光子晶體光纖光柵的制備方法與�(yīng)�
光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)是近年來興起�、十分引人入勝的一種具有微�(jié)�(gòu)的新型硅玻璃光纖。光纖光柵的出現(xiàn)是光纖技�(shù)�(fā)展的又一�(gè)具有里程碑意義的事件，在光通信及光傳感�(lǐng)域獲得極為廣泛的�(yīng)�。而PCF是在普通光纖波�(dǎo)�(jié)�(gòu)變革上迅猛發(fā)展起來的、具有諸多奇異光�(xué)特性的玻璃硅導(dǎo)材料。隨著PCF的研究深入及PCFG制備技�(shù)的完�，研制基于PCFG的新型光子器件也逐步成為光電子學(xué)�(lǐng)域的前沿課題�
�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�(xué)特性而倍受重視[2,3,4,5]。PCF，又稱微�(jié)�(gòu)光纖(Microstructured Optical Fiber, MOF)或多孔光�(Holey Fiber, HF)，其�(jié)�(gòu)特點(diǎn)是光纖橫截面具有周期性微孔結(jié)�(gòu)，如�1所�。由于PCF包層微孔的大小與波長�(shù)量級(jí)相同，故可通過�(yōu)化設(shè)�(jì)微孔大小、填充率以及排列等方式獲得一系列“奇異”的光�(xué)性質(zhì)。與常規(guī)光纖相比，PCF具有如下�(dú)特的光學(xué)特性：無窮盡單模傳輸[2]、高非線性[3]、大模場(chǎng)面積[4]、可控色散特性[5]�?；�?，PCF不僅有可能成為比常規(guī)光纖更優(yōu)異的光傳輸介�(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�，具有周期結(jié)�(gòu)的PCF已迅速成為光電子�(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)[6,7]�
�1 PCF的電子掃描顯微鏡��(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)�(gòu)光纖;(e)光子禁帶光纖�
近年�，隨著PCF的理論研究逐步深入及其制造技�(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�，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�(zhì)中物理結(jié)�(gòu)的周期性分�，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�。光纖光柵的出現(xiàn)，深刻地影響著光纖信息傳�?shù)脑O(shè)�(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)�(luò)成為可能，極大地拓寬了光纖技�(shù)的應(yīng)用范圍[8]。目前，高速率、大容量的DWDM通信技�(shù)及高精度、多參數(shù)、分布式傳感技�(shù)的發(fā)展對(duì)FG的性能和靈活性提出了更高的要�，如光柵諧振波長可以�(diào)�、包層模耦合可以控制以及�(duì)�(yīng)變和溫度等物理量更加敏感�，從而促使發(fā)展新�、特殊光纖光柵�
PCF和傳�(tǒng)的光纖光柵寫入技�(shù)�(jié)合為制造新型的光纖光柵提供了良�(jī)。自1999年B.J.Eggleton等人首次�(bào)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�(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�，PCFG具有如下特性：二維或多維光子晶�、設(shè)�(jì)自由度大(如單芯或多芯、空氣孔可填充介�(zhì)�)、波長調(diào)諧范圍寬(可達(dá)100nm以上)、可�(jìn)行多參量、多功能感測(cè)等。PCF及PCFG的出�(xiàn)，將促�(jìn)并產(chǎn)生全新的性能�(yōu)異的新一代光纖光子器�，由此可能導(dǎo)致現(xiàn)代光纖技�(shù)的新跨越�
1 光子晶體光纖光柵的制備方�
傳統(tǒng)光纖光柵的寫制方法如相位模板�、振幅模板法、CO2激光加熱法等較成熟，已�(shí)�(xiàn)批量生產(chǎn)。對(duì)于PCF，其包層為空氣孔�(jié)�(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(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�2所�，PLPG的透射譜如�3所示。利用該方法寫制PCFG的還有南開大�(xué)光電子研究組�
紫外曝光技�(shù)寫制PCFG的優(yōu)�(diǎn)是沿襲了傳統(tǒng)光纖光柵寫制技�(shù)，繼承性好，技�(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�，這會(huì)造成PCF的生�(chǎn)過程�(fù)�，增加額外成�;而且在纖芯上摻雜其它元素，一定程度上�(huì)破壞光在纖芯的傳�(dǎo)特��
1.2 熱激成柵法寫制PCFG
