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亚波长直径光纤的光学传输特性及其应用


□ 童利民 潘欣云

  摘 要 通过高温下的物理拉伸方法,可以直接将玻璃材料拉细成亚波长或纳米直径的光纤。所获得的光纤具有很好的直径均匀度和表面光滑度,可用于低损耗光传输,并可在可见和近红外光学传输中表现出强光场约束、倏逝波传输和大波导色散等特性,在光通信、传感和非线性光学等领域具有良好的应用前景。
  关键词 光学, 亚波长, 微纳光纤, 倏逝波
  
  Subwavelength-diameter optical fibers: waveguiding properties and photonic applications
  
  TONG Li-MinPANXin-Yun
  (Department of Optical Engineering, and State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)
  AbstractBy means of high-temperature physical drawing, glasses can be directly drawn into subwavelength-or nanometer-diameter fibers. As-fabricated nanofibers show excellent diameter uniformity and surface smoothness for low-loss optical wave guiding, and may exhibit a series of interesting properties such as tight optical confinement, evanescent guidance and high waveguide dispersion. These fibers provide promising building blocks for photonic applications in optical communications, optical sensing and nonlinear optics.
  Keywordsoptics, subwavelength, nanofiber, evanescent wave
  
  1 引言
  
  作为光子学、电子学、化学和生物学领域中的基本材料之一,玻璃相对于其他材料(例如晶体)在制备方法和光学特性等方面具有突出的优势,而且对于很多掺杂离子来说,都是极好的溶剂。最近,玻璃低维结构(例如一维的微纳光纤),在微纳尺度的光子学领域引起了广泛的研究兴趣。与目前已经报道的使用其他制备方法(例如电子束刻蚀、化学生长和纳米压印等)制备的低维玻璃结构相比,使用高温拉伸法从玻璃或玻璃光纤直接拉制的亚波长直径微纳光纤[1—5],表面粗糙度可以低至原子量级,直径非常均匀,光传输损耗远远小于其他类型的亚波长尺度光波导,可表现出强光场约束、大比例倏逝波传输和大波导色散等特性[6],在微纳光子器件、光学传感、非线性光学和原子波导等方面具有潜在的应用价值。
  
  2 低损耗亚波长直径光纤的制备
  
  早在19世纪80年代,英国科学家Boys等人就报道过从高温熔融的矿石中拉制玻璃细线,并研究他们的机械特性和用途[7,8],当时他们将这些玻璃细线绕成线圈,作为推动电流计指针的弹簧。但是,直到上世纪六、七十年代后,人们才开始考虑从玻璃光纤拉制的细线的光学用途[9—12]。最常用的制备方法是使用激光或火焰加热玻璃光纤,待光纤软化后拉成细纤,使用这种方法拉制的细纤直径一般为几微米,大于传输光的波长,一般情况下是多模光纤。如果要单模工作,必须将光纤的直径减小到波长量级以下。但理论和实验的结果均表明[13,14],用于拉制直径均匀的亚微米直径光纤所需的激光能量要求过大,实际上难以实现;如果使用火焰加热拉制微纳光纤,火焰的紊流和空气的对流等因素影响拉区温度分布的稳定性,以至于使用一步拉伸的方法难以得到直径小于200nm的均匀光纤。
  2003年,我们使用火焰加热两步拉伸的方法[4],从玻璃光纤拉制出了直径均匀性很好的微纳光纤。两步拉伸的方法如图1所示。首先,使用一步拉伸法将光纤拉细至微米量级。然后,为了在拉伸区域得到一个稳定的温度分布,我们用一个尖端直径大约为100μm的蓝宝石光纤锥来吸收火焰的能量,蓝宝石光纤的热惯性在光纤拉伸过程中起到保持温度稳定的作用。将微光纤的一端绕在蓝宝石光纤锥上并放置于火焰边缘处,调整火焰至合适温度(约2000K),就可以进一步将光纤拉细至纳米量级。拉伸速度一般为1—10mm/s。
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