光子晶体光纤在非通讯领域的应用

光子晶体光纤在非通讯领域的应用

1光子晶体光纤原理1987年，贝尔通信研究所的e.yabronovitch和斯图尔茨物理研究所的s.约翰斯大林斯图尔赫（johnfsta）在《物理评估》一阶中发表了光绪性。通过在三维空间周期性改变介质折射率的办法,可以人为地创造出类似于半导体材料晶格禁带的光子禁带(Photonicbandgap)。光子带隙结构能够阻断特定频率的光子,从而将光子局限在特定空间内。由光子晶体发展而来的光子晶体光纤(Photoniccrystalfiber)也称为多孔空心光纤(Holeyfiber),是一类微结构光纤(Microstructureopticalfiber)。通过在光纤横截面上引入空气孔二维阵列,使光纤横截面上的折射率发生周期性变化而产生光子禁带,从而使光沿着光纤轴向传播。光子晶体光纤的概念由P.Russell教授在1991年提出,但当时未公开发表论文。Russell教授认为,如果把二维空间的折射率周期性变化引入到光纤横截面中并沿着光纤的轴向作一维无限延伸,这种二维光子晶体结构将有可能把光局限在光纤中央结构缺陷中而使光子仅仅在光纤轴向具有自由度,从而可以使光沿着光纤轴向传播。在光纤横截面上引入周期性排列的空气孔结构而实现折射率调制,不同于传统的阶跃型光纤(Step-indexfiber),后者是基于纤芯和包层的材料不同、折射率不同而发生全反射导光原理,而光子晶体光纤仅仅需要一种材料就可以形成光波导。这种创新想法颠覆了当时光纤研究的主流思想,受到很多学者的质疑。1996年Russell教授首次制备出这种具有空气孔微结构的光纤,并成功地展示了光纤只支持单模的特殊性能。此后,随着制备工艺逐步完善,多样的光纤结构、不同的光纤性能和实际应用被陆续实现,光子晶体光纤成为近20年来特种光纤领域的研究热点。近年来,光子晶体光纤在超连续光谱、光纤放大器/激光器、光纤传感等方面的研究和开发得到了长足的发展,商品化的产品逐步出现,如丹麦的NKTphotonics、英国的Fianium推出了基于光子晶体光纤的超连续谱光源产品。其它典型应用还包括大模场面积高功率光纤激光器和光纤传感器等。2光刻光的分类、导光机制和制造技术2.1光子带隙光纤光子晶体光纤大致分为两大类:实心光子晶体光纤和空心光子晶体光纤,如图1所示。这两类光子晶体光纤的共同点在于光纤包层中都具有二维周期性排列的空气孔结构。实心光子晶体光纤中光的传导是基于全反射原理。从图1(a)和(c)可以看出,实心光子晶体光纤纤芯和包层使用的是同一种材料,材料本身不存在折射率上的差异,而阶跃型光纤的纤芯和包层使用的是折射率不同的两种材料。实心光子晶体光纤由于在包层中引入了空气孔,因而降低了包层材料的有效折射率,从而实现光在纤芯及包层界面上的全反射。与之相反,空心光子晶体光纤的纤芯对应的是一个较大的空气孔(图1(b)),其折射率低于包层的有效折射率,全反射原理不再适用。由于包层中的周期性排列的点阵结构形成了二维布喇格光栅,满足布喇格反射条件的光就会被局限在中央空心缺陷中,从而使光沿光纤轴向传播。这种导光机制称为光子带隙效应。光子带隙效应对光纤微结构的均匀性和光纤参数有较高的要求,导光窗口极大地依赖于光纤的结构参数,因此光纤的制备难度远远高于实心光子晶体光纤。在光纤制备过程中通过控制空气孔中的气压可以改变包层空气孔的直径d以及孔间距Λ来调整空气占空比(Air-filling-fraction,AFF)(见图2)。空气占空比可以简单理解为光纤的包层中玻璃与空气的面积之比。它是影响实心光子晶体光纤性能的一个重要参数,其数值的大小直接决定了光纤的非线性系数和色散曲线。