比如可以到0 0 0 1d b m m 2 4 1 在应用中微纳光纤不可避免的要有弯曲，研究者也测试了微纳光纤的弯曲 损耗【7 1 。由于微纳光纤的包层实际上为空气，芯层和包层折射率相差很大( 大于 0 4 ) ，光在这样的波导中受到的约束较强，与约束较弱的波导相比，微纳光纤的 弯曲损耗较低。对于直径为4 5 0n l n 的氧化硅微纳光纤而言，发生半径为5l a m 的9 0 0 弯曲时弯曲损耗可低于o 3d b 。如此小的弯曲半径对微纳光纤的集成非常 有利。当微纳光纤的直径比波长小很多的时，弯曲损耗对光纤直径非常敏感。 m s u m e t s k y 对微纳光纤的绝热拉锥进行建模分析，得出了微纳光纤拉锥周围的 倏逝场分布可以用拉锥轴心有奇点的高斯光束来表示【2 5 1 。分析结果对理解和理 论计算微纳光纤拉锥的辐射损耗和弯曲损耗有启发意义。 对光波导而言，表面粗糙度引起的散射损耗是最重要的传输损耗之一。由于 微纳光纤从熔融状态拉伸置备而得，表面粗糙度往往是由热激发的熔融非晶材料 的表面毛细波在材料冷却过程凝固在表面而形成，所以由表面毛细波凝固丙形成 的表面粗糙度所引起的传输损耗是无法避免的，成为微纳光纤传输损耗的理论极 限。gz h a ie ta 1 采用电磁场诱导电流源辐射模型对表面毛细波对微纳光纤传输 损耗的影响进行了理论上的分析【2 6 1 。m s u m e t s k y 近期报道了亚纳米精度测量微 纳光纤的不均匀性( 包括表面和材料的不均匀) 的方法1 2 7 1 ，这将大大有利于微 纳光纤不均匀性对传输特性影响的研究。 研究者可以通过很多方法获得极细直径的微纳光纤f 7 ，1 5 , 1 8 1 ，但能传导光的 微纳光纤直径是否存在下限是个有趣且有意思的问题，m s u m e t s k y 在理论上对 这个问题进行了研究f 2 引。他在研究中发现，当微纳光纤的直径逐渐减少到远远 小于波长时，由于极细微的表面不均匀性会引起传导模和辐射模间的耦合，损耗 急剧增加。所以当光纤直径约小至光波长的1 1 0 时，光纤表面可忽略的不均匀 度使得微纳光纤不再能传导光。由于太赫兹光波的波长较长，对应的亚波长尺寸 约在几十微米量级，从而容易获得直径在亚波长范围的波导，h w c h e ne ta 1 用 亚波长的太赫兹波导证实了这一结论【2 9 1 ，而m s u m e t s k y 对微纳光纤损耗测量 的实验结果为这个结论提供了一个直接而有力的证明f 3 0 1 。 3 3 模场特性 由于微纳光纤和空气的折射率相差较大，普通光纤中计算模场分布所采用的 弱导近似不再适用，在首次制备出亚波长的微纳光纤后不久，l t o n ge ta l 基于 m a x w e l l 方程组的精确解，给出了亚波长直径光纤的内部及其周围光的模场分 布，计算了各阶模式特别是h e l l 模的传播常数随光纤直径的变化的关系，给出 了电场、磁场分量以及能量在芯内芯外的分布情况【3 1 1 。对这些模场特性的计算 为其他的亚微米波导的特性分析和基于芯外倏逝场特性的器件制作打下坚实的 6 基础。 由于在微纳光纤周围存在较多的倏逝场分量，研究者提出利用它可实现冷 原子的约束和引导【3 2 ，3 3 1 。光波导对冷原子的等效光学势与波导周围的电场平方 成正比，对微纳光纤周围详尽的电场分布的研究对冷原子引导的应用特别重要。 2 0 0 4 年，f l k i e n 对微纳光纤中模场分布的解析表达式做了详细的分析，重点 将微纳光纤的h e l l 模和弱导近似的l p o l 模的场分布进行了比较，通过模场的解 析表达，得到微纳光纤周围场分布随方位角的变化项，并分析了微纳光纤的h e t t 模和l p o l 模场分布的偏差及其原因i ”1 ；分析结果得知，对准线性偏振的基模而 言，光纤内部每点处的场分量在每个瞬时都是准线性偏振的。光纤外部的场分量 的偏振方向与方位有关，电场的大小与l p 0 1 模的偏差较大；而对圆偏振的基模 而言，电场的分布呈圆柱对称性，与方向无关。电场的大小与l p d i 模的偏差较 小。 此外，a m z h e l t i k o v 用高斯模近似法分析了非圆型截面的亚波长波导传导 模的双折射f 3 5 1 ，文中指出由于芯层和包层的折射率差很大的缘故，在非圆形截 面的亚波长微纳光纤中的双折射模色散比普通双折射光纤高一个量级。s o k o n r o ve ta 1 用飞秒脉冲在光子晶体光纤传播而形成的孤子所产生c h e r e n k o v 辐射，有效地实现了将光耦合入微纳波导的高阶模f 3 6 1 。这些理论和实验进展都 对基于微纳模场特性的进一步研究提供了基础和手段。 