全光子晶体光纤激光器反射镜研究

光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构的材料。

自然界中有大量的光子晶体的存在，如蝴蝶的翅膀、蛋白石等都具有光子晶体的形态。 所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景，它的引入为微波领域提供了新的研究方向，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

下面是人为加工而成的二维周期性的硅基光子晶体的图片。

光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质：高双折射系数、可控色散、高非线性系数等。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；具有独特并且灵活的色散特性；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能，因此在新型光纤器件，如超连续谱光源、大功率光纤激光器等的研制方面受到重视。光子晶体体积非常小，在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。使用光子晶造的光子晶体光纤，也有比传统光纤更好的传输特性，可以进而应用到通信、生物等诸多前沿和交叉领域。2005年美国的研究人员成功地使用两种新式二维光子晶体，将光的群速度降低了超过一百倍。]这项装置未来可望被

第 1 页 共 5 页

应用于各种光学系统及元件中，其中包括高功率、低阈值的光子晶体激光。光子晶体也可以将拉曼光讯号放大一百万倍。英国的Mesophotonics宣称，该公司于2005年的Photonics West会议中发表这种结合光子晶体与表面增强拉曼光谱术(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的产品，由于灵敏度超高，未来可望应用在医疗诊断、药物输送，以至于环境监控上。 光子晶体的概念最早出现在1987年，由S.John和E.Yablonovitch分别提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构（它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs），这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导；相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs） ，实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIR-PCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传播。相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBG-PCFs）只是在近期才得到实验证明。

图1 PCF的电子扫描显微镜图。(a)～(d)为不同空气孔填充率及排列分布的空气硅包层微结构光纤；(e)光子禁带光纤。

光子晶体光纤可由单一的二氧化硅材料制成，有其它光纤所不能比拟的温度稳定性，用于传感可以降低环境温度的不利影响，提高测量精度；其包层区的空气孔作为微样品池，可进行气体、液体材料的传感测量，利用填充的被测材料的折射率变化或吸收对其光传输特性的影响，获得被测材料的信息。此外，还可以将光栅结构写制在该光纤上，利用其反射或透射功能进行传感测量。PCF和传统的光纤光栅写入技术

第 2 页 共 5 页

结合为制造新型的光纤光栅提供了良机。

自1999年B.J.Eggleton等人首次报道在PCF上写入光纤布喇格光栅(Photonic Fiber Bragg Grating, PFBG)和长周期光纤光栅（Photonic Long Period Grating, PLPG）以来[9]，光子晶体光纤光栅（Photonic Crystal Fiber Grating, PCFG）的制备方法及理论分析正成为人们研究的热点。与传统的光纤光栅相比，PCFG具有如下特性：二维或光子晶体、设计自由度大（如单芯或多芯、空气孔可填充介质等）、波长调谐范围宽（可达100nm以上）、可进行多参量、多功能感测等。PCF及PCFG的出现，将促进并产生全新的性能优异的新一代光纤光子器件，由此可能导致现代光纤技术的新跨越。PCFG作为高反元件，PCFG还可以用于光纤激光器的腔镜制作；

1 光子晶体光纤光栅的制备方法

传统光纤光栅的写制方法如相位模板法、振幅模板法、CO2激光加热法等较成熟，已实现批量生产。对于PCF，其包层为空气孔结构，如何在其上写制光栅并制造出基于PCFG的器件，成为近年来的研究热点。

1.1 紫外曝光法写制PCFG

1999年，Eggleton等人利用紫外曝光相位模板法首次在纤芯掺锗的PCF上写入FBG和LPG[9]。PFBG的透射谱如图2所示，PLPG的透射谱如图3所示。利用该方法写制PCFG的还有南开大学光电子研究组。

紫外曝光技术写制PCFG的优点是沿袭了传统光纤光栅写制技术，继承性好，技术比较成熟，且具备批量生产条件。但这种方法要求在纤芯掺杂稀土元素以增强其光敏性，这会造成PCF的生产过程复杂，增加额外成本；而且在纤芯上掺杂其它元素，一定程度上会破坏光在纤芯的传导特性。

