微結構光纖

從20世紀70年代環形光纖的概念被提出以來,微結構光纖逐漸走入了人們的研究視野當中,微結構光纖的種類也變得多樣化。常用的微結構光纖有三種:

多孔微結構光纖又稱為光子晶體光纖(既F),最早於19%年英國Bath大學的首次製造了具有光子晶體包層的光纖。它是在石英光纖中沿軸向均勻排列着空氣孔,從光纖端面看,存在週期性的二維結構,如果其中一個孔遭到破壞和缺失,則會出現缺陷,光能夠在缺陷內傳播。與普通單模光纖不同,PCF是由其中週期性排列空氣孔的單一石英材料構成,所以又被稱為多孔光纖或微結構光纖。由於PCF的空氣孔的排列和大小有很大的控制餘地,可以根據需要設計PCF的光傳輸特性,所以它激起了人們濃厚的興趣。 ^[1] 

PCF橫截面具有周期性微孔結構,並且孔的大小與波長同一個數量級,故可通過優化設計微孔大小、填充率以及排列等方式獲得一系列“奇異”的光學性質。由於PCF結構的特殊性,它由於具有一系列“奇異,,的光學特性而倍受重視。與常規光纖相比,PcF相對於傳統光纖具有獨特的優勢:全波段單模傳輸、高非線性、大模場面積、可控色散特性等。基於此,PcF不僅有可能成為比常規光纖更優異的光傳輸介質,而且還可以用來製作各種前所未有的、功能新奇的光子器件,在頻率變換、色散補償、超連續譜的產生等領域都有着很大的應用前景。因此,具有周期結構的PCF已迅速成為光電子領域的熱點。 ^[1] 

根據PCF的導光原理,PCF可以分為兩類:

(1)光子帶隙型光子晶體光纖(PGB一PCF)合理設計包層空氣孔結構,可以使得包層沿着光纖橫截面上存在着光子禁帶。當導波頻率在包層禁帶範圍內時,光在包層不能傳播,從而被嚴格限制在纖芯中傳播。纖芯缺陷材料折射率比包層低,一般為空氣,想要在包層中形成光子禁帶,對空氣孔的週期性排列要求非常嚴格。

(2)全內反射式光子晶體光纖

全內反射式光子晶體光纖其結構與傳統光纖類似,不同之處在於這種光纖的包層結構是多孔結構。中心的實心缺陷為纖芯,包層的週期性多孔區域形成一種漸變折射率分佈,纖芯與包層之間通過引入空氣孔形成了一定的折射率差,使得光在包層區域發生全內反射,從而光可以在纖芯區域傳播。

布拉格光纖(Bragg fiber)是一種一維微結構光纖其纖芯一般為折射率較低的介質(通常是空氣),包層是徑向折射率一維高低週期性分佈的介電結構,也可以看作是多層介質鏡,光纖的模式由Bragg反射束縛在芯層中。Bragg光纖的包層區域的高低折射率介質的折射率差一般很大,又被稱為全向導波光纖或同軸光纖。

Bragg光纖相對於傳統的階躍光纖和梯度折射率光纖有幾個優點:

1.電磁波主要在纖芯的空氣區域,因而其傳輸損耗和材料色散很小;

2.基模場分佈圓周方向均勻,傳輸過程中偏振態不發生變化;

3.可在很寬波長範圍內單模工作;

4.通過結構參數設計、介質材料選取、工作波長確定可使零色散波長位於

單模範圍,在傳輸過程中保持脈衝形狀不變;

5.彎曲半徑到波長數量級時仍保持良好的導光能力等。

不過Bragg光纖由於折射率差很大,非線性效應較高,當傳輸的激光功率很高時,容易產生非線性,大大影響其作為高功率激光器和放大器性能。

瓣形微結構光纖又稱為瓣形光纖(SCF),是一種新型微結構光纖,最早由V.Rastogi,K.s.chiang等人於2001年提出,並在2004年拉制出了第一根瓣形微結構光纖1281。SCF纖芯為一種高折射率介質,包層為高低折射率介質相互交錯週期排列的瓣形分佈。

