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微纳光纤及其应用的研究进展及发展趋势

2020-08-10 1654 上传者：管理员

摘要：微纳光纤是一种直径接近或小于传输光波长的波导，由物理拉伸方法制得，具有表面光滑、直径均匀性好、机械性能高、强光场约束、强倏逝场、表面场增强效应及反常波导色散等特性，在光通信、激光、传感检测、非线性光学、量子光学等领域具有重要的应用前景。主要介绍了微纳光纤在传感器、调制器和激光器等方面的应用，以及微纳光纤的未来发展趋势。

关键词：
传感器
微纳光纤
激光器
物理拉伸
调制器
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1、微纳光纤简介

微纳光纤是光纤光学与纳米技术的完美结合，与传统的标准单模光纤相比，微纳光纤的直径通常接近或小于光的真空波长。微纳光纤具有以下良好的光学传输特性：1）强光场约束。微纳光纤的强光场约束能力较好，同时光束在微纳光纤中传输时的等效模场截面的尺寸与波长除以光纤折射率为同一个量级。这样的特性使得微纳光纤的低损耗弯曲半径通常只有微米量级，因此在小型化器件以及高密度、短距光互联等应用方面有独特的优势。除此之外，在亚波长范围内对光场的强力限制会极大地改变微纳米纤维表面上光子态的密度，并调节自发发射或量子态的概率。2）强倏逝场。微纳米纤维的极低表面粗糙度可以支持倏逝场的大多数低损耗传输。这有助于改善微纳米纤维与其他结构之间的近场光学耦合，并有助于提高微纳米纤维传感器的灵敏度。并且高度受限的强倏逝场在微纳米纤维的表面上创建了具有大梯度的空间光场，从而产生了用于操纵冷原子或纳米粒子的大光学梯度力。3）小质量。极低质量的微纳米纤维可用于灵敏地检测透射光子脉冲的变化，并实现光子和声子的有效耦合或转换。

微纳光纤的基础模型：假设微纳米纤维是标准圆柱体，并且假设其包层直径是无限的。对于常规的单模光纤，纤芯折射率和包层折射率之差较小。常规的光纤通常被称为弱导光纤。对于弱导光纤的分析方法通常使用弱导近似方法。相反，微纳米纤维是折射率差异很大的波导。包层材料通常是空气或低折射率液体，而纤芯材料通常是较高折射率的介质。光场在微纳光纤中传播的麦克斯韦方程组可化简为如下的亥姆霍兹方程：

对于不同的模式，得到的本征方程如下。

对HEvm和EHvm模式：

通过数值计算的方法，对上述算式求解可以得到微纳光纤的传输常数β。图1所示展示了几种典型直径（800nm,400nm和200nm）的微纳光纤在波长为633nm下的光束传输时基模光场的空间能量分布。从图中可以看出，当光纤直径较粗时，其光场的能量主要都被限制在光纤的纤芯内；随着微纳光纤直径的减小，越来越多的能量以倏逝场的形式在光纤表面的外部空间进行传输。

图1直径不同的光纤倏逝场及能量分布

在光学微纳米波导中，制造过程非常重要，因为表面的光滑度和几何结构的均匀性会直接影响传输损耗。与光刻相比，通过火焰、激光或电加热拉制玻璃纤维所产生的微纳米纤维的电子束蚀刻、化学生长、纳米压印、表面光滑度和结构均一性均得到了提高，是在所有微纳波导中是最好的。用图2所示制得的微纳光纤直径的不均匀度在5nm之内，表面粗糙度在0.2nm之内。

图2微纳光纤拉制装置

2、微纳光纤传感器

除了体积小以外，微纳光纤还可以承载大比例强约束的倏逝场。它具有高空间分辨率、低检测限、高灵敏度、快速响应以及光学检测性能低等独特优势。当被测样品与微纳米纤维的引导模式（通常是光纤外部的倏逝波）相互作用时，由于散射、吸收、色散、发射等原因，透射光的特性会发生变化，如图3所示。光纤的输出端可以测量输出光的强度、相位或光谱的变化，以获得被测样本的相关信息。

