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數(shù)量級相同，故可通過優(yōu)化設(shè)計微孔大小、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具有如下獨特的光學(xué)特性：無窮盡單模傳輸[2]、高非線性[3]、大模場面積[4]、可控色散特性[5]等?；诖耍琍CF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[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，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FG的性能和靈活性提出了更高的要求，如光柵諧振波長可以調(diào)諧、包層模耦合可以控制以及對應(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。自1999年B.J.Eggleton等人首次報道在PCF上寫入光纖布喇格光柵(Photonic Fiber Bragg Grating, PFBG)和長周期光纖光柵(Photonic Long Period Grating, PLPG)以來[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。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)計自由度大(如單芯或多芯、空氣孔可填充介質(zhì)等)、波長調(diào)諧范圍寬(可達100nm以上)、可進行多參量、多功能感測等。PCF及PCFG的出現(xiàn)，將促進并產(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，已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。對于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，成為近年來的研究熱點。

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的還有南開大學(xué)光電子研究組。

紫外曝光技術(shù)寫制PCFG的優(yōu)點是沿襲了傳統(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其光敏性，這會造成PCF的生產(chǎn)過程復(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

為了彌補紫外曝光技術(shù)需摻雜的不足，近年來已開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上熱激蝕刻實現(xiàn)了LPG的寫制[10]。其原理為：利用較高能量的CO2激光長時間聚焦到PCF上，使得該處的空氣孔坍塌，利用計算機自動控制激光束的開關(guān)及掃描等過程，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、對光源相干性要求低等優(yōu)點;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;另外，熱激成柵法一般是在包層中寫入光柵，PCF的纖芯可不必摻鍺，能簡化PCF的生產(chǎn)工藝及降低生產(chǎn)成本。但受步進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 機械壓力法寫制PCFG

2004年，韓國的Jong H. Lim等人提出了利用機械壓力在PCF上寫制LPG的方法[13]。該壓力裝置有一個平板面和一個凹槽面。PCF夾在兩個面間，利用彈光效應(yīng)，在受壓點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，進而獲得不同的諧振波長;改變施加在凹槽的壓力大小, 則可改變PLPG的耦合強度。

利用機械壓力法壓制PLPG，具有機構(gòu)簡單、光柵諧振波長及耦合強度可控等優(yōu)點;尚不足的是光柵效應(yīng)不可久留，反復(fù)施壓會損壞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準分子激光器發(fā)出波長為193nm、脈寬為15ns的脈沖，重復(fù)率為40Hz，單脈沖能量約為250mJ/cm2。脈沖激光通過光闌、柱面鏡后聚焦到PCF上，約3.8個小時后，獲得中心波長在1533nm附近，諧振峰的強度約為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：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。但此方法對寫制環(huán)境的要求較高，寫制時間也比較長。

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)，可通過改進、升級原有的光柵寫入裝置來制備PCFG，適合大規(guī)模生產(chǎn)。而熱激成柵法、機械應(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，機械應(yīng)力法則不能獲得長期穩(wěn)定PCFG，雙光子吸收法則對寫制環(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)可以用來測量外部折射率、濃度等物理量;但是在測其它參量時，往往需要剔除外界環(huán)境變化因素，即需要具有對外界折射率不敏感的性質(zhì)光纖光柵器件。在文獻[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。他們的實驗表明：PCFG高階泄露?；静皇芄饫w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對外界折射率具有良好的不敏感性質(zhì)。我們認為，這主要是由于PCF的空氣包層結(jié)構(gòu)造成的：光波由纖芯耦合進入包層，當傳播抵達內(nèi)硅層與空氣之間的界面時發(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，基本沒有能量的泄漏，即外界環(huán)境的變化不會影響其傳輸特性。這種對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因素，從而獲得高精度的測量結(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、油田等，保持光的傳輸性質(zhì)不變。

2.2 對溫度不敏感的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、位移等物理量的測量，但是由于其對應(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)參量感測帶來誤差。為了消除溫度/應(yīng)力交叉敏感效應(yīng)，人們通過巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計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PCF結(jié)構(gòu)的微擾而產(chǎn)生的，本身具有對溫度不敏感的性質(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高溫時就會被擦除，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，其諧振波長漂移量超過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100nm的大范圍帶寬調(diào)諧能力，可用來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。在國內(nèi)，我們課題組已率先寫制出PFBG，并對PFBG溫度和應(yīng)變傳感特性進行了初步研究。在有關(guān)PCFG的機理分析、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。作者認為，通過改建、升級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，可望在特種PCFG的寫制以及PCFG制作的標準化、工程化等方面取得突破。

隨著PCFG的成功制備以及對PCFG認識的加深，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)的深遠發(fā)展帶來重大突破，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、研制基于PCFG的新一代性能優(yōu)異的光子器件開辟廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。