3 4 色散特性及调控 波导色散是个基本的参数，脉冲的传输过程和许多非线性过程都与波导的色 散特性有关【捌。l t o n ge ta 1 通过计算微纳光纤的群速度随波长的变化，指出 微纳波导的波导色散可以远远大于弱导光纤的波导色散和材料色散【3 1 1 。举例来 说，在直径约8 0 0n m 的氧化硅微纳光纤里，在1 5 5 0i l r l l 处的波导色散可达1 4 0 0 p s k m m ，相比之下，材料色散约是它的七十分之一，而弱导光纤的波导色散则 是它的千分之一。此外，文中还指出，由于微纳光纤的波导色散特性如此的显著， 通过选择不同的直径，微纳光纤的总色散可以有零色散，或非常大的反常色散。 j l o ue ta 1 通过解三层圆柱波导里的m a x w e l l 方程，讨论了在微纳光纤外 镀一层不同材料的薄膜对波导色散特性的影响【3 8 1 。计算结果表明，微纳光纤的 波导色散可以通过外层的极薄的不同折射率的薄膜实现调控。这个结果对实现微 7 纳光纤的非线性器件等基于色散特性的应用有启发意义 3 5 传输特性的调控 由参考文献【3 l 】得知，微纳光纤在空气中有很强的倏逝场，且所占的分额随 着微纳光纤的直径减少而增大。基于这个特性，微纳光纤周围的倏逝场可以通过 与原子或者微粒的相互作用而实现对微纳光纤透射特性的调控；反过来，不同参 数的微观粒子处于微纳光纤的倏逝场中时，其透射特性的变化也可用于构建传感 器等器件。 s w a n ge ta 1 通过采用圆形微粒的r a y l e i g h g a n s 散射模型从理论上计算 了微纳光纤的倏逝场与其相互作用的情况【3 9 1 。研究发现，圆形微粒的散射效率 随微粒的直径增加而增加，随微粒的折射率增加而增加，而随波长的增加而减小。 当探测波长固定时，对于某一给定的微粒直径和折射率，微纳光纤的直径存在一 个最优值，此时散射效率最大。此外，文中还讨论了基于在微纳光纤附近的微粒 散射特性而构建微粒传感器的可能性，并发现对于适当的微纳光纤直径，可探测 到的微粒直径可小至约9 0n l n 。 i d c h r e m m o se ta 1 则通过用光波导里的并矢格林函数和微粒中的m i e 散 射球面波展开的方法研究了微纳光纤和介质微粒相互作用的问题1 4 0 1 。研究中发 现，对于一定折射率和一定直径的介质微粒而言，特定直径的微纳光纤的散射效 率最高。而对于直径较大的微粒，在与微纳光纤相互作用的透射谱中可以观察到 与偏振相关的透射尖峰，这是由于微纳光纤在介质微粒中激发起t e 波和t m 波 的w g m 模式。 除了介质微粒外，原子也可以散射微纳光纤的传导光。由于原子的共振吸收 截面与波长平方成正比，则当原子的共振吸收波长和微纳光纤传导的波长接近 时，可发生较强的散射。在基于微纳光纤对铯原子自发辐射过程影响的基础上，f - l k i e n 研究了铯原子对微纳光纤倏逝场的散射特性【4 1 ，4 2 1 。研究中发现，微纳光 纤对场的约束程度、微纳光纤中纵向的场分量和横向的p o y n t i n g 分量、微纳光 纤对自发辐射的加速以及铯原子基态的简并均对散射过程有影响。当单个铯原子 处于直径为4 0 0n n l 的氧化硅微纳光纤表面时，其对8 5 2a m 的传导光的总散射效 率为6 0 ，其中散射至传导模的效率为1 6 ( 前向传导模和后向传导模各占8 ) ， 散射至辐射模的为4 4 ，因此，传导光的透射效率降至4 8 。 逝婆太堂蠖堂焦监塞基王篮堑垣挂性数垡纳光红墨鲑盈究 除了微粒与原子外，微纳光纤的内部或表面形成周期性介质结构时可对传 导光形成显著的调制作用。w l i a n ge ta 1 用位相法在直径为6 岬的微纳光纤上 刻蚀形成b r a g g 光栅【4 3 1 。当宽带光通过微纳光纤时，光栅的b r a g g 反射波长附近 处反射谱对应一个反射峰。由于微纳光纤的倏逝场对光纤外介质的折射率敏感， 若微纳光纤光栅位于不同折射率的介质环境中，反射蜂的位置不同。文中还利用 两个b r a g g 光栅在微纳光纤上形成f a b r y p e r o t 腔。除了在微纳波导内形成周期 性介质结构外，还可用周围介质形成周期结构而实现传输特性的调控。c j b a r r e l e te la 1 则将纳米线置于光子晶体光栅衬底上，利用光子晶体光栅改变纳米 线的传输特性f 删。这为微纳光纤的传输特性的调控提供了很好的启示。 3 6 约束的增强及其应用 由于微纳光纤可以将传导光约束在波长甚至亚波长量级，在同样的输入功率 下，用微纳光纤可以实现很强的光场。另外微纳光纤损耗比其他微纳波导都小， 这有利于实现长距离的光与波导材料的相互作用。通过选择不同直径的微纳光纤 可以实现不同的波导色散，这对与实现参量非线性过程非常有利。