微納光纖

進入 21 世紀，伴隨光纖通信朝着超高速、超大容量和超長距離的方向發展，以及器件設計理論和製備工藝技術的發展，人們對器件工作性能和集成度的要求不斷提高，器件的微型化已成為科學技術研究與應用的重要趨勢之一。 其中，微納光波導是研究微納光子學現象和構築微納光子器件的重要基石，是當前納米光子學領域的研究熱點之一。 與其它種類的微納光波導 （如硅基平面波導、 金屬表面等離子體波導）相比，微納光纖具有極低的耦合損耗 、粗糙度極低的波導表面、高折射率差的強限制光場、大百分比的倏逝場、極輕的質量和靈活的色散特性等優點。 這些特性使得微納光纖在光纖光學、近場光學、非線性光學和量子光學等基礎研究和微納尺度的光傳輸、 耦合、調製、諧振、放大和傳感等器件方面都具有潛在的應用價值，近年來吸引了越來越多研究者的注意 ^[1]  。

近年來， 微納光纖以其損耗小、 價格低 廉、 易 於批量生產等優點， 被廣泛應用於探測、 醫療、 通信等各個領域， 發揮着不可或缺的作用。微納光纖的製造工藝和結構特性， 微納光纖對於光場的調製， 以及微納光纖對於輸出光束的光束質量的影響等受到人們越來越多的關注。孫偉民等研究了熔錐光纖的製作工藝及測量方法； 孫愛娟等研究了熔錐光纖的傳輸特性； 張娜等利用錐形光纖製作了測量液體參量的傳感器； 李立波等利用錐形光纖實現了對大 模 場 光 纖 激 光 器 光 束 質 量 的 改 善； 段 雲 峯等利用熔融拉錐光纖製作了全光纖的脈衝光纖放大器； Orucevic等研究了錐形光纖近場的傳輸情況； Mi y azaki等使用拉錐的多模光纖來獲得小尺寸的光斑； Brambilla等研 究 了 錐 形 光 纖 的 製作和應用 ^[2]  。

19 世紀 80 年代，英國科學家 Boys 等人就嘗試從高温熔融的礦石中拉制出玻璃細絲，並研究它們的機械性能和用途。 由於當時條件和技術的限制，沒有深入研究。 直到一個世紀以後，當光波導理論完整地建立起來之後，研究者才開始對這些由玻璃光纖拉制而成的微納光纖的光學用途展開研究。 由於玻璃材料的非晶性和黏滯特性，採用火焰或激光加熱拉伸玻璃光纖可以很容易地獲得直徑小至微米量級的光纖。 一個典型的微納光纖拉制系統中用一個可以往返移動的火焰對一根普通裸光纖進行加熱，當光纖中部被加熱至軟化温度時，在光纖兩端施加一定的拉力使光纖向兩邊拉伸，通過精確控制加熱源的温度和拉伸速度，可以在光纖中部獲得微納光纖。 採用該方法制備的微納光纖具有表面光滑度高、直徑均勻性好、長度較長和便於後續操作等特點 ^[1]  。

為獲得直徑更小的微納光纖，童利民等提出火焰加熱二步拉伸法：採用微米量級直徑的微納光纖作為原材料，通過加熱的藍寶石光纖錐約束和穩定高温拉伸區，進一步拉伸製備小至 50nm 的微納光纖，並且保持着良好的直徑均勻度。 為了提高所製備的微納光纖的重複性和降低光學傳輸損耗，Brambilla 等通過改進商用光纖耦合器製作裝置的加熱源，高重複性地製備了超低損耗的微納光纖；Sumetsky 等和 Ward 等使用 CO2 激 光、陳 險 峯 等採 用 金 屬 電 加 熱 作 為 加熱 源，均 由 普 通 玻 璃 光纖成功製備出微納光纖 ^[1]  。

雖然採用上述方法容易製備出高質 量的微納光纖，但均需要利用傳統玻璃光纖作為原材料，這很大程度上限制了微納光纖的材料。 為了擴充微納光纖種類，探索由各種材料製備的微納光纖的特性並研究其構建的微納光子器件的功能，童利民等又提出了從塊狀或粉末狀玻璃材料中直接拉制微納光纖的方法，減 少 了 對 原 材 料 的 量 的 需 求 。 此 外 ，Harfenist 等、Yang 等、Gu 等和李寶軍等還通過各種方法制備具有良好光學傳輸特性的高分子材料微納光纖 ^[1]  。

