CN101504471A - 具有长周期光栅的光子晶体光纤的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用高频、短持续时间的二氧化碳激光脉冲周期性地改变多孔覆层中的空气孔的大小和形状，在空气芯光子带隙滤波器中制备高质量的长周期光栅(LPG)。覆层孔的变化改变了波导结构而不是改变形成波导的材料的折射率，并共振地将芯模耦合到离散的高阶模或类表面模中，然后耦合到有损耗准连续覆层模和辐射模。这个机制不同于其芯模直接耦合到离散的覆层模中的实芯光纤中的LPG。空芯PBF的LPG具有独特的性质，例如，非常大的PDL，对温度、弯曲、外部折射率有很小的敏感度或不敏感，对应力的敏感度很大，因此可用在通信设备和传感器中。高阶或表面模作为有用的中介的光栅形成的机制也可用于其它的PBF中，例如，用于填充低折射率液体的空芯光纤中。

Description

具有长周期光栅的光子晶体光纤的制备方法
技术领域
本发明涉及光纤，更具体地说，涉及一种具有长周期光栅的光子晶体光纤的制备方法。
背景技术
光子晶体光纤(PCF)是指一类在其长度方向具有波长尺度的微结构的光纤。根据它们的导波机制，可分为折射率引导型PCF和光子带隙滤波器(PBF)。在折射率引导型PCF中，通过在具有气孔阵列的玻璃(硅)基质中形成的降低了折射率的波导覆层材料中产生的改进的全内反射，光波被约束在固态芯中。在PBF中，光波通过从光子晶体覆层上反射而被约束在低折射率芯中。具有与覆层带隙相应的传播常数的光波不能逃离芯中，因此光波以低的损耗率沿着光纤传输。
PBF中的最显著进步是光波在空气芯中的传导性能。因为空气芯PBF中的光波传导的卓越性能，对此类光纤的理解、设计和制造已经有了很大的进步。
已有损耗低于1.2dB/km的实用PBF的报道。光波在空气中传播具有许多优点，例如，具有较低的瑞利散射、较小的非线性、较高毁坏阈值、新的色散特性和相对于传统光学光纤的可能的较低的损耗。这些性质很可能对光学信号的传播、高功率激光脉冲传播和成形等具有持久的作用。PBF的空芯特性也允许长距离的光纤芯中强的光/材料相互作用，可作为开发高敏感和分布式气体和液体传感器的新平台，并用于研究气体的非线性光学性能。为了增加技术的影响，需要光纤中的部件，例如，需要用波长/偏振选择滤波器来操控不同波长/偏振的光波。这些部件在传统玻璃光纤技术中已得到广泛研发，但仍然无法应用于空芯PBF中。
长周期光栅(LPG)一般是通过沿着光纤的纵向进行折射率的周期性的扰动而形成的。扰动周期(Λ)的范围一般在100μm至1mm的范围之间。这样的LPG在芯模和覆层模之间产生耦合，共振或相位匹配波长(Λres)由(1)式给出：
Λres，m＝(nco-nclad，m)Λ        (1)
其中，nco和nclad，m分别是芯模和第m阶覆层模的折射率。nco和nclad，m是波长的函数。通常，具有多个覆层模，式(1)在多个波长处均得到满足。满足式(1)的波长通常是离散的，彼此之间相隔几十nm至几百nm。当芯模中的光波传播时与LPG相互作用，那些满足式(1)的波长就耦合到覆层模并损耗。因此，LPG可以作为选择性地衰减芯模中的满足式(1)的波长的光谱陷波滤波器。对于特定的光纤来说，滤波器的波长可通过选择周期Λ和模的阶数m来设计。LPG也可作为传感器来使用，因为nco和nclad，m和Λ通常对例如应力和温度这样的外部环境参数敏感。尤其是nclad，m对靠近光纤表面的外部折射率的改变很敏感，因此可以用于感知这样的参数。
