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光子晶体光纤光栅的制备措施及其应用

宣布时间:2010年08月18日 11:08    宣布者:lavida
要害词: 光纤 , 光栅 , 光子晶体
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)是近年来兴起的、很是引人入胜的一种具有微结构的新型硅玻璃光纤。自1996年英国Bath年夜学的Knight等人首次制造了具有光子晶体包层的光纤后,PCF由于具有一系列“希奇”的光学特点而倍受看重。PCF,又称微结构光纤(Microstructured Optical Fiber, MOF)或多孔光纤(Holey Fiber, HF),其结构特点是光纤横截面具有周期性微孔结构,如图1所示。由于PCF包层微孔的年夜小与波长数目级类似,故可经由历程优化设计微孔年夜小、填充率和排列等要领取得一系列“希奇”的光学性子。与老例光纤相比,PCF具有以下希奇的光学特点:无限尽单模传输、高非线性、年夜模排场积、可控色散特点等。基于此,PCF不只需能够成为比老例光纤更优良的光传输介质,而且还可以用来制造种种史无前例的、功效新鲜的光子器件。是以,具有周期结构的PCF已迅速成为光电子领域的前沿热门。  


  
图1 PCF的电子扫描显微镜图。(a)~(d)为不合空气孔填充率及排列漫衍的空气硅包层微结构光纤;(e)光子禁带光纤。  

近年来,随着PCF的现实研究徐徐深刻及其制造手艺和工艺的赓续完善,基于PCF的器件及其应用正向阳东升,其中网罗基于形式耦合的PCF器件,如滤波器等。是以,在PCF上写入光栅就成为研制基于PCF形式耦合器的基础。  

光纤光栅是光纤导波介质中物理结构的周期性漫衍,是一种新型的光无源器件,其作用在于改变或控制光波在该区域的撒播行动与要领。光纤光栅的泛起,深刻地影响着光纤信息传输的设计及光子器件的研制,它使许多严重年夜的全光纤通讯和传感群集成为能够,极年夜地拓宽了光纤手艺的应用规模。现在,高速率、年夜容量的DWDM通讯手艺及高精度、多参数、漫衍式传感手艺的生长对FG的性能和无邪性提出了更高的请求,如光栅谐振波长可以调谐、包层模耦合可以控制和对应变和温度等物理量加倍敏感等,从而促使生长新的、特殊光纤光栅。  

PCF和传统的光纤光栅写入手艺联络为制造新型的光纤光栅供应了良机。自1999年B.J.Eggleton等人首次报导在PCF上写入光纤布喇格光栅(Photonic Fiber Bragg Grating, PFBG)和长周期光纤光栅(Photonic Long Period Grating, PLPG)以来,光子晶体光纤光栅(Photonic Crystal Fiber Grating, PCFG)的制备措施及现实剖析正成为人们研究的热门。与传统的光纤光栅相比,PCFG具有以下特点:二维或多维光子晶体、设计自在度年夜(如单芯或多芯、空气孔可填充介质等)、波长调谐规模宽(可达100nm以上)、可阻拦多参量、多功效感测等。PCF及PCFG的泛起,将促进并发生全新的性能优良的新一代光纤光子器件,由此能够招致现代光纤手艺的新逾越。  

1 光子晶体光纤光栅的制备措施  

传统光纤光栅的写制措施如相位模板法、振幅模板法、CO2激光加热法等较成熟,已完成批量临盆。关于PCF,其包层为空气孔结构,怎样在其上写制光栅并制造出基于PCFG的器件,成为近年来的研究热门。  

1.1 紫外暴光法写制PCFG  

1999年,Eggleton等人应用紫外暴光相位模板法首次在纤芯掺锗的PCF上写入FBG和LPG。PFBG的透射谱如图2所示,PLPG的透射谱如图3所示。应用该措施写制PCFG的尚有南开年夜学光电子研究组。  


  
紫外暴光手艺写制PCFG的优点是因循了传统光纤光栅写制手艺,一连性好,手艺较量成熟,且具有批量临盆条件。但这类措施请求在纤芯搀杂稀土元素以增强其光敏性,这会组成PCF的临盆历程严重年夜,增添特殊资源;而且在纤芯上搀杂其它元素,一定水平上会破损光在纤芯的传导特点。  

1.2 热激成栅法写制PCFG  

为了填补紫外暴光手艺需搀杂的缺乏,近年来已泉源探讨在纯硅纤芯的PCF上写入光栅。2002年,G. Kakarantzas等人应用CO2激光在纯硅纤芯的PCF上热激蚀刻完成了LPG的写制。其原理为:应用较高能量的CO2激光长时间聚焦到PCF上,使得该处的空气孔坍塌,应用盘算机自动控制激光束的开关及扫描等历程,可在光纤轴向上组成周期性结构微扰(即PLPG)。2003年,新加坡的Yinian Zhu等人也应用类似的措施写制PLPG。  

