光子晶體光纖光柵的制備方法與應(yīng)用

光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)是近年來(lái)興起的、十分引人入勝的一種具有微結(jié)構(gòu)的新型硅玻璃光纖。光纖光柵的出現(xiàn)是光纖技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)具有里程碑意義的事件，在光通信及光傳感領(lǐng)域獲得極為廣泛的應(yīng)用。而PCF是在普通光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)變革上迅猛發(fā)展起來(lái)的、具有諸多奇異光學(xué)特性的玻璃硅導(dǎo)材料。隨著PCF的研究深入及PCFG制備技術(shù)的完善，研制基于PCFG的新型光子器件也逐步成為光電子學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。

自1996年英國(guó)Bath大學(xué)的Knight等人首次制造了具有光子晶體包層的光纖后[1]，PCF由于具有一系列“奇異”的光學(xué)特性而倍受重視[2,3,4,5]。PCF，又稱微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured Optical Fiber, MOF)或多孔光纖(Holey Fiber, HF)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是光纖橫截面具有周期性微孔結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于PCF包層微孔的大小與波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)相同，故可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)微孔大小、填充率以及排列等方式獲得一系列“奇異”的光學(xué)性質(zhì)。與常規(guī)光纖相比，PCF具有如下獨(dú)特的光學(xué)特性：無(wú)窮盡單模傳輸[2]、高非線性[3]、大模場(chǎng)面積[4]、可控色散特性[5]等?；诖?，PCF不僅有可能成為比常規(guī)光纖更優(yōu)異的光傳輸介質(zhì)，而且還可以用來(lái)制作各種前所未有的、功能新奇的光子器件。因此，具有周期結(jié)構(gòu)的PCF已迅速成為光電子領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)[6,7]。

圖1 PCF的電子掃描顯微鏡圖。(a)～(d)為不同空氣孔填充率及排列分布的空氣硅包層微結(jié)構(gòu)光纖;(e)光子禁帶光纖。

近年來(lái)，隨著PCF的理論研究逐步深入及其制造技術(shù)和工藝的不斷完善，基于PCF的器件及其應(yīng)用正方興未艾，其中包括基于模式耦合的PCF器件，如濾波器等。因此，在PCF上寫入光柵就成為研制基于PCF模式耦合器的基礎(chǔ)。

光纖光柵是光纖導(dǎo)波介質(zhì)中物理結(jié)構(gòu)的周期性分布，是一種新型的光無(wú)源器件，其作用在于改變或控制光波在該區(qū)域的傳播行為與方式。光纖光柵的出現(xiàn)，深刻地影響著光纖信息傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)及光子器件的研制，它使許多復(fù)雜的全光纖通信和傳感網(wǎng)絡(luò)成為可能，極大地拓寬了光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍[8]。目前，高速率、大容量的DWDM通信技術(shù)及高精度、多參數(shù)、分布式傳感技術(shù)的發(fā)展對(duì)FG的性能和靈活性提出了更高的要求，如光柵諧振波長(zhǎng)可以調(diào)諧、包層模耦合可以控制以及對(duì)應(yīng)變和溫度等物理量更加敏感等，從而促使發(fā)展新的、特殊光纖光柵。

PCF和傳統(tǒng)的光纖光柵寫入技術(shù)結(jié)合為制造新型的光纖光柵提供了良機(jī)。自1999年B.J.Eggleton等人首次報(bào)道在PCF上寫入光纖布喇格光柵(Photonic Fiber Bragg Grating, PFBG)和長(zhǎng)周期光纖光柵(Photonic Long Period Grating, PLPG)以來(lái)[9]，光子晶體光纖光柵(Photonic Crystal Fiber Grating, PCFG)的制備方法及理論分析正成為人們研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的光纖光柵相比，PCFG具有如下特性：二維或多維光子晶體、設(shè)計(jì)自由度大(如單芯或多芯、空氣孔可填充介質(zhì)等)、波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬(可達(dá)100nm以上)、可進(jìn)行多參量、多功能感測(cè)等。PCF及PCFG的出現(xiàn)，將促進(jìn)并產(chǎn)生全新的性能優(yōu)異的新一代光纖光子器件，由此可能導(dǎo)致現(xiàn)代光纖技術(shù)的新跨越。

1 光子晶體光纖光柵的制備方法

傳統(tǒng)光纖光柵的寫制方法如相位模板法、振幅模板法、CO2激光加熱法等較成熟，已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。對(duì)于PCF，其包層為空氣孔結(jié)構(gòu)，如何在其上寫制光柵并制造出基于PCFG的器件，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