LPG可用传统光纤、折射率引导型光子晶体光纤(ID PCF)来制造，也可通过填充高折射率液体到ID PCF中得到的实芯PBF来制造。形成这样的LPG的主要机制是通过UV光敏性、外部施加的应力、残留应力松弛、玻璃结构改变导致芯(有时也包括覆层)材料的折射率变化。然而，目前为止，至今未见有关空气芯PBF中的LPG的报道，可能是由于将折射率调制引入到空气孔(超过95％的光能量在其中)中是非常困难的。为了在这样的空芯光纤中刻LPG，需要一种不同于材料的折射率扰动的机制，因此这样制得的光栅的性质也可不同于实芯折射率引导型光纤中的LPG的性质。
因此，本发明的目的是提供一种在空芯光纤形成LPG的机制，并提供一种制备这样的LPG的方法，并探讨这种LPG的潜在应用前景。
发明内容
本发明涉及长周期光栅(LPG)，其可通过周期性地改变空芯PBF中气孔的形状、大小和分布而形成。光纤截面几何形状的周期扰动(perturbation)共振地将基模耦合到中间的更高阶模或类表面模，且进一步地耦合到准连续有损耗覆层和辐射模，导致传输光谱中的凹陷(notch)。
根据本发明的一方面，提供一种在空芯(空气或真空)PBF中形成LPG的机制，其中，通过周期性地改变沿空芯PBF纵向方向的气孔的大小、形状及分布而使波导几何结构得到扰动(perturbed)。这种机制不同于实芯光纤的LPG，在实芯光纤中主要的扰动是芯的材料折射率。孔的大小、形状和分布的扰动主要在覆层区，在空芯的中心没有改变或很少改变。当孔大小、形状围绕芯的中心对称变化，扰动可沿圆周对称，或者当横截面的一个或多个气孔区扰动，扰动为非对称。
根据本发明的另一方面，提供一种在空(空气或真空)芯PBF芯和覆层或辐射模之间产生共振耦合的机制。此机制不同于传统的实芯光纤，因为在空芯PBG光纤中，芯模是耦合到更高阶或类表面模，且进一步地扩展到准连续有损覆层和辐射模，然而在传统实芯光纤中，芯模(core mode)是直接耦合到离散的覆层模(cladding mode)中。高阶模或类表面模是离散的并且与基模(fundamental mode)有相当大的重叠，并且周期性扰动有利于相位匹配，因此在它们之间产生共振耦合。
根据本发明的又一方面，提供一种在空(空气或真空)芯PBF中制造LPG的方法。所述方法是基于使用脉冲二氧化碳激光器来横向(transversely)扫描光纤。激光束聚焦成直径为10μm到100μm的点，并且脉冲宽度、重复率和平均功率的范围分别为1μs到20μs、1kHz到50kHz，0.1到1W。这些参数的确切值被以协调的方式来选择，用以对光纤的某一小段局部加热而不对其它部分加热。对于每一次横向(transverse)扫描，沿光纤纵向约20μm to200μm长的一小段受强热影响，引起表面的玻璃熔融，形状和大小改变，甚至引起受热区的覆层中的一些气孔完全塌陷(collapse)。这就产生横切光纤纵向的凹陷或槽。通过以光栅周期Λ为间隔相邻横向扫描光纤N次可产生N个槽。槽的深度可通过重复地扫描N个槽M次(或称为循环次数M)来增大，M的取值范围为1至100。一般规律是包括脉宽、峰值功率、重复率、扫描循环次数(M)的制造参数的选择应该使这些参数的组合使得空芯中不产生显著的变形，但是横截面的一侧或更多侧上的覆层气孔产生部分塌陷或变形。气孔的外环较大地变形或者甚至完全塌陷，但靠近芯的气孔仅仅轻微的变形或不发生变形。这确保波长在共振或相位匹配波长的光波能够耦合到高阶或类表面模并进一步耦合到延伸模和损耗，而其它波长的光波仍然在基模中，且具有最小的损耗。
按照上述处理步骤得到的空芯PBF的LPG的传输光谱具有一个或多个凹陷(notch)(传输陷落或阻带(transmission dips or rejection bands))，其中每个对应于不同的更高阶或类表面模。中心波长可通过选择光栅栅距Λ和类表面模的阶来设计。凹陷深度可通过调节制造参数来控制，例如，通过控制扫描循环次数M来控制。