由于微纳光纤 的材料一般为各向同性的非晶材料，所以微纳光纤中的非线性光学现象主要集中 在如下与x ( 3 ) 有关的非线性过程： 三次谐波的产生1 4 5 】； 受激拉曼散射阎； 自位相调制【8 ，4 6 1 ； 光孤子的形成与传播1 4 7 1 ； 超连续光谱的产 2 4 , 4 9 - 5 0 ； 对于不同直径的微纳光纤，其模场在光纤内和空气中的分布不同。若微纳光 纤直径很小，微纳光纤的模场大部分在空气中，和光纤材料相互作用的有效模场 截面很小，则有效非线性系数也很小。若光纤直径较大，则传导模式在光纤中扩 展的较大，同样的输入功率对应的光强较小，有效非线性系数也较小。故当微纳 光纤是特定大小时，有效非线性系数取到最大值。a z h e l t i k o v 和m a f o s t e re t a 1 均对此在理论上做了详尽的计算 5 1 , 5 2 】。 一般而言，微纳光纤的材料都是各向同性的非晶材料，妒) 一般为零，z 3 ) 不 为零。基于此，vg r u b s k ye ta 1 研究了用氧化硅微纳光纤中实现了较高效率的 9 1 0 6 4n n l 泵浦光三倍频的过程【4 卯，倍频过程中的位相匹配由微纳光纤中模式色散 而实现。实验中也发现的有二倍频的现象，研究者把它归因于空气氧化硅界面 的影响。 在反常的群速度色散和自位相调制同时作用下，用超短脉冲光在波导中传输 可实现孤子压缩，这被研究者用来在微纳光纤中实现单周期的超短光脉冲【4 7 1 。 当光脉冲在时域压缩时，对应着频域的展宽。当泵浦光波长处于微纳光纤的零色 散波长附近时，可以在微纳光纤中产生超连续光谱 2 4 , 4 5 - 5 0 ；研究表明，超连续光 谱的产生与自位相调制、孤子、拉曼散射、四波混频均有关系【s 3 - s s 。 4 微纳光纤的器件研究进展及应用 由于微纳光纤制作方便，且具有上述的种种特性，研究者们展开了基于微纳 光纤应用和器件的大量研究。如表1 1 所列。由于器件的实现方法和实验细节各 不相同，内容繁多，各器件间相对独立，详细内容请参阅相关文献，本文不做详 细阐述。 本文的结构与内容介绍 综合上述研究进展，本文的内容分为如下几个部分： 在第一章中介绍了微纳光纤及其器件的研究背景和进展； 在第二章中通过解柱坐标系下的m a x w e l l 方程组，研究了微纳光纤的模场特 性及耦合特性。内容包括单根微纳光纤之内和周围的电场分布、光强的分布和色 散特性，以及两根平行放置的微纳光纤闻的倏逝波耦合特性；这些特性是实现微 纳光纤器件的前提。 在第三章中详细介绍了用酒精灯加热熔融的方法制备微纳光纤的工艺流程 以及特性表征，包括氧化硅微纳光纤和玻璃微纳光纤两种。制备方法是实现微纳 光纤器件的实验基础。 在第四章和第五章为微纳光纤器件研究部分，是本文的主要内容。第四章介 绍了微纳光纤结型谐振腔以及基于结型腔的激光器，包括器件制作以及理论建模 分析两部分，作为有源器件的典型。其中理论建模分析为主要内容，重点分析了 实现泵浦光的临界耦合时微纳光纤结型腔激光器的优异性能；第五章介绍了在衬 1 0 底上通过微纳光纤间的倏逝波耦合而形成耦合器，以及在耦合器的制作基础上实 现微型m a c h z e h n d e r 干涉仪的制作过程，作为无源器件的典型 第六章为本文内容的总结和对微纳光纤及其器件研究的展望。 表1 1 微纳光纤的应用研究一览表 参考文献 1 p - k i r c h a i na n dl k i m e r l i n g “ar o a d m a pf o rn a n o p h o t o n i c s ，”n a t u r e p h o t o n 1 3 0 3 3 0 5 ( 2 0 0 7 ) 2 k k l e e d r l i m ，a n dl c k i m e r l i n g ， f a b r i c a t i o no fs i s i o w a v e g u i d eb yr o u g h n e s sr e d u c t i o n ，o p t l e t t ，2 6 ，18 8 8 - 18 9 0 ( 2 0 01 ) 3 s l l i n ，e c h o w vh i e t a l 毛，p r v i l l e n e u v e ，a n dj d j o a n n o p o u l o s ， “e x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o no fg u i d i n ga n db e n d i n go fe l e c t r o m a g n e t i c 肠y e si nap