為了彌補(bǔ)紫外曝光技�(shù)需摻雜的不�，近年來已開始探討在純硅纖芯的PCF上寫入光��2002年，G. Kakarantzas等人利用CO2激光在純硅纖芯的PCF上熱激蝕刻�(shí)�(xiàn)了LPG的寫制[10]。其原理為：利用較高能量的CO2激光長�(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�(guān)及掃描等過程，可在光纖軸向上形成周期性結(jié)�(gòu)微擾(即PLPG)�2003�，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�(diào)、靈活性高、對(duì)光源相干性要求低等優(yōu)�(diǎn);但由于空氣孔的坍塌而導(dǎo)致入射光的插入損耗增�，而且把激光光束精確聚焦到僅幾十�(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��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�(yōu)�(diǎn)是不必使空氣孔完全坍�，就能獲得周期性的折射率的改變，插入損耗較�;而且更容易實(shí)�(xiàn)切趾技�(shù)，獲得更�(yōu)良的濾波特��
熱激成柵�(包括CO2激光熱處理、電弧加�)寫制PLPG，獲得的PLPG是純�(jié)�(gòu)性的微擾，具有對(duì)溫度不敏感的特�，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，能簡化PCF的生�(chǎn)工藝及降低生�(chǎn)成本。但受步�(jìn)裝置及光斑大小或電弧尺寸的限�，熱激成柵法只能寫制PLPG�
1.3 �(jī)械壓力法寫制PCFG
2004年，韓國的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�(gè)平板面和一�(gè)凹槽靀PCF夾在兩�(gè)面間，利用彈光效�(yīng)，在受壓�(diǎn)獲得微小的折射率的改變而寫入光�。旋�(zhuǎn)底座可改變PCF與凹槽間的角�，從而使PLPG獲得不同的光柵周期，�(jìn)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�(qiáng)��
利用�(jī)械壓力法壓制PLPG，具有機(jī)�(gòu)簡單、光柵諧振波長及耦合�(qiáng)度可控等�(yōu)�(diǎn);尚不足的是光柵效�(yīng)不可久留，反�(fù)施壓�(huì)損壞PCF包層�
1.4 雙光子吸收法寫制PCFG
2003�，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�(zhǔn)分子激光器�(fā)出波長為193nm、脈寬為15ns的脈�，重�(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，�3.8�(gè)小時(shí)�，獲得中心波長在1533nm附近，諧振峰的強(qiáng)度約�14dB的PFBG。由于脈沖能量較�，以致造成硅玻璃的氧化而損壞光�，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�(shù)具有如下�(yōu)�(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�(yīng)，具有良好的溫度�(wěn)定�。但此方法對(duì)寫制�(huán)境的要求較高，寫制時(shí)間也比較��
綜合分析上述各種PCFG制備技�(shù)，紫外曝光法具有很好的繼承性，有比較成熟的技�(shù)基礎(chǔ)，可通過改�(jìn)、升�(jí)原有的光柵寫入裝置來制備PCFG，適合大�(guī)模生�(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�，能減少PCF的摻雜工�，降低生�(chǎn)成本;其中，熱激成柵法及雙光子吸收法制備的PCFG是純�(jié)�(gòu)性的，具有良好的溫度�(wěn)定性。不足的是熱激成柵法一般只能制備PLPG，機(jī)械應(yīng)力法則不能獲得長期穩(wěn)定PCFG，雙光子吸收法則�(duì)寫制�(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)�(shí)際情況及寫制要求，選擇最�(yōu)化的寫制方法�
2 光子晶體光纖光柵的應(yīng)�
光纖光柵的出�(xiàn)是光纖技�(shù)�(fā)展的又一�(gè)具有里程碑意義的事件，在光通信及光傳感�(lǐng)域獲得極為廣泛的�(yīng)�。而PCF是在普通光纖波�(dǎo)�(jié)�(gòu)變革上迅猛發(fā)展起來的、具有諸多奇異光�(xué)特性的玻璃硅導(dǎo)材料。隨著PCF的研究深入及PCFG制備技�(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)�(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�(huán)境發(fā)生變�，則其傳輸譜亦隨之改�。雖然這種效應(yīng)可以用來�(cè)量外部折射率、濃度等物理�;但是在測(cè)其它參量�(shí)，往往需要剔除外界環(huán)境變化因�，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]�，該作者把PCFG浸入折射率n=1.457的匹配液�，其透射譜幾乎不�，如�2(a)�3中的虛線所�。