微納光纖主要用於傳導光能，對其而言，光學損耗是重要參數。童利民等人在測試中發現，633nm 波長的光在直徑為 190nm 的氧化硅微納光纖中傳輸，其傳輸損耗為 1.7dB/mm[3]，與其它同尺寸大小的微納光波導相比其傳輸損耗小得多。 目前已經報道的氧化硅微納光纖在 1550nm 波長處最低損耗約為 1.4dB/m ^[1]  。

微納光纖的包層一般為空氣或者水 等低折射率介質，纖芯和包層折射率差較大，光纖對光場的約束能力很強，因此，微納光纖彎曲損耗很低，虞華康等對微納光纖彎曲損耗進行了相對系統的理論研究。 同時，因為折射率差較大，傳統光纖用來研究其模場分佈特性的弱導條件已不再適用。 童利民等通過精確求解 Maxwell 方程組， 給出微納光纖基模的模場分佈和羣速度色散等特性：一般而言，當微納光纖直徑大於傳輸光波長時，它對模場的約束能力隨着直徑減小而增大；當直徑減小到波長或亞波長量級時，模場面積將達到一個極小值，相應微納光纖的光場約束能力達到最大值（如果選擇恰當的微納光纖，模場的等效直徑可達到亞波長量級）；若進一步減小微納光纖直徑，它的光場約束能力將逐漸減弱， 模場也隨之擴散，從而導致相當大比例的光能量（可高達 90%）以圍繞光纖表面的倏逝波的形式傳輸。 Sumetsky 等從理論上預測了當微納光纖直徑小於傳輸光波長的 1/10 時，微納光纖將不能用來作為傳導光介質。 Chen 等用亞波長的太赫茲波導證實了上述結論；Kien 等對微納光纖模場分佈的解析表達式做了詳細分析；Huang 等採用數值模擬的方法，比較系統地研究了兩根微納光纖之間倏逝波耦合情況；Wang 等從理論上詳細分析了微納光纖傳導模受端面的影響情況以及輸出特性 ^[1]  。

波導色散在光脈衝傳輸和光纖非線 性效應中有着重要的意義。 童利民等通過計算微納光纖中傳導模羣速度和波長的關係，獲得微納光纖的波導色散遠大於弱導光纖的波導色散和材料色散的結論。 而且，不同直徑的微納光纖在傳輸同一光波長時，波導色散也將發生明顯移動，因此，選擇恰當直徑的微納光纖可以對其波導色散進行有效調控。 微納光纖這種色散可調控的特性使其在與色散有關的光通信和非線性光學等領域中具有重要應用價值，例如，通過調控微納光纖色散，可以降低激發光的功率閾值、減小非線性相互作用長度等。 目前研究者已經在微納光纖中實現諸多非線性效應，例如三次諧波的產生、受激多喇曼散 射、光 孤 子 的 形 成 與 傳 播和 超 連 續 譜 的 產 生等 ^[1]  。

利用微納光纖操作簡單、 倏逝波耦合等特性，目前研究者們成功研製出多種基於微納光纖的諧振腔。根據諧振腔結構大致可分為 三類 ： 圈型諧 振腔(loopresonators)、結型諧振腔(knot resonators)和卷型 諧振腔(coil resonators)。 Sumetsky 等首先報道了將微納光纖繞圈形成諧振腔的方法：將微納光纖兩端通過拉錐端與單模光纖相連，藉助光學顯微鏡操作形成圈型結構。微納光纖圈型諧振腔的耦合區依靠靜電力、範德瓦爾力和摩擦力相互作用維持，諧振腔的自由光譜區取決於微納光纖圈的大小，諧振峯的形狀則與耦合係數有關，通過微調節光纖圈尺寸從而改變諧振腔的自由光譜區和諧振峯形狀 ^[1]  。