上述陷波滤波器(notch filter，或译为带阻滤波片)的中心波长具有很小的温度、弯曲和外部折射率敏感度，即对温度、弯曲和外部折射率不敏感，因此可用作稳定的波长滤波器。多陷波梳状滤波器可通过沿着同样的PBF写入多个LPG来实现。
这种陷波滤波器对应力的敏感度约为传统单模光纤(SMF)的LPG对应力的敏感度的3倍，这就说明我们的LPG可用作具有很小的或几乎没有温度、弯曲和外部折射率敏感度的应力传感器。
基于二氧化碳激光器的制备技术，由于空芯PBF一侧的气孔塌陷或变形，导致波导横截面显著不对称。这使得光纤横截面中产生大量的双折射和非对称模场分布，并导致靠近共振波长处的高达25dB的偏振相关损耗(polarizationdependent loss，简称PDL)。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1(a)是原始PBF横截面的扫描电镜(SEM)照片；
图1(b)是空芯PBF的一侧被二氧化碳激光器处理后的PBF的SEM照片；
图1(c)是被二氧化碳激光器处理后的一段具有凹陷部的PBF的侧视图；
图2是制造本发明的具有长周期光栅的空芯光纤的方法流程图；
图3是本发明的长周期光栅光纤的传输光谱；
图4(a)至4(c)是共振波长为1523.1nm，沿着LPG在不同位置处观察到的模强度分布：4(a)刚好在第一个凹陷前、4(b)在第6个凹陷处、4(c)第19个凹陷处；4(d)是偏离共振波长的一个波长处(1540nm、第19个凹陷处)的模强度分布；
图5(a)是共振波长随光栅栅距的变化示意图；
图5(b)是对应于不同光栅栅距的传输光谱；
图6(a)是具有20个周期和395μm光栅栅距的空芯PBF上的LPG在共振波长(1595.8nm)附近的偏振相关损耗的示意图；
图6(b)是测量到的具有20个周期和395μm的光栅栅距的空芯PBF上的LPG的作为温度的函数的共振波长和共振波长处的衰减的示意图；
图6(c)是测量到的具有20个周期和395μm的光栅栅距的空芯PBF上的LPG的作为曲率的函数的共振波长和共振波长处的衰减的示意图；
图6(d)是测量到的的具有20个周期和395μm的光栅栅距的空芯PBF上的LPG的作为应力的函数的共振波长和共振波长处的衰减的示意图；
具体实施方式
下面结合附图和空芯PBF中的LPG的实施例对本发明作进一步说明。
图1(a)是典型的空气/硅空芯PBF101的横截面示意图。PBF101包括空芯PBF中的空气芯103，多孔的空气/硅内覆层105(该覆层具有大于80％的空气填充部分，优选地具有大于95％的空气填充部分)，外部硅覆层107；光波被光子晶体覆层105反射而被约束在中心空气芯103中。在覆层带隙中的具有传播常数的光波不能逃离芯103，因此被引导以低的损耗沿着光纤101传输。空气/硅空芯PBF的传输带或传输窗口是由气孔之间的距离和气孔的直径或空气填充比率决定的。本发明的PBF101的主传输窗口从1500nm到1700nm。在传输窗内的传输损耗通常低于28dB/km。
如图1(b)所示，光纤覆层中的气孔可通过沿着光纤进行局部加热而产生周期性的变形。可用脉冲二氧化碳激光器来引起变形。在此实施例中，空气气孔的变形在光纤覆层的一侧产生。二氧化碳激光器从一侧来局部加热光纤。另外的横截面的变形图，例如，光纤的两个相对侧的变形，或横截面的气孔的圆周对称变形可用另外的热源来达到以产生LPG。
二氧化碳激光器的使用使得在光纤的表面产生凹陷。激光束沿着光纤以光栅周期mu为间隔纵向移动，并且重复同样的过程来产生第二个、第三个……第N个凹陷。然后得到具有N个凹陷的LPG。这个制造具有N个凹陷的光纤的过程称为扫描循环。可以通过增加扫描循环的次数来增加凹陷的深度。这样就可以沿着光纤表面产生具有所需要深度的周期性的凹陷。