1.1 紫外曝光法寫制PCFG

1999年，Eggleton等人利用紫外曝光相位模板法首次在纖芯摻鍺的PCF上寫入FBG和LPG[9]。PFBG的透射譜如圖2所示，PLPG的透射譜如圖3所示。利用該方法寫制PCFG的還有南開(kāi)大學(xué)光電子研究組。

紫外曝光技術(shù)寫制PCFG的優(yōu)點(diǎn)是沿襲了傳統(tǒng)光纖光柵寫制技術(shù)，繼承性好，技術(shù)比較成熟，且具備批量生產(chǎn)條件。但這種方法要求在纖芯摻雜稀土元素以增強(qiáng)其光敏性，這會(huì)造成PCF的生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，增加額外成本;而且在纖芯上摻雜其它元素，一定程度上會(huì)破壞光在纖芯的傳導(dǎo)特性。

1.2 熱激成柵法寫制PCFG

為了彌補(bǔ)紫外曝光技術(shù)需摻雜的不足，近年來(lái)已開(kāi)始探討在純硅纖芯的PCF上寫入光柵。2002年，G. Kakarantzas等人利用CO2激光在純硅纖芯的PCF上熱激蝕刻實(shí)現(xiàn)了LPG的寫制[10]。其原理為：利用較高能量的CO2激光長(zhǎng)時(shí)間聚焦到PCF上，使得該處的空氣孔坍塌，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制激光束的開(kāi)關(guān)及掃描等過(guò)程，可在光纖軸向上形成周期性結(jié)構(gòu)微擾(即PLPG)。2003年，新加坡的Yinian Zhu等人也利用類似的方法寫制PLPG[11]。

熱激成柵法具有周期可調(diào)、靈活性高、對(duì)光源相干性要求低等優(yōu)點(diǎn);但由于空氣孔的坍塌而導(dǎo)致入射光的插入損耗增加，而且把激光光束精確聚焦到僅幾十個(gè)微米的包層也不是一件容易的事情。

為此，有人提出用另一種熱激成柵方式--電弧感生微彎法。2003年Humbert. G.等人也利用此法在純硅纖芯的PCF上寫制LPG[12]。相比用CO2激光作為熱源，該方法的優(yōu)點(diǎn)是不必使空氣孔完全坍塌，就能獲得周期性的折射率的改變，插入損耗較小;而且更容易實(shí)現(xiàn)切趾技術(shù)，獲得更優(yōu)良的濾波特性。

熱激成柵法(包括CO2激光熱處理、電弧加熱)寫制PLPG，獲得的PLPG是純結(jié)構(gòu)性的微擾，具有對(duì)溫度不敏感的特性，能克服紫外曝光法寫制的光柵性質(zhì)不穩(wěn)定的缺點(diǎn);另外，熱激成柵法一般是在包層中寫入光柵，PCF的纖芯可不必?fù)芥N，能簡(jiǎn)化PCF的生產(chǎn)工藝及降低生產(chǎn)成本。但受步進(jìn)裝置及光斑大小或電弧尺寸的限制，熱激成柵法只能寫制PLPG。

1.3 機(jī)械壓力法寫制PCFG

2004年，韓國(guó)的Jong H. Lim等人提出了利用機(jī)械壓力在PCF上寫制LPG的方法[13]。該壓力裝置有一個(gè)平板面和一個(gè)凹槽面。PCF夾在兩個(gè)面間，利用彈光效應(yīng)，在受壓點(diǎn)獲得微小的折射率的改變而寫入光柵。旋轉(zhuǎn)底座可改變PCF與凹槽間的角度，從而使PLPG獲得不同的光柵周期，進(jìn)而獲得不同的諧振波長(zhǎng);改變施加在凹槽的壓力大小, 則可改變PLPG的耦合強(qiáng)度。

利用機(jī)械壓力法壓制PLPG，具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、光柵諧振波長(zhǎng)及耦合強(qiáng)度可控等優(yōu)點(diǎn);尚不足的是光柵效應(yīng)不可久留，反復(fù)施壓會(huì)損壞PCF包層。