通过改变拉丝过程中的气压来控制包层空气孔的大小或空气占空比,从同一根光纤预制棒既可以制备出空气占空比极高的高非线性光纤(如图1(c)所示,d/Λ=0.98,AFF=0.87),也可以制备出只支持单模传输、空气占空比较小的大模场面积(约500μm2)、无截止单模光纤(Endlesslysingle-modefiber)(如图1(a)所示,d/Λ=0.4,AFF=0.145)。与实心光子晶体光纤的全反射导光原理完全不同,空心光子晶体光纤在导光机制上又可细分为两类:光子带隙光纤(图1(b))和Kagomé晶格空心光纤(Kagomélatticehollowcorefiber)(图1(d))。这两种光纤结构上的差异在于光纤包层结构空气孔之间的三角形间隙是否闭合,而这一结构上的微小差异源自于拉丝过程中的结构控制,导致光纤的导光机制迥异。包层中空气孔之间的三角形间隙闭合之后形成周期性分布的高折射率点阵,从而形成光子带隙。光子带隙可以用一维布喇格光栅(One-dimensionalBragggrating)来理解。当某一频率的光入射至折射率周期性变化的一维光栅,只有严格满足布喇格定律的光才有可能反射回纤芯中,从而沿光纤的轴向传播,因此光子带隙光纤的导光窗口较窄。Kagomé晶格光纤的导光是基于反谐振反射光波导(Anti-resonantreflectingopticalwaveguide,AR-ROW)理论,如图3所示。ARROW光波导导光机制可以理解为低折射率的空心纤芯周围环绕一圈高折射率的玻璃薄层(图3(a))。高折射率的玻璃层可视为一个法布里-珀罗谐振腔(Fabry-Perotresonator)。满足谐振条件某一频率的光会在谐振腔中相干加强而无法在纤芯中传播,在光纤透射光谱中对应透射率最低的位置(图3(b))。反之,如果某一频率的光在此谐振腔的是反谐振的,那就会被反射回低折射率的纤芯中实现光在空心纤芯中传播。2.2玻璃的堆拉光子晶体光纤常用的制备方法有堆拉法(Stackanddraw)和挤出法(Extrusion)两种。其它一些方法,比如化学腐蚀法、机械钻孔法等,不是常用的方法,使用面较窄。相对于堆拉法,挤出法更适用于工作温度只有几百度的多组分玻璃。对于软化温度在1650℃以上,拉丝温度在1800℃以上的石英玻璃而言,尚无可行的挤出办法。无论是石英玻璃还是多组分玻璃,堆拉法都被证明是可行的,是成熟的光子晶体光纤制备技术。图4为堆拉法制备光子晶体光纤的流程。首先将玻璃管(外径10~20mm)在拉丝塔上拉成直径为1~2mm的毛细管;第二步,将毛细管用堆栈的方式有序地排列成需要的微结构;第三步,将毛细管堆套入一根玻璃管中拉制成外径为1~2mm的光纤预制棒。最后将预制棒拉制成所需的光子晶体光纤。毛细管堆栈方式不同,最后的成品光纤可以具有不同的微结构,而这些光纤结构上的差异决定了其光学性能。利用堆拉法可以灵活制备不同种类的光子晶体光纤,如图5所示。2.3新材料的影响目前,90%的光子晶体光纤都采用石英玻璃制备。石英玻璃作为通信光纤的首选材料,具有极佳的稳定性、极高的原材料纯度以及成熟的拉丝技术。然而,受限于材料的本征吸收,石英玻璃光子晶体光纤虽然在可见及近红外区间具有良好的导光性能,但在2μm以上材料的吸收损耗以指数上升,影响到光纤的光学性能。因此,选用新材料(多组分玻璃,或称软玻璃),比如铅硅玻璃、碲酸盐和锗酸盐重金属氧化物玻璃、氟化物和硫化物玻璃等,对于研究和开发新型光波导和光纤器件有重要意义,特别是软玻璃的中红外传输性能(重金属氧化物玻璃5~6μm,氟化物玻璃7~8μm,硫系玻璃10~20μm)是石英玻璃无法相比的。