图3微纳光纤传感器原理

比较典型的应用有微纳光纤微应力传感器，如图4所示，用纳米压印PMMA微纳光纤光栅结构做成微纳光纤应力传感器，由于微小的直径可以作用于微应力传感（可测nN级），其灵敏度为2.5pm/με，动态范围大（strain>5%）。其他的应用如液体折射率传感、用金属制成支撑微纳光纤微环谐振腔的电流传感等。

图4微纳光纤应力传感器结构图

微纳光纤传感器有很多优势，但同时也有很多可以改善的地方，如：如何保证微纳光纤不受环境的污染，如何向微纳光纤输送少量的样品，如何减小纳米光纤传感器的整体尺寸等。比较常用的方法就是利用微流控芯片，用玻璃做成微流控通道，样品就从微流控通道进入。利用这个原理可以做成灵敏的吸收传感器、飞米级的光纤微纳传感器，以及快响应的光纤湿度传感器。

3、微纳光纤光调制器

光调制器是将电信号转换为光信号的关键设备，并且是高速、短距离光通信的核心设备之一。与电光或声光调制相比，全光调制在全光连接或全光信号处理中具有独特的优势。

而研究石墨烯全光调制有以下几个优点：1）超宽的带宽和光谱效应，没有禁带的线性能带结构的石墨烯可以吸收任何波长的光子，这意味着用石墨稀光调制器具有非常宽的带宽和光谱响应；2）极快的调制速率，超强的载流子带间跃迁和超快的弛豫过程可确保石墨稀光调制器拥有非常快的光学调制速率。

石墨烯包层微纳光纤结构如图5所示，在双圆锥形微纳米纤维的锥形腰部包裹着石墨烯薄膜。从标准单模光纤的端面耦合到双锥微纳米纤维的一端作为光信号的输入端口，光沿纤芯和锥形区域的一部分进行传播。经过锥区部分时，部分光将以倏逝场的形式进行传播，这时经过石墨烯包裹部分的倏逝场将会被石墨烯所吸收，留下少量的光继续传导并进行输出。同时，如果在样品的输入端安装了另一个高功率和短波长的脉冲泵浦光，那么该泵浦光将会首先被石墨烯吸收，石墨烯内载流子将发生能带跃迁，同时阻隔其他光的饱和吸收。在这种情况下，信号强度较低、波长较长的光将会透射。所以该微纳光纤全光调制的机理就是利用这种强泵浦光开关对弱信号光的饱和吸收作用，同时调制速率超快。

图5石墨烯包层微纳光纤结构

石墨烯包层微纳光纤制作方法如图6所示。图6(a）将胶带的石墨烯与光纤表面对齐；图6(b）用胶带和石墨烯覆盖纤维和玻璃基板的表面；图6(c）用胶带将整个玻璃浸入溶液中。静置1min。随后，胶带完全熔化，在光纤和玻璃基板的表面上留下石墨烯；图6(d）用脉冲纳秒激光沿光纤轴燃烧石墨烯；图6(e）挑起光纤后，石墨便自然覆盖了纤维表面。通过上述利用胶带辅助转移的方法所制得的石墨烯微纳光纤结构，不仅能够转移石墨膜，而且能够独立选择微纳米光纤表面上的转移位置和转移过程。制成后微纳光纤的插入损耗相对较小。并且，石墨烯的宽度适合于激光切割后光纤的直径，使得透射后的石墨烯包裹更均匀，并且样品的光透射和散射的损耗也相对较低。