1.4 雙光子吸收法寫制PCFG

2003年，N.Groothoff等人利用雙光子吸收的方法，在純硅纖芯PCF上寫入PFBG[14]。他們用ArF準(zhǔn)分子激光器發(fā)出波長(zhǎng)為193nm、脈寬為15ns的脈沖，重復(fù)率為40Hz，單脈沖能量約為250mJ/cm2。脈沖激光通過(guò)光闌、柱面鏡后聚焦到PCF上，約3.8個(gè)小時(shí)后，獲得中心波長(zhǎng)在1533nm附近，諧振峰的強(qiáng)度約為14dB的PFBG。由于脈沖能量較大，以致造成硅玻璃的氧化而損壞光纖，如果在氦氣等稀有氣體環(huán)境下寫入光柵則可以減輕氧化程度。

利用雙光子吸收這種寫制技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：可在不摻雜的PCF上寫入FBG，且寫制的PFBG能有效抑制旁瓣效應(yīng)，具有良好的溫度穩(wěn)定性。但此方法對(duì)寫制環(huán)境的要求較高，寫制時(shí)間也比較長(zhǎng)。

綜合分析上述各種PCFG制備技術(shù)，紫外曝光法具有很好的繼承性，有比較成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，可通過(guò)改進(jìn)、升級(jí)原有的光柵寫入裝置來(lái)制備PCFG，適合大規(guī)模生產(chǎn)。而熱激成柵法、機(jī)械應(yīng)力法及雙光子吸收法都可在純硅纖芯的PCF上寫制光柵，能減少PCF的摻雜工藝，降低生產(chǎn)成本;其中，熱激成柵法及雙光子吸收法制備的PCFG是純結(jié)構(gòu)性的，具有良好的溫度穩(wěn)定性。不足的是熱激成柵法一般只能制備PLPG，機(jī)械應(yīng)力法則不能獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定PCFG，雙光子吸收法則對(duì)寫制環(huán)境要求高。除了以上介紹的方法，我們還可以探討利用飛秒激光脈沖熱激、機(jī)械刻槽、腐蝕刻槽等方法制備PCFG。在PCFG的制備中，我們可根據(jù)實(shí)際情況及寫制要求，選擇最優(yōu)化的寫制方法。

2 光子晶體光纖光柵的應(yīng)用

光纖光柵的出現(xiàn)是光纖技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)具有里程碑意義的事件，在光通信及光傳感領(lǐng)域獲得極為廣泛的應(yīng)用。而PCF是在普通光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)變革上迅猛發(fā)展起來(lái)的、具有諸多奇異光學(xué)特性的玻璃硅導(dǎo)材料。隨著PCF的研究深入及PCFG制備技術(shù)的完善，研制基于PCFG的新型光子器件也逐步成為光電子學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。

2.1 外界折射率不敏感的PCFG

傳統(tǒng)光纖光柵的包層諧振波是在空氣硅界面上相干反射形成，如果光柵所處的外界環(huán)境發(fā)生變化，則其傳輸譜亦隨之改變。雖然這種效應(yīng)可以用來(lái)測(cè)量外部折射率、濃度等物理量;但是在測(cè)其它參量時(shí)，往往需要剔除外界環(huán)境變化因素，即需要具有對(duì)外界折射率不敏感的性質(zhì)光纖光柵器件。在文獻(xiàn)[9]中，該作者把PCFG浸入折射率n=1.457的匹配液中，其透射譜幾乎不變，如圖2(a)、3中的虛線所示。他們的實(shí)驗(yàn)表明：PCFG高階泄露模基本不受光纖外部折射率的影響，寫入的PCFG濾波性質(zhì)由光纖橫截面的氣孔周期陣列結(jié)構(gòu)及填充物的屬性所決定，即PCFG對(duì)外界折射率具有良好的不敏感性質(zhì)。我們認(rèn)為，這主要是由于PCF的空氣包層結(jié)構(gòu)造成的：光波由纖芯耦合進(jìn)入包層，當(dāng)傳播抵達(dá)內(nèi)硅層與空氣之間的界面時(shí)發(fā)生反射;這樣包層模被局限在纖芯與周圍最近的空氣孔之間，基本沒(méi)有能量的泄漏，即外界環(huán)境的變化不會(huì)影響其傳輸特性。這種對(duì)外界折射率不敏感的性質(zhì)，用在傳感領(lǐng)域可以剔除外界擾動(dòng)因素，從而獲得高精度的測(cè)量結(jié)果;用在通信領(lǐng)域則可使系統(tǒng)在不同環(huán)境下，如海洋、水庫(kù)、油田等，保持光的傳輸性質(zhì)不變。

2.2 對(duì)溫度不敏感的PCFG

傳統(tǒng)光纖光柵已在傳感領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，比如用于應(yīng)力、應(yīng)變、位移等物理量的測(cè)量，但是由于其對(duì)應(yīng)力、溫度都具敏感性，這種交叉敏感效應(yīng)給應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)參量感測(cè)帶來(lái)誤差。為了消除溫度/應(yīng)力交叉敏感效應(yīng)，人們通過(guò)巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出不少解決的辦法[15]。