图1(c)所示的是PBF中产生的凹陷。每个凹陷115的宽度大约为50nm到70nm，相邻两个凹陷之间的距离113为300μm至500μm。
需要沿着光纤轴向的周期性扰动来达到LPG中的共振模耦合。对于本发明的LPG来说，需要的周期性扰动与两个因素有关：玻璃材料的应力松弛引起的折射率扰动和空气气孔大小和形状的改变对波导(几何)结构的扰动。在包括将堆叠的毛细管拉制成PBF在内的处理过程后，在玻璃中存在残留的应力。照射到光纤上的二氧化碳激光束引起局部的高温并松弛凹陷区周围的残留应力，由于光子弹性效应而引起玻璃的折射率扰动。然而，由于基模的绝大多数(>95％)光功率是在空气区，应力松弛对模折射率的影响远小于传统光纤和实芯PCF。另一方面，覆层中的空气气孔的塌陷引起如图1(b)所示的空气气孔的形状和大小的改变，这改变了空气填充比例和波导导向结构，并扰动模场和芯、表面和覆层模的有效折射率。空芯也可能出现很弱的变形。波导(几何)结构的周期性扰动是共振模耦合的主要机制，尽管应力松弛引起的折射率改变也对其产生了一点作用。
图2所示的是用二氧化碳激光器脉冲在空芯光纤上产生LPG即长周期光栅的方法流程图。
首先是步骤201：二氧化碳激光器脉冲横向扫描空芯PBF，进行M次。接着是步骤203：激光束聚焦产生局部高温，引起表面玻璃的熔融。然后步骤205：改变覆层中的部分空气气孔的形状和大小，甚至引起塌陷。然后是步骤207：沿着PBF对距离N以外的的另一个位置进行扫描。如上所述，继续步骤207时，凹陷的直径大约为50μm至70μm，凹陷之间的距离为300μm至500μm。重复步骤207，或循环步骤209多次，直到得到所需的凹陷的个数为止。
实施例
用本发明得到了具有长周期光栅的空芯PBF。
图3中观察到的共振可认为来自于两个步骤的过程：由于这些模在扰动区的空间重叠，满足相位匹配条件的光波从芯耦合到高阶或类表面模，然后耦合到扩展模的准连续模，例如，覆层和辐射模和损耗。
图3所示的是测量到的40周期、光栅周期为430μm的用上述步骤制得的LPG的传输光谱。在1500nm到1620nm的波长范围之间有两主要的衰减陷落(dips)。3dB带宽为～5.6nm，比在具有相同数量的光栅周期的传统单模光纤(SMF)中的LPG的带宽要窄得多。LPG的***损耗很低，小于0.3dB，因为绝大多数光波是在没有变形的空芯中传输。选择合适的制造参数对于在空气芯PBF中制造高质量的LPG很关键。长照射时间、高能脉冲引起气孔严重变形或塌陷，因此具有更高的***损耗，而短照射时间、低能脉冲不足以在PBF中刻上LPG。我们也制备了具有较少数目(例如，20个)的光栅周期的LPG，并且发现，具有较少数目的光栅周期的3dB带宽变得较大。
采用单波长可调激光器(Agilent81600B)作为光源通过导入SMF-28光纤尾纤照亮PBF，记录下来的图像如图4(a)至4(d)所示。偏离共振的1540.0nm波长处，光功率主要在空芯中的基模处，没有观察到清晰的覆层模(见图4(d))。在靠近1523.1nm的共振处，在LPG之前，光密度主要在基模中，如图4(a)所示。随着光栅栅距数量的增加，在高阶或类表面模和覆层模中的光能量得到增强，而在基模中的光能量得到减弱，这可从图4(b)和4(c)中的看出来。在第19个凹陷处，基模中的大部分能量耦合出来，因此类表面模和覆层模被清楚地观察到，并且在空芯的中心处的光密度很弱(参见图4(c))。耦合到覆层模中的光波被约束在用虚线勾勒出的多孔覆层区，面向二氧化碳激光器照射一侧的类表面模的能量比其对面一侧的能量更强。在芯中心处的具有弱密度的近场图像是二阶芯模(TE01，TM01和HE21)，这些模在强的基模下不能被看见，但在减小了基模密度后就会更容易被看见。