图6石墨烯包层微纳光纤制作方法

如图7所示为石墨烯全光调制器实验装置图。实验中采用钛宝石激光器，激光输出分为两束，其中一束用作泵浦光。在将光耦合到光纤中之前，先经过一个窄带通滤光片，来控制脉冲宽度，以减少激发光在穿过样品的过程中的非线性影响。同时这样做的另一个优点是脉冲可以在通过石墨烯所覆盖的区域时与石墨烯完全作用。在实验过程中，控制泵浦功率，以使泵浦光不会从光纤中产生任何明显的非线性效应。另一束激光器输出的光线耦合到光放大器中，以产生脉冲光来作为检测光。由于检测到的光功率低，因此这里忽略其非线性效应，并且这里没有优化脉冲宽度。延迟线设置在检测光路中。泵浦光和检测光通过二向色镜合束后再通过下一个透镜，最后耦合到样品中。其他的泵浦光被带阻滤光片所过滤。对比实验表明，泵浦光被完全滤除，消除了实验结果的干扰。通过样品后，探测光被耦合到光电检测器，并通过示波器获得调制信号的波形。

图7全光石墨烯调制器结构图

图8所示展示了传导模式的光功率密度的模场分布情况。可以看到在光纤与空气界面处，传导模式的光功率密度发生跳变，这是因为折射率发生了突变所导致的。图中给出了三种不同波长光的模场分布。

图8传导模式的光功率密度的模场分布

基于石墨烯的光调制器由于其超高速和宽带响应特性，最近受到了广泛的关注。然而，它们的调制深度（MD）和总透射率（OT）常常受到带间跃迁引起的光损失的限制。如图9所示，是一种全光的全光纤光调制器，它具有一种MachZehnder干涉仪结构，比石墨烯损耗调制器调制深度增大两倍以上。基于将干涉仪石墨烯包层臂中的光诱导相位调制转换为干涉仪输出的强度调制的思想，该装置在实际应用中可以被集成到光子系统中。

图9微纳光纤全光相位调制器结构图

4、微纳光纤激光器

我们早期的工作主要是做微纳光纤微环激光器，比如和上海光机所合作的稀土离子激光器，和复旦大学合作的染料激光器，但是由于功率比较低导致实用性比较低。近年来主要做的是锁模激光器，如果调制深度足够，可以用来做光调制器；如果调制深度比较小，可以做锁模激光器。因为较小的调制深度就有较短的饱和吸收层，从而得到较小的吸收损耗和表面场增强，因此有较低的锁模阈值功率。

基于石墨烯覆盖的微纳光纤锁模激光器实验装置图如图10所示。微纳光纤直径为1.5μm，石墨烯使用双层覆盖的结构，长度为20μm。激光的输出性能如图所示，腔长为24m，泵浦光为975nm的连续光，功率为24mW锁模激光输出峰宽度为970fs。

图10基于石墨烯微纳光纤锁模激光器

由于微纳光纤的波导色散可以比标准单模光纤大2～3个数量级，因此可以用来做色散补偿。如图11所示为1μm波段的微纳光纤色散补偿锁模激光器结构图，泵浦光是976nm，增益光纤是15cm长的参镱光纤，腔长为1.7m，其插入损耗可低至0.06dB。图中实线是有微纳光纤进行色散补偿后的强度随波长变化图，虚线是没有微纳光纤进行色散补偿的强度随波长变化图，从图中的对比很明显可以发现用微纳光纤进行色散补偿之后其工作带宽得到了显著的提升。本实验中最终的脉宽为110fs。

图11微纳光纤色散补偿光纤锁模激光器

5、未来机遇

除了上述所提到的微纳光纤在传感器、调制器和激光器中的应用之外，微纳光纤还有很多典型的应用，如微纳光纤光栅、在原子/量子光学中的应用、非线性光学效应及器件、表面等离激元、其他光无源器件和光力作用及应用等。

对于光纤传感器而言，探测单分子时，由于大分子尺寸在20nm左右，小分子只有2nm左右，因此为了探测到足够强的信号光，需要减小光纤尺寸从而减小样本光之间的相互作用力的限制。

另外对于微纳光纤的封装，除了利用微流控芯片进行，还可以与硅基芯片进行结合，利用垂直耦合或者竖直耦合，可以将微纳光纤或者纳米线与硅基集成起来。

另一个应用就是做全光纤超导探测器，如微纳光纤耦合SNSPD器件。

童利民.微纳光纤及其应用:研究进展及未来机遇[J].光学与光电技术,2020,18(04):12-17.