瓣形微結構光纖突出的優點在於具有大的單模尺寸。同光子晶體光纖不同的是,瓣狀光纖高低折射率介質的折射率差非常小,非線性係數小,便有效地減小了偏振模色散,適合於高速信號傳輸。此外,由於其大單模尺寸,在高功率的情況下,單位面積的功率比常規光纖小很多,能夠有效遏制非線性效應,減少高功率時光纖端面損傷,因此瓣狀光纖在高功率傳輸、高功率放大器和激光器中有很大的用途。 ^[1] 

微結構光纖作為一種新型光纖,有許多獨特特性,在光纖激光器和放大器應用中也有與眾不同的優勢。

微結構光纖可獲得非常大的模場面積,可以根據需要靈活地設計光纖模場面積。例如多孔微結構光纖可通過改變孔間距調節有效模場面積,調節範圍可到800。瓣形微結構光纖可通過光纖瓣數、折射率差、折射率係數、內外半徑來調節有效模場面積,調節範圍可達900。具有大模場面積的光纖可降低功率密度和非線性效應,並提高連續波和脈衝激光器系統的標定功率,這對開發光纖激光器和放大器非常有利,即能經受更高的功率,又不會達到使器件損傷的功率密度。大芯徑光纖還可調節波導色散,使單模截止移到更短的波長,並擴大有用的傳輸光譜。 ^[1] 

對於光子晶體光纖而言,其一個重要特點是其可以靈活控制的色散特性。就光子晶體光纖的結構特徵來説,它對波導色散有較高的控制性。常規光纖是在石英玻璃中摻雜而在截面內形成一定的折射率分佈製成的,由於材料不匹配會造成光纖損耗,因此纖芯和包層的折射率差不能過大.光子晶體光纖由單一材料(純二氧化硅)構成,它不存在常規光纖的材料不匹配現象。通過合理調節空氣孔的尺寸和間距,可以獲得較大的折射率差,從而更有效的控制波導色散。因此,通過設法改進PCF的波導結構就可以實現各種期望的色散特性。光子晶體光纖的一個重要特點是零色散點可以向短波長大大推進。傳統常規單模光纖的零色散點通常在1310nm處。而通過合理的調節PCF的氣孔大小和間距,可以將零色散點移至800nm左右。零色散點向短波長移動,使得PCF能夠在波長低於1.3μm獲得反常色散(正色散),這是傳統階躍光纖無法做到的,該反常色散特性第一次為短波光孤子傳輸提供了可能。另外,通過適當設計空氣孔的參數,可以在極寬的波段範圍內具有平坦色散瓣形微結構光纖中,色散特性也可以靈活調節。基於微結構瓣形微結構光纖結構的特殊性,它是由高折射率介質n,作纖芯,高低折射率介質(n、,n2)在角向週期性交錯排列作包層,形成一種花瓣形結構。其包層的折射率分佈可以等效成梯度折射率分佈。通過改變nl,瓣數N,相對摺射率差,折射率係數Y,內半徑a和外半徑b,得到不同的色散曲線。K.S.Chiang等人就通過設置合理的光纖參數,使得瓣形微結構光纖在全波段單模,單模直徑達到34μm,並且基模的色散損耗始終小於10dB/m。 ^[1] 

1961年snitzer研製了第一台光纖激光器,1964年Koester與Snitzer合作研究光纖放大器。到20世紀80年代後期,許多研究小組開始研究光纖激光器和放大器,使得這些項域取得了空前的發展。涉及到的研究領域有:稀土摻雜離子和光纖一作線性增益,二極管激光器泵浦的光纖激光器,摻欽和摻餌的光纖激光器,光纖激光器的調Q、鎖模、單縱模輸出以及光纖放大器方面的研究工作,用於1.05μm波段激光核聚變的摻鏡光纖激光器等,此外,德國漢堡技術大學,NTT,Hoya,日本的三菱,美國的polariodConoration,斯坦福大學和GTE等也在這方面的研究取得了顯著成果。從1989年開始,對鎖模光纖激光器的研究掀起新的熱潮,這類激光器能產生超短脈衝,並在光纖通信,超快現象、光纖傳感、慣性約束核聚變等方面有應用價值。 ^[1] 