1.2 热激成栅法写制PCFG

为了弥补紫外曝光技术需掺杂的不足，近年来已开始探讨在纯硅纤芯的

第 3 页 共 5 页

PCF上写入光栅。2002年，G. Kakarantzas等人利用CO2激光在纯硅纤芯的PCF上热激蚀刻实现了LPG的写制[10]。其原理为：利用较高能量的CO2激光长时间聚焦到PCF上，使得该处的空气孔坍塌，利用计算机自动控制激光束的开关及扫描等过程，可在光纤轴向上形成周期性结构微扰（即PLPG）。2003年，新加坡的Yinian Zhu等人也利用类似的方法写制PLPG[11]。

热激成栅法具有周期可调、灵活性高、对光源相干性要求低等优点；但由于空气孔的坍塌而导致入射光的插入损耗增加，而且把激光光束精确聚焦到仅几十个微米的包层也不是一件容易的事情。

为此，有人提出用另一种热激成栅方式—电弧感生微弯法。2003年Humbert. G.等人也利用此法在纯硅纤芯的PCF上写制LPG[12]。相比用CO2激光作为热源，该方法的优点是不必使空气孔完全坍塌，就能获得周期性的折射率的改变，插入损耗较小；而且更容易实现切趾技术，获得更优良的滤波特性。

热激成栅法（包括CO2激光热处理、电弧加热）写制PLPG，获得的PLPG是纯结构性的微扰，具有对温度不敏感的特性，能克服紫外曝光法写制的光栅性质不稳定的缺点；另外，热激成栅法一般是在包层中写入光栅，PCF的纤芯可不必掺锗，能简化PCF的生产工艺及降低生产成本。但受步进装置及光斑大小或电弧尺寸的，热激成栅法只能写制PLPG。

1.3 机械压力法写制PCFG

2004年，韩国的Jong H. Lim等人提出了利用机械压力在PCF上写制LPG的方法[13]。该压力装置有一个平板面和一个凹槽面。PCF夹在两个面间，利用弹光效应，在受压点获得微小的折射率的改变而写入光栅。旋转底座可改变PCF与凹槽间的角度，从而使PLPG获得不同的光栅周期，进而获得不同的谐振波长;改变施加在凹槽的压力大小, 则可改变PLPG的耦合强度。

利用机械压力法压制PLPG，具有机构简单、光栅谐振波长及耦合强度可控等优点；尚不足的是光栅效应不可久留，反复施压会损坏PCF包层。

1.4 双光子吸收法写制PCFG

2003年，N.Groothoff等人利用双光子吸收的方法，在纯硅纤芯PCF上写入PFBG[14]。他们用ArF准分子激光器发出波长为193nm、脉宽为15ns的脉冲，重复率为40Hz，单脉冲能量约为250mJ/cm2。脉冲激光通过光阑、柱面镜后聚焦到PCF上，约3.8个小时后，获得中心波长在1533nm附近，谐振峰的强度约为14dB的PFBG。由于脉冲能量较大，以致造成硅玻璃的氧化而损坏光纤，如果在氦气等稀有气体环境下写入光栅则可以减轻氧化程度。

利用双光子吸收这种写制技术具有如下优点：可在不掺杂的PCF上写入FBG，且写制的PFBG能有效抑制旁瓣效应，具有良好的温度稳定性。但此方法对写制环境的要求较高，写制时间也比较长。

第 4 页 共 5 页

综合分析上述各种PCFG制备技术，紫外曝光法具有很好的继承性，有比较成熟的技术基础，可通过改进、升级原有的光栅写入装置来制备PCFG，适合大规模生产。而热激成栅法、机械应力法及双光子吸收法都可在纯硅纤芯的PCF上写制光栅，能减少PCF的掺杂工艺，降低生产成本；其中，热激成栅法及双光子吸收法制备的PCFG是纯结构性的，具有良好的温度稳定性。不足的是热激成栅法一般只能制备PLPG，机械应力法则不能获得长期稳定PCFG，双光子吸收法则对写制环境要求高。除了以上介绍的方法，我们还可以探讨利用飞秒激光脉冲热激、机械刻槽、腐蚀刻槽等方法制备PCFG。在PCFG的制备中，我们可根据实际情况及写制要求，选择最优化的写制方法。

第 5 页 共 5 页