热激成栅法具有周期可调、无邪性高、对光源相关性请求高等优点;但由于空气孔的坍塌而招致入射光的拔出消耗增添,而且把激光光束准确聚焦到仅几十个微米的包层也不是一件容易的使命。  

为此,有人提出用此外一种热激成栅要领—电弧感生微弯法。2003年Humbert. G.等人也应用此法在纯硅纤芯的PCF上写制LPG。相比用CO2激光作为热源,该措施的优点是不用使空气孔完全坍塌,便可以取得周期性的折射率的改变,拔出消耗较小;而且更容易完成切趾手艺,取得更优良的滤波特点。  

热激成栅法(网罗CO2激光热处置赏罚赏罚、电弧加热)写制PLPG,取得的PLPG是纯结构性的微扰,具有对温度不敏感的特点,能战胜紫外暴光法写制的光栅性子不稳固的弱点;另外,热激成栅法浅易是在包层中写入光栅,PCF的纤芯可不用掺锗,能简化PCF的临盆工艺及下出世产资源。但受步进装配及光斑年夜小或电弧尺寸的限制,热激成栅法只能写制PLPG。  

1.3 机械压力法写制PCFG  

2004年,韩国的Jong H. Lim等人提出了应用机械压力在PCF上写制LPG的措施。该压力装配有一个平板面和一个凹槽面。PCF夹在两个面间,应用弹光效应,在受压点取得眇小的折射率的改变而写入光栅。改变底座可改变PCF与凹槽间的角度,从而使PLPG取得不合的光栅周期,进而取得不合的谐振波长;改变施加在凹槽的压力年夜小, 则可改变PLPG的耦合强度。  

应用机械压力法压制PLPG,具无机构质朴、光栅谐振波长及耦合强度可控等优点;尚缺乏的是光栅效应弗成久留,重复施压会破损PCF包层。  

1.4 双光子吸收法写制PCFG  

2003年,N.Groothoff等人应用双光子吸收的措施,在纯硅纤芯PCF上写入PFBG。他们用ArF准分子激光器收回波长为193nm、脉宽为15ns的脉冲,重复率为40Hz,单脉冲能量约为250mJ/cm2。脉冲激光经由历程光阑、柱面镜后聚焦到PCF上,约3.8个小时后,取得中央波长在1533nm相近,谐振峰的强度约为14dB的PFBG。由于脉冲能量较年夜,以致组成硅玻璃的氧化而破损光纤,假定在氦气等有数气体情形下写入光栅则可以减轻氧化水平。  

应用双光子吸收这类写制手艺具有以下优点:可在不搀杂的PCF上写入FBG,且写制的PFBG能有用榨取旁瓣效应,具有优胜的温度稳固性。但此措施对写制情形的请求较高,写制时间也较量长。  

综合剖析上述种种PCFG制备手艺,紫外暴光法具有很好的一连性,有较量成熟的手艺基础,可经由历程刷新、升级原来的光栅写入装配来制备PCFG,合适年夜规模临盆。而热激成栅法、机械应力法及双光子吸收法都可在纯硅纤芯的PCF上写制光栅,能增添PCF的搀杂工艺,下出世产资源;其中,热激成栅法及双光子吸收法制备的PCFG是纯结构性的,具有优胜的温度稳固性。缺乏的是热激成栅法浅易只能制备PLPG,机械应力轨则不克不及取得耐久稳固PCFG,双光子吸收轨则对写制情形请求高。除以上简介的措施,我们还可以探讨应用飞秒激光脉冲热激、机械刻槽、侵蚀刻槽等措施制备PCFG。在PCFG的制备中,我们可凭证现内情形及写制请求,选择最优化的写制措施。  

2 光子晶体光纤光栅的应用  

光纤光栅的泛起是光纤手艺生长的又一个具有里程碑意义的事宜,在光通讯及光传感领域取得极端普遍的应用。而PCF是在浅易光纤波导结构厘革上迅猛生长起来的、具有诸多希奇光学特点的玻璃硅导质料。随着PCF的研究深刻及PCFG制备手艺的完善,研制基于PCFG的新型光子器件也徐徐成为光电子学领域的前沿课题。  