除了工作窗口拓展到中红外区之外,软玻璃通常还具有高非线性、高折射率、高稀土掺杂浓度等特点,适合于研制中红外光纤激光器/放大器、化学/生物学传感器等。不过,软玻璃光子晶体光纤的制备难度远远高于石英玻璃光子晶体光纤,主要原因在于玻璃的不稳定性以及极小的拉丝温度区间。石英玻璃拉丝温度调节范围可达200~300℃,碲酸盐玻璃只有30℃,而氟化物玻璃甚至可能小于10℃。玻璃拉丝温度区间很窄时,由于玻璃粘度随温度变化过于剧烈而很难控制,很难维持光纤的微结构。3用硅光刻色散光3.1光纤单模支持下的光纤光纤实心光子晶体光纤与传统的阶跃型光纤虽然都是全反射原理导光,但是前者可以通过控制光纤结构,具体来讲是控制包层空气占空比和纤芯大小来获得期望的色散曲线,如图6所示。在石英玻璃高非线性光子晶体光纤中,若限定空气占空比AFF=0.8,逐渐减小纤芯的直径,可以在很大程度上对光纤的色散进行调整,而这在传统的阶跃光纤中是很难实现的。另一方面,某些应用对光纤支持的模式有较高的要求。在实心光子晶体光纤中,如果包层中空气孔直径和孔间距的比值小于0.4,那么这类光纤就只支持单模传输。因为光纤的单模特性不依赖于纤芯的大小,那么利用这个特性可以制备出超大模场面积、只支持单模的光纤并用于研制高功率光纤激光器。早在2003年,德国耶拿大学的A.Tunnermann教授等就利用实心光子晶体光纤的这一特性开发出输出功率80W、模场面积350μm2的光纤激光器,所使用的掺镱光纤的结构如图7所示。3.2在高非线性的光子晶体光纤中产生超连续光的方案超连续谱光源是高非线性光子晶体光纤最为成功的应用之一。将高功率的皮秒或者飞秒脉冲激光耦合至光纤中,激发多重光学非线性效应,可以实现激光频谱的展宽。频谱展宽的过程包含了多种非线性效应,包括四波混频、自相位调制、交叉相位调制、拉曼效应、光孤子自频率频移等。在光子晶体光纤中产生超连续光谱对于光纤有严格的要求,需要调整它的结构参数将光纤的零色散点调整到泵浦激光波长附近,但略小于激光脉冲的波长。激光脉冲在光纤的反常色散区,光纤色散接近于零的位置泵浦,就可以引发光孤子的产生。而光孤子和拉曼效应能有效将光谱往低频方向上展宽。与此同时,其它的非线性效应,如在光纤的正常色散区产生的四波混频、自相位调制、交叉相位调制以及色散波也能进一步展宽整个频谱。在块状样品中产生超连续光需要106~109W的脉冲峰值功率,相比之下,在高非线性的光子晶体光纤中产生超连续光只需要微焦甚至纳焦量级的脉冲能量,这得益于光子晶体光纤色散可调以及纤芯的有效面积可以远小于普通单模光纤的设计。图8对比了不同种类的超连续谱光源的频谱及输出光强。包括普通白炽灯(Incandescentlamp)、超辐射发光二极管(Superluminescentlightemittingdiode,SLED)、光纤放大自发辐射(Fiberamplifiedspontaneousemission)、纳秒和皮秒脉冲激光泵浦光子晶体光纤产生的超连续光谱(PCFSCsource)。英国Fianium公司商品化的一种超连续谱光源产品,采用平均功率10W,脉冲宽度5ps的皮秒激光泵浦,输出功率为6.5W,输出光谱覆盖0.4~2.2μm。3.3空心光子带隙光纤光子晶体光纤被用于研制气体、液体、生物、压力等各类传感器。YU等采用ARROW光纤研究了乙炔气体传感器。Jin等在7cm长的空心光子带隙光纤上用飞秒激光每隔1cm打一个孔,制备了一种高灵敏度、快速响应的甲烷气体传感器。此外,他们还在75m长的空心光子带隙光纤上用飞秒激光打孔,研制分布式气体传感器。光子晶体光纤由于具有特殊结构,在研制高灵敏度的传感器方面具有显著的优势,发展潜力巨大。4光子晶体光纤对光子晶体光纤的发展历史、种类、导光机