由於圈型結構耦合區是通過相互作用力來保持，容易受到外界環境干擾，結構不夠穩定，童利民等對結型諧振腔耦合區進行改進 ，通過將微納光纖相互纏繞，增加微納光纖間的摩擦力，形成結構更為穩定的結型諧振腔。 Jiang 等所製作的結型諧振腔的品質因子可達 10000 以上。 結型諧振腔可通過拉拽微納光纖的一端來改變諧振腔的大小，而且諧振腔可以在低折射率襯底表面或者液體中穩定工作。Sumetsky 等報道了微納光纖卷型諧振腔，它是多圈微納光纖間通過倏逝波耦合形成的三維結構諧振腔。由於微納光纖諧振腔具有高品質因子、小尺寸等特點，研究者們實現了多種微型光纖激光器。 Jiang 等用結型諧振腔實現了稀土摻雜的微型激光器。 實驗使用 975nm 波長激光作為泵浦光，當最大泵浦功率為12.8mW時，最大輸出功率約為 8μW。 此後他又實現了基於倏逝波增益的微納光纖結型染料激光器。 近期，肖堯等在光學顯微鏡下將單根 CdS 納米線摺疊成微環反射鏡，形成耦合的複合諧振腔結構，並通過遊標效應選模，實現其穩定的低閾值單模激光輸出 ^[1]  。

微納光纖具有小尺寸、大表面體積比、強倏逝波傳輸特性等特點， 使它們對外界環境表現出高靈敏、快響應速度和較低的探測極極限等優勢，因此在光學傳感方面具有潛在應用價值。 Polynkin 等報道了一款基於微納光纖的微流折射率傳感器，並用其測量不同濃度的甘油水溶液的折射率，實驗結果表明其測量精度約為 10-4 ^[1]  。Villatoro 等設計了一個用於測量氫氣濃度的微納光纖傳感器， 實驗中氫氣濃度為 3.9%時，該傳感器的響應時間約為 10s， 這比其它光學氫氣傳感器快了 3～5 倍。 谷付星等直接從摻雜的高分子溶液中拉制出具有特定功能的高分子納米線，並通過微納光纖倏逝波耦合的方式將光有效地輸入 、 輸出納米線，研製成了用來檢測濕度和氣體濃度的光學傳感器。 實驗中，單根聚丙烯酰胺（PAM）納米線可以檢測35%～88%的相對濕度，響應時間約為 30ms，比現有的電學濕度傳感器快 1～2 個量級； 單根溴百里香酚藍（BTB）摻 雜 的 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 脂 （PMMA） 納 米 線 對NH3 氣 體 的 靈 敏 度 可 以 達 到 3ppm， 響 應 時 間 約 為1.8s，這比傳統薄膜傳感器快很多。 此外，微納光纖在冷原子的俘獲與傳導、量子光學等領域也具有潛在應用價值 ^[1]  。

火 焰 熔 融 拉 錐 法 制 作 熔 錐 光 纖 ，首先將單模光纖用丙酮溶液浸泡， 以去除它的塗覆層。然後將其置於氫氧焰上加熱， 在其熔融過程中用計算機控制步進電機沿軸向向兩端勻速緩慢地拉伸光纖， 直至得到所需要的較細的錐腰尺寸為止。這種方法制成的微納光纖具有包層和纖芯直徑同步、 同比例變化的特點。一般認為在整個過程中，包層和纖芯直徑的比不變。與腐蝕法制作的錐形光纖相比， 熔錐光纖可以很好地將光場的各階模限制在纖芯裏面傳播，從而達到降低損耗的目的 ^[2]  。

FDTD 方法是 K．S．Yee於1966 年 提 出 的， 它直接對微分形式的麥克斯韋方程組做差分處理， 得到了關於場分量的有限差分式， 從而回答了電磁波在電磁介質中傳輸和反射等問題的算法。FDTD 計算域空間採用 Yee元胞的方法， 即每一個磁場周圍有四個電場分量， 同樣的每一個電場附近也有四個磁場分量。電 場 和 磁 場 在 空 間 和 時 間 域 上 交 替 抽樣， 用具有相同電參量的空間網格去模擬被研究體，選取合適的初始值和計算空間邊界條件， 可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數值解， 通過傅里葉變換 可 求 得 三 維 空 間 的 頻 域 解。採用FDTD 方法， 模擬了微納光纖對於光場強度分佈以及光束質量因子 M2 值的影響。對比通過普通單模光纖和通過熔錐微納光纖的輸出場強度分佈， 以及計算得到的它們各自的光束質量 M2 值可以明顯地看出熔錐得到的微納光纖對於光場分 布 以 及 光 束 質 量 M2 值 都 有 着 很 好 的 改 善作用 ^[2]  。