2.1 外界折射率不敏感的PCFG  

传统光纤光栅的包层谐振波是在空气硅界面上相关反射组成,假定光栅所处的外界情形发生变换,则其传输谱亦随之改变。虽然这类效应可以用来丈量外部折射率、浓度等物理量;然则在测其它参量时,经常须要剔除外界情形变换因素,即须要具有对外界折射率不敏感的性子光纤光栅器件。在文献中,该作者把PCFG浸入折射率n=1.457的婚配液中,其透射谱简直稳固,如图2(a)、3中的虚线所示。他们的实验注解:PCFG高阶走漏模基本不受光纤外部折射率的影响,写入的PCFG滤波性子由光纤横截面的气孔周期阵列结构及填充物的属性所决议,即PCFG对外界折射率具有优胜的不敏理性子。我们以为,这主若是由于PCF的空气包层结构组成的:光波由纤芯耦合进入包层,当撒播抵达内硅层与空气之间的界面时发生反射;这样包层模被局限在纤芯与周围比来的空气孔之间,基本没有能量的走漏,即外界情形的变换不会影响其传输特点。这类对外界折射率不敏感的性子,用在传感领域可以剔除外界扰启航分,从而取得高精度的丈量效果;用在通讯领域则可使系统在不合情形下,如陆地、水库、油田等,保持光的传输性子稳固。  

2.2 对温度不敏感的PCFG  

传统光纤光栅已在传感领域取得普遍应用,好比用于应力、应变、位移等物理量的丈量,然则由于其对应力、温度都具敏理性,这类交织敏感效应给应力、应变等力学参量感测带来误差。为了扫除温度/应力交织敏感效应,人们经由历程巧妙结构设计提出许多处置赏罚赏罚的措施[15]。  

应用热激成栅法及双光子吸收法写制的PCFG,是对PCF结构的微扰而发生的,自己具有对温度不敏感的性子,自然也就扫除温度/应力交织效应。如Humbert. G.等人应用电弧加热的热激成栅法写制的PLPGs,在1595nm谐振峰处测得其温度迅速度仅为9pm/oC[12],小于Eggleton等人写制的PCFG的温度迅速度20 pm/oC,更远小于浅易单模光纤光栅的温漂才干。又如浅易FBG在500oC高温时就会被擦除,但N.Groothoff等人应用双光子吸收法写制的PFBG在500oC高温下的透射谱与常温下的透射谱简直一样,具有优胜的温度稳固性[14]。这类对温度不敏感的PCFG在光通讯及光传感领域都有主要作用。  

2.3 年夜规模宽带调谐滤波器  

可调谐滤波器是辘集波分复用系统(DWDM)的要害器件之一,并已应用于EDFA的静态增益平展中;但浅易光纤光栅滤波器的调谐规模较窄,使着实际应用遭到限制。2000年,B.J.Eggleton、P.S.Westbrook 等人,在PCF上(纤芯掺锗),写入PLPG,其周期为550 [9,16]。然后在PCF的包层气孔中注入丙烯酸聚合物,其在室温下的折射率略年夜于硅玻璃的折射率,并经由历程紫外光照射加速聚合物的凝集,从而制备出聚合物-硅混淆波导微结构光纤光栅,如图4(a)所示。该聚合物-硅混淆波导微结构光纤光栅从25"120oC的温度区间,其谐振波长漂移量逾越100nm,为浅易FG的10倍以上,如图4(b)所示,其中的谐波是纤芯基模与低阶包层模耦合发生的。他们应用聚合物折射率随温度增添而减小的特点,取得了逾越100nm的年夜规模带宽调谐才干,可用来制造适用于年夜容量光通讯领域的调谐滤波器等相关器件。  


  
此外,PCFG作为高反元件,PCFG还可以用于光纤激光器的腔镜制造;也可用于全PCF的Mach-Zehnder干预干与干与仪[17]。另外,随着研究的深刻,PCFG也可应用于波分复用、光孤子通讯、超窄光脉冲、多维传感等领域。  

3 展 望  

本文简介了国内外PCFG的最新写制措施,并简介了其在光通讯及光传感中的应用。在国际,我们课题组已率先写制出PFBG,并对PFBG温度和应变传感特点阻拦了泉源研究。在有关PCFG的机理剖析、写制措施和工艺手艺等方面,我们已取得一些泉源的效果。作者以为,经由历程改建、升级原来的浅易光纤光栅写入装备,应用已积累的光纤光栅制备手艺履历,可望在特种PCFG的写制和PCFG制造的尺度化、工程化等方面取得突破。  

随着PCFG的告成制备和对PCFG熟悉的加深,种种基于PCFG的光子器件的研制,如种种PCFG激光器、PCFG镌汰年夜器、PCFG滤波器和PCFG多维传感器等,也将随之兴起和生长。而研制结构新鲜、功效优良的种种基于PCFG的新型光子器件,联络运用具有“希奇”光学特点的PCF,将给光纤手艺的深远生长带来严严重年夜突破,为光通讯与光传感的生长供应新思绪、新措施及新手艺,并为设计、研制基于PCFG的新一代性能优良的光子器件开发辽阔的应用领域。
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