利用熱激成柵法及雙光子吸收法寫制的PCFG，是對(duì)PCF結(jié)構(gòu)的微擾而產(chǎn)生的，本身具有對(duì)溫度不敏感的性質(zhì)，自然也就消除了溫度/應(yīng)力交叉效應(yīng)。如Humbert. G.等人利用電弧加熱的熱激成柵法寫制的PLPGs，在1595nm諧振峰處測(cè)得其溫度靈敏度僅為9pm/oC[12]，小于Eggleton等人寫制的PCFG的溫度靈敏度20 pm/oC[9]，更遠(yuǎn)小于普通單模光纖光柵的溫漂能力。又如普通FBG在500oC高溫時(shí)就會(huì)被擦除，但N.Groothoff等人利用雙光子吸收法寫制的PFBG在500oC高溫下的透射譜與常溫下的透射譜幾乎一樣，具有良好的溫度穩(wěn)定性[14]。這種對(duì)溫度不敏感的PCFG在光通信及光傳感領(lǐng)域都有重要作用。

2.3 大范圍寬帶調(diào)諧濾波器

可調(diào)諧濾波器是密集波分復(fù)用系統(tǒng)(DWDM)的關(guān)鍵器件之一，并已應(yīng)用于EDFA的動(dòng)態(tài)增益平坦中;但普通光纖光柵濾波器的調(diào)諧范圍較窄，使其實(shí)際應(yīng)用受到限制。2000年，B.J.Eggleton、P.S.Westbrook 等人，在PCF上(纖芯摻鍺)，寫入PLPG，其周期為550 [9,16]。然后在PCF的包層氣孔中注入丙烯酸聚合物，其在室溫下的折射率略大于硅玻璃的折射率，并通過(guò)紫外光照射加速聚合物的凝固，從而制備出聚合物-硅混合波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)光纖光柵，如圖4(a)所示。該聚合物-硅混合波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)光纖光柵從25~120oC的溫度區(qū)間，其諧振波長(zhǎng)漂移量超過(guò)100nm，為普通FG的10倍以上，如圖4(b)所示，其中的諧波是纖芯基模與低階包層模耦合產(chǎn)生的。他們利用聚合物折射率隨溫度增加而減小的特性，獲得了超過(guò)100nm的大范圍帶寬調(diào)諧能力，可用來(lái)制造適用于大容量光通信領(lǐng)域的調(diào)諧濾波器等相關(guān)器件。

此外，PCFG作為高反元件，PCFG還可以用于光纖激光器的腔鏡制作;也可用于全PCF的Mach-Zehnder干涉儀[17]。另外，隨著研究的深入，PCFG也可應(yīng)用于波分復(fù)用、光孤子通信、超窄光脈沖、多維傳感等領(lǐng)域。

3 展 望

本文介紹了國(guó)內(nèi)外PCFG的最新寫制方法，并介紹了其在光通信及光傳感中的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，我們課題組已率先寫制出PFBG，并對(duì)PFBG溫度和應(yīng)變傳感特性進(jìn)行了初步研究。在有關(guān)PCFG的機(jī)理分析、寫制方法和工藝技術(shù)等方面，我們已取得一些初步的成果。作者認(rèn)為，通過(guò)改建、升級(jí)原有的普通光纖光柵寫入設(shè)備，利用已積累的光纖光柵制備技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，可望在特種PCFG的寫制以及PCFG制作的標(biāo)準(zhǔn)化、工程化等方面取得突破。

隨著PCFG的成功制備以及對(duì)PCFG認(rèn)識(shí)的加深，各種基于PCFG的光子器件的研制，如各種PCFG激光器、PCFG放大器、PCFG濾波器以及PCFG多維傳感器等，也將隨之興起和發(fā)展。而研制結(jié)構(gòu)新穎、功能優(yōu)異的各種基于PCFG的新型光子器件，結(jié)合應(yīng)用具有“奇異”光學(xué)特性的PCF，將給光纖技術(shù)的深遠(yuǎn)發(fā)展帶來(lái)重大突破，為光通信與光傳感的發(fā)展提供新思路、新方法及新技術(shù)，并為設(shè)計(jì)、研制基于PCFG的新一代性能優(yōu)異的光子器件開(kāi)辟?gòu)V闊的應(yīng)用領(lǐng)域。