微結構光纖放大器和激光器的基本結構與一般光纖放大器和激光器大材;相同。對於微結構光纖激光器,也是由增益介質、諧振腔與泵浦源組成的。增益介質為摻有稀土離子的微結構光纖,摻雜微結構光纖放置在兩個反射率經過選擇的腔鏡之間,泵浦光從光纖激光器的左邊腔鏡禍合進入光纖;諧振腔是兩個介質鏡構成的,實際上可以將介質膜直接鍍在光纖端面上,也可以採用定向禍合器或者光纖光柵等方式構成諧振腔,以形成激光振盪。

微結構光纖激光器基本原理如下:泵浦光通過稀土摻雜微結構光纖時,光纖中的稀土離子吸收泵浦光,躍遷到激光上能級,產生粒子數反轉。反轉後的粒子以受激輻射或自發輻射躍遷到激光下能級,即出現激光過程。由於受激發射是一種放大過程,要維持受激發射的增益,首先必須保證有足夠的反轉粒子數,泵浦是實現粒子數反轉的必要條件。泵浦由外部較高能量光源提供,由於泵浦能量高於激射能量,所以激射的光子的波長應比泵浦光子的波長長,這一特點為微結構光纖激器的實用化提供十分有利條件,即可以採用廉價的、成熟的GaAs半導體微結構光纖放大器與激光(振盪)器基於同一物理過程(受激輻射的光放大),其主要區別是激光放大器沒有諧振腔。工作物質在泵浦光作用下,處於粒子數反轉狀態,當信號光通過它時,由於入射光頻率與放大介質的增益譜線相重合,故激發態上的粒子在外來信號光的作用下產生受激輻射,這種輻射疊加到外來信號光上而得到放大。激光放大器要求工作物質具有足夠的反轉粒子數,以保證信號光通過它時得到的增益大於介質內部的各種損耗。另外,為了得到共振放大,要求放大介質的能級結構與輸入的信號光相匹配。 ^[1] 

表面等離子體波共振技術的研究始於20世紀60年代,起初只是稜鏡表面的等離子體波共振,1993年等人Jorgenson[96一98J等人提出了兩種基於光纖的表面等離子體(SPR)傳感裝置,使得光纖表面等離子體傳感技術得以實際應用。隨着近幾年微結構光纖研究的不斷深入,2004年以後表面等離子體技術被使用到微結構光纖中。

對於光纖表面等離子體增強應用來説,最困難的是光纖的模式與金屬膜之間的模式匹配,傳統光纖通過光纖的高階模與金屬膜實現模式匹配,為了讓高階模更好的禍合入金屬膜,光纖包層被剝去,或者在光纖包層處刻上一層光柵。微結構光纖與傳統光纖不同之處是微結構光纖的模式折射率可以用中心的小孔或者瓣形結構來降低,當兩者匹配時,傳播光與金屬膜之間的禍合也可以通過合理設計鍍膜位置來完成,極大地提高了禍合效率,並且由於微結構光纖纖芯很粗,在表面等離子體傳感應用具有獨特的優勢。 ^[1] 

微結構光纖在傳感器方面有很多應用,由於瓣形微結構光纖是很新的一種光纖,目前還沒有人報道在傳感方面的應用,故此處只介紹多孔微結構光纖在傳感中的常見的幾個應用。

(1)多孔微結構光纖彎曲傳感器:

一方面,當光纖受到彎曲作用時,彎曲損耗迅速增加,由透射光光強的變化可以測試出光纖的彎曲半徑。丹麥的Knudsen、Erik等人使用此方法進行彎曲損耗的測試。另一方面,對於雙芯或多芯的多孔微結構光纖,當它受到彎曲作用時,不同纖芯的光會產生光程差,從而導致干涉,通過測量干涉光就能夠得到彎曲半徑的大小。英國的w.N.MaePherson、M.J.oander等人就利用此方法實現了雙芯光纖彎曲度的測量,其彎曲分辨率為170 urad,相位分辨率為22urad。這種光纖中的兩個纖芯處於同一測量環境,抗温度影響能力較強,應用方便靈活,但對光纖本身結構要求較高。 ^[1] 

(2)多孔微結構光纖拉伸傳感器:

一方面,多孔微結構光纖在拉力作用下,光纖的結構參數會發生變化,色散特性也會隨之變化,通過測量色散的變化情況就能夠得到其長度的變化情況。另一方面,在傳統光纖中,引入一個參考臂,當拉力作用於光纖時,便會和參考臂之間產生一個光程差,在匯合處發生干涉。通過測量干涉,便能得到拉伸長度。這種方法的相位靈敏度可達90radkm。多孔微結構光纖也可使用這種方法,相對與傳統光纖,微結構光纖更容易在形變過程中保持單模,從而更好的滿足干涉條件 ^[1] 

(3)多孔微結構光纖氣體或液體傳感器:

在空氣孔中衝入氣體時,微結構光纖中傳輸的光強度會發生變化,通過測量輸出光強的變化就能夠測出光纖中充入的氣體種類。香港理工大學的YL.Hoo和W.Jin等人利用這種方法測試了光纖中的氣體。當空氣孔中充入包含某種介質的液體時,光纖出射端的光譜會發生改變,通過與不含介質的液體所得到的光譜作對比,可以得到包含的介質種類和濃度。這種方法可以用於液體污染和生物分子檢測當中。

(4)多孔微結構光纖超連續譜應用:

1999年Ranka等人採用PcF產生了超連續光譜,並研究了PcF中產生超連續光譜的機理,大多數觀點把PCF中超連續光譜的產生歸功於自相位調製(SPM)和四波混頻(FWM)。當強激光脈衝與非線性介質發生作用時,各種不同頻率相互作用就產生了新頻率的激光,這種相互作用越強,產生的頻譜展寬越寬,從而生成一定波長範圍的寬帶光譜。超連續光譜的寬度由非線性介質的色散和輸入激光脈衝的強度決定。為了產生較寬的超連續光譜,通常將非線性光纖的負色散設計在注入脈衝波長處。 ^[1] 

(5)多孔微結構光纖光柵傳感器:

1999年B.J.Eggleton等人首次報道在光子晶體光纖上寫入光纖布喇格光柵和長週期光纖光柵以來,光子晶體光纖光柵的製備方法及理論分析正成為人們研究的熱點。與傳統的光纖光柵相比,PCFG具有如下特性:二維或多維光子晶體、設計自由度大(如單芯或多芯、空氣孔可填充介質等)、波長調諧範圍寬(可達IO0nm以上)、可進行多參量、多功能感測等。PCF及PCFG的出現,將促進併產生全新的性能優異的新一代光纖光子器件,由此可能導致現代光纖技術的新跨越。 ^[1] 

微結構光纖突出的優勢是具有超大單模模式面積,單位面積承受的激光功率很低,因而在高功率傳輸時,微結構光纖中的光纖材料的非線性遠遠小於常規單模光纖,可用於大功率能量傳輸,在短脈衝能量傳輸中有很大的應用。2004年,英國Bath大學的F.Luan等人成功地用sm長的包層充氮的空心、光子晶體光纖中傳輸了波長為800nm、脈寬小於30Ofs、峯值功率為2.2MW、重複頻率為5kHz的孤子脈衝,最低損耗為0.27dB/m ^[1]