3分鐘了解光子晶體光纖

2021-01-15 光電匯OESHOW

廉正剛 ¹， *， 陳翔 ¹， 王鑫 ²， 婁淑琴 ²， 郭臻 ¹， 皮亞斌¹  

1武漢長盈通光電技術有限公司

2北京交通大學電子信息工程學院


一根細細的玻璃纖維可以把等同於上千本書的信息幾乎瞬時地傳輸到數百千米之外。在現代通信行業中，它早已取代了銅線，成為長距離信號傳輸的載體。



根據應用和產業化成熟度，可將光纖分為通信光纖和功能光纖，通信光纖的發展已經非常成熟。功能光纖應用廣泛並且其多項技術已經成功實現產業化。功能光纖可細分為：微結構光纖、集成式光纖和新材料光纖。近20年關於微結構光纖的研究較多，通過靈活設計微結構光纖，可巧妙地把玻璃材料和空氣孔相結合，該結構不僅可以用於無盡單模光信號傳輸，也可以實現空芯低損耗傳輸等。


光子晶體源於對動物體表的研究。1987年，Yablonovitch等科學家發現某些動物體表有周期性規律排列的細毛，這些細毛可以把某些顏色(對應一定波長)的光完全反射，而吸收其他波長，展現出豔麗的色彩，如圖1所示孔雀的羽毛和蝴蝶的翅膀表面，並於2001年將此類結構命名為光子晶體。很快，這一結構在光纖領域得到了移植應用。


圖1 (a)孔雀的彩色羽毛；(b)通過電子顯微鏡看到的放大的孔雀羽毛；(c)藍色蝴蝶；(d)通過電子顯微鏡看到的蝴蝶翅膀細節


第一根光子晶體光纖(PCF)則是在1996年由Knight 等成功製備出。光子晶體光纖是由一簇細小的毛細管周期性排列製備而成。由於具有優良的傳輸特性，光子晶體光纖迅速在全球受到重視。微結構光纖發展初期，其導光機制主要是全內反射導光和光子帶隙導光。近年來，人們發現空芯微結構光纖中還存在一種不同於光子帶隙的導光機理——反諧振導光機理。

如圖2(a)所示的光子晶體光纖，其纖芯為實心芯區，其包層中雖然引入了周期性排布的空氣孔，但並未形成有效的光子禁帶，由於芯區的折射率大於包層的等效折射率，因此，光在纖芯中是以類似傳統階躍光纖的全內反射形式進行傳導。這類基於全內反射導光機理導光的光子晶體光纖也稱為折射率導光型光子晶體光纖。由於該類光纖對包層結構的周期性要求並不嚴格，空氣孔的引入只是起到降低並調控包層等效折射率的作用，因此工藝上易於實現，早期報導的光子晶體光纖大多是基於全內反射機理導光。


圖2 不同導光機理的光子晶體光纖。(a)折射率導光型光子晶體光纖;(b)光子帶隙光纖; (c)反諧振導光光纖;(d)單層無節點反諧振光纖

如圖2(b)所示的光子晶體光纖，包層為周期性排布的空氣孔，其導光機理為二維光子晶體的光子帶隙，即當包層空氣孔間距和直徑滿足一定條件時，其頻率處於帶隙範圍內的光波被禁止向包層方向傳播，只在缺陷纖芯中沿著缺陷的方向進行傳播。由於光子帶隙導光機理為包層光子帶隙，因此對於纖芯的折射率沒有太大限制，使得空芯導光成為了可能，但是帶隙型導光對光纖包層結構的周期性要求非常嚴格，以確保形成有效的光子帶隙，因此對製作工藝水平要求很高。


反諧振導光機理是近年來人們在研究空芯光纖時發現的一種不同於光子帶隙的導光機理。反諧振的概念來源於1986年Duguay等提出的反諧振式平面波導(ARROW)。反諧振導光機理即通過增強入射光在遇到包層薄壁時的反射，將光儘可能地束縛在纖芯中。如圖2(c)所示的空芯光纖，纖芯中能夠約束的光主要由包層中的石英壁厚決定。當石英壁厚度滿足一定諧振條件時，位於諧振頻率附近的光會發生洩漏，而其他頻率的光均可在纖芯中實現低損耗傳輸。


光纖的製備工藝一般採用兩步法：1）製備光纖預製棒；2）拉制光纖，在拉制過程中處理光纖塗層。

通信單模光纖預製棒製備方法是化學氣相沉積法，製備一根預製棒往往需要幾小時到幾十小時，而且會產生有害氣體。光子晶體光纖不需要使用化學沉積等大型設備即可完成預製棒的製備。絕大多數光子晶體光纖預製棒是基於毛細管排管法完成的，即將數十根或上百根毛細管按照蜂窩狀排列成型。圖3(a) 給出一張空芯微結構光纖預製棒端面的照片，展示出光纖預製棒由超過100根直徑為1 mm左右的石英材料毛細管堆疊而成。毛細管堆積而成的預製棒整體套入外層套管。光子晶體光纖的製備工藝靈活，適合的光纖結構也多種，如實芯光纖、空芯帶隙光纖和多芯光纖等。


圖3 毛細管堆疊技術。(a)空芯微結構光纖預製棒端面的照片；(b)實芯光纖；(c)空芯帶隙光纖；(d)多芯光纖


典型光纖包括：全內反射導光型微結構光纖、反諧振型微結構光纖、光子帶隙導光型微結構光纖。集成式光纖結合光纖的大帶寬、柔性、細長、成本低廉等優勢，在通信、雷射器等技術領域應用中可將越來越多的電子功能集成到光纖設計中，如微機械系統(MEMS)、半導體技術等。


尤其近幾年，英國南安普頓大學、德國馬克思普朗克研究所幾乎同時開發出納米機械光纖，這一類功能光纖集微結構光纖和MEMS功能於一體，在光信號傳輸時，每個纖芯可以作納米量級的機械振動，這種機械運動使得纖芯可以感知外界的環境，同時也可以通過對纖芯的調製實現光緩存或者光開關的應用。


因此這類光纖在傳感、光運算等領域展現出了強大的作用。新型材料科學是光纖技術的支柱，光纖功能的不斷提升基於研究人員長期對其材料的提純和優化。光纖除了使用常見的石英玻璃外，還可選擇硫系玻璃、多組分玻璃甚至塑料材料等來構成第三類特殊材料光纖，以滿足中紅外波段傳輸、深紫外波段傳輸、耐高溫環境應用等特殊要求。同時，塗層材料的正確選擇也有助於提高光纖的強度和環境適應性，如聚丙烯酸樹脂、聚醯亞胺、金屬塗層等。不同折射率的高分子材料也廣泛應用於增益雙包層光纖。


參考文獻：

廉正剛, 陳翔, 王鑫, 婁淑琴, 郭臻, 皮亞斌. 微結構和集成式功能光纖的製備和潛在應用. 雷射與光電子學進展, 2019, 56(17): 170615


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