他們的�(shí)�(yàn)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)�(gòu)及填充物的屬性所決定，即PCFG�(duì)外界折射率具有良好的不敏感性質(zhì)。我們認(rèn)�，這主要是由于PCF的空氣包層結(jié)�(gòu)造成的：光波由纖芯耦合�(jìn)入包�，當(dāng)傳播抵達(dá)�(nèi)硅層與空氣之間的界面�(shí)�(fā)生反�;這樣包層模被局限在纖芯與周圍最近的空氣孔之�，基本沒有能量的泄漏，即外界�(huán)境的變化不會(huì)影響其傳輸特�。這種�(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�(dòng)因素，從而獲得高精度的測(cè)量結(jié)�;用在通信�(lǐng)域則可使系統(tǒng)在不同環(huán)境下，如海洋、水�、油田等，保持光的傳輸性質(zhì)不變�
2.2 �(duì)溫度不敏感的PCFG
傳統(tǒng)光纖光柵已在傳感�(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)�，比如用于應(yīng)力、應(yīng)�、位移等物理量的�(cè)量，但是由于其對(duì)�(yīng)�、溫度都具敏感�，這種交叉敏感效應(yīng)給應(yīng)�、應(yīng)變等力學(xué)參量感測(cè)帶來誤差。為了消除溫�/�(yīng)力交叉敏感效�(yīng)，人們通過巧妙�(jié)�(gòu)�(shè)�(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�(duì)PCF�(jié)�(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/�(yīng)力交叉效�(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�(cè)得其溫度靈敏度僅�9pm/oC[12]，小于Eggleton等人寫制的PCFG的溫度靈敏度20 pm/oC[9]，更�(yuǎn)小于普通單模光纖光柵的溫漂能力。又如普通FBG�500oC高溫�(shí)就會(huì)被擦除，但N.Groothoff等人利用雙光子吸收法寫制的PFBG�500oC高溫下的透射譜與常溫下的透射譜幾乎一�，具有良好的溫度�(wěn)定性[14]。這種�(duì)溫度不敏感的PCFG在光通信及光傳感�(lǐng)域都有重要作��
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�(tǒng)(DWDM)的關(guān)鍵器件之一，并已應(yīng)用于EDFA的動(dòng)�(tài)增益平坦�;但普通光纖光柵濾波器的調(diào)諧范圍較�，使其實(shí)際應(yīng)用受到限��2000�，B.J.Eggleton、P.S.Westbrook 等人，在PCF�(纖芯摻鍺)，寫入PLPG，其周期�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�，從而制備出聚合�-硅混合波�(dǎo)微結(jié)�(gòu)光纖光柵，如�4(a)所�。該聚合�-硅混合波�(dǎo)微結(jié)�(gòu)光纖光柵�25~120oC的溫度區(qū)�，其諧振波長漂移量超�100nm，為普通FG�10倍以上，如圖4(b)所�，其中的諧波是纖芯基模與低階包層模耦合�(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�100nm的大范圍帶寬�(diào)諧能�，可用來制造適用于大容量光通信�(lǐng)域的�(diào)諧濾波器等相�(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�;也可用于全PCF的Mach-Zehnder干涉儀[17]。另�，隨著研究的深入，PCFG也可�(yīng)用于波分�(fù)�、光孤子通信、超窄光脈沖、多維傳感等�(lǐng)域�
3 � �
本文介紹了國�(nèi)外PCFG的最新寫制方�，并介紹了其在光通信及光傳感中的�(yīng)�。在國內(nèi)，我們課題組已率先寫制出PFBG，并�(duì)PFBG溫度和應(yīng)變傳感特性�(jìn)行了初步研究。在有關(guān)PCFG的機(jī)理分�、寫制方法和工藝技�(shù)等方�，我們已取得一些初步的成果。作者認(rèn)�，通過改建、升�(jí)原有的普通光纖光柵寫入設(shè)�，利用已積累的光纖光柵制備技�(shù)�(jīng)�(yàn)，可望在特種PCFG的寫制以及PCFG制作的標(biāo)�(zhǔn)�、工程化等方面取得突破�
隨著PCFG的成功制備以及對(duì)PCFG�(rèn)�(shí)的加�，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�(fā)�。而研制結(jié)�(gòu)新穎、功能優(yōu)異的各種基于PCFG的新型光子器�，結(jié)合應(yīng)用具�“奇異”光學(xué)特性的PCF，將給光纖技�(shù)的深�(yuǎn)�(fā)展帶來重大突�，為光通信與光傳感的發(fā)展提供新思路、新方法及新技�(shù)，并為設(shè)�(jì)、研制基于PCFG的新一代性能�(yōu)異的光子器件開辟廣闊的應(yīng)用領(lǐng)��