为了探讨作为波长函数的相位匹配条件，具有不同栅距的但具有同样数目光栅周期的6个LPG被制备在PBF中。测量到的作为光栅栅距函数的共振波长如图5(a)所示，共振波长随着光栅栅距的增加而减小，这与传统SMF中的LPG的情况相反。对于每一个LPG，在1500nm到1680nm之间观测到两个主要的衰减凹陷，如图5(b)所示，这说明基模耦合到两个不同的表面模。
图6(a)是具有20个周期和395μm光栅栅距的空芯PBF上的LPG在共振波长(1595.8nm)附近的偏振相关损耗的示意图。
本发明也探讨了空气芯PBF的LPG对应力、温度、弯曲和外部折射率的反应。共振波长的温度敏感度和峰值传输衰减分别是～2.9pm/℃和-0.0051dB/℃(见图6(b))，其比传统SMF的LPG的相应值少1到2个数量级。当LPG的曲率增加到13.3m-1时，共振波长和峰值传输衰减仅仅分别改变±8pm和0.71dB(见图6(c))，其比传统SMF中的LPG的相应值少3到4个数量级。此外，当PGF中的LPG分别浸入到折射率为1.40、1.45、1.50的折射率液体(来自Cargill实验室)中时，共振波长和峰值传输衰减几乎不改变，而传统SMF中的LPG对外部折射率非常敏感，尤其是当折射率大约为1.45时。这些稳定的光学性质有利于将它们应用到光纤传感器和通信设备中。随着施加的拉伸张力的增加，本发明的LPG的共振波长向着更短的波长线性移动，应力敏感度为-0.83nm/mε，并且峰值传输衰减以2.03dB/mε的敏感度减小。共振波长对应力的敏感度比传统SMF中的LPG的敏感度大2倍以上，这意味着本发明的LPG可用作对温度、曲率和外部折射率没有交叉敏感度的应力传感器。

Claims (7)

1、一种具有长周期光栅的光子晶体光纤的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
-用二氧化碳激光脉冲“M”次横向扫描光子晶体光纤的空芯；
-将激光束聚焦在所述光子晶体光纤上的一点；
-引起所述光子晶体光纤表面的玻璃熔融，改变所述光子晶体光纤覆层中空气孔的形状和大小，或者引起所述覆层中的空气孔的塌陷；
-沿着PBF对距离N外的另一个位置进行“M”次扫描；
-对距离N外的表面位置重复进行扫描。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述“M”的范围是1次至100次。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚焦是将所述激光束聚焦为直径为10μm至100μm的点。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光束脉冲的持续时间为1μs至20μs、频率为1kHz至50kHz、功率为0.1W至1W。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述长周期光栅的栅距为300μm至500μm。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横向扫描产生凹陷。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述凹陷的直径为50μm至70μm。
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