微纳光纤 2概述Word下载.docx

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1.1微纳光纤的研究背景与意义..................4

1.2微纳光纤的制备方法........................6

1.2.1由单模光纤拉制微纳光纤..................7

1.2.2其他制备方法与其对比....................9

1.3微纳光纤应用的研究现状....................10

第2章微纳光纤的理论基础..................10

2.1引言.....................................11

2.2微纳光纤的基本模型.......................11

2.3微纳光纤基模的模场特性...................17

2.3.1电场分布..................................17

2.3.2能量分布...................................21

2.3.3群速度及波导色散...........................25

2.4微纳光纤的耦合特性........................27

2.5本章小结..................................33

第3章微纳光纤器件.........................34

3.1引言......................................34

3.2微纳光纤Mzch—Zehnder干涉仪..............35

3.2.1微纳光纤耦合器的制作........................35

3.3微纳光纤结型谐振腔........................39

3.4微纳光纤结型激光器........................42

3.5本章小结..................................44

第4章微纳光纤器件的应用..................45

4.1引言.....................................45

4.2微纳光纤在光学谐振腔和传感器中的应用.....46

4.3波导光栅耦合器在微环传感器中的应用.......50

4.3.1波导光栅耦合器概述..................50

4.3.2微环谐振器..........................53

4.4本章小结.................................55

第5章总结与展望...........................55

参考文献......................................56

第1章绪论

进入21世纪，伴随着光纤通信朝着超高速、超大容量和超长距离的方向发展，以及器件设计理论和制备工艺技术的发展，人们对器件工作性能和集成度的要求不断提高，器件的型化已成为科学技术研究与应用的重要趋势之一。

其中，微纳光波导是研究微纳光子学现象和构筑微纳光子器件的重要基石，是当前纳米光子学领域的研究热点之一。

与其它种类的微纳光波导（如硅基平面波导、金属表面等离子体波导）相比，微纳光纤具有极低的耦合损耗、粗糙度极低的波表面、高折射率差的强限制光场、大百分比的倏逝场、极轻的质量和灵活的色散特性等优点。

这些特性使得微纳光纤在光纤光学、近场光学、非线性光学和量子光学等基础研究和微纳尺度的光传输、耦合、调制、谐振、放大和传感等器件方面都具有潜在的应用价值，近年来吸引了越来越多研究者的注意。

[1]

1.1微纳光纤的研究背景与意义

让光沿着我们所希望的方向运行,是人类很早就有的想法。

最早的引导光传输的历史可以追溯到19世纪,D.Colladon和J.Tyndall依靠内反射将光限制在水和空气的交界面上传导。

1880年,wwheeling为他传导光的装置申请了专利,他利用镜面反射让光在一根充满水的管子中进行传导,并且实现了光的分束。

此后不久,在1887年,英国物理学家C.Vboys从熔融的矿石材料中拉出了非常细的玻璃纤维,其直径可能已经达到了一微米以下的量级,因为这种玻璃纤维具有很好的弹性和均匀度,当时被用作了一些精密仪器的发条,但是这种极细的玻璃纤维并未用来传导光波。

直到激光被发明后的不久,高馄和Ghockman于1966年提出了利用高纯度的玻璃传导光的设想；

随后美国的Coming公司根据他们的设想于1970年制造了世界第一根低损耗的光纤。

自20世纪70年代以来,随着光纤制造业的蓬勃发展,普通光纤（其直径远大于其传输光波的波长）在光通讯、传感、医学成像及电力输送等方面有着广泛的应用。

特别是在光通讯方面的应用极大的改变了人类生产、生活的方式,使人类进入了一个全新的信息化、全球化社会；

也正是因为这个原因,被誉为“光纤之父”的高馄教授获得了2009年诺贝尔物理学奖的殊荣。

在最近的三十年时间里,基于光纤的光通信技术获得了巨大的成功,然而这只是未来全光网络的第一步；

很多研究者都认为实现大容量高带宽的的光通信系统的下一步关键技术在于光信号处理器件的微型化和集成化,即制造出所谓的光子集成回路（PIC）,或光子芯片。

光子芯片的发展可以类比电子芯片的发展,在20世纪70年代基于平板印刷工艺的集成电路的发展为电子学带来了革命性的进展,使得电子芯片以摩尔定律的速度飞快的发展。

那么光子芯片的发展是否可以沿袭电子芯片的发展,借鉴电子芯片制造中的成熟的技术和工艺呢?

答案是肯定的,利用在电子芯片中己经发展的十分成熟的平板印刷光刻工艺,各种激光器、调制器、放大器和探测器都己被制造并广泛使用。

光子芯片就是希望把这些分离器件进行集成,这就需要有性能优良的光波导实现各器件之间的片上互联；

同时诸如耦合器、微环谐振器等无源光器件也都需要性能优良的光波导。

但是利用现有的由微电子工业逐步发展起来的微制造技术,所制作出的微结构有着较大的表面粗糙度,这样粗糙的表面对于电子器件几乎没有什么影响；

但是对于光子器件却有着很大的影响,因为表面过于粗糙的光波导将导致严重的光散射,而散射损耗是引起光波导损耗的重要原因之一,这种量级的粗糙度将使光波导产生较大的损耗,从而降低光子器件的性能。

微纳光纤除了能实现光波导的功能之外,还有其他很多重要的特性。

第一,微纳光纤因制作工艺的特点,天然的就和单模光纤连接在一起,因此具有极低的器件到光纤的祸合损耗,通常小于ldB；

而采用光刻技术制作的光波导与单模光纤的祸合损耗通常要高出很多。

第二,当光纤的直径达到波长和亚波长量级时,对光场的约束将更加强烈,光纤横截面上单位面积的光功率就越大,从而可在较低的输入光功率下产生较强的非线性效应。

第三,在微纳光纤中,根据其直径的不同,会有不同百分比的光场在光纤之外以倏逝波的形式传播,这部分倏逝场将可以感知外界环境某些参量的变化,就可以做成高灵敏度的传感器。

第四,微纳光纤具有极轻的质量,因此它就有可能感知在其内传播的光子的动量。

第五,微纳光纤对光场的强限制,会使微纳光纤周围的真空态发生变化,并改变其周围原子的自发辐射速率,这一特性可以用来实现原子捕获和原子操作。

正是因为微纳光纤具有这些极具吸引力的特性,所以在不久的将来微纳光纤将有可能在光信号处理、传感及基础物理研究等领域得到更加广泛的应用。

1.2微纳光纤的制备方法

微纳光纤可以被定义为直径在微米或亚微米量级的以空气为包层的圆形光波导。

从微纳光纤的概念被提出到现在,短短的六年时间里己经出现了很多种微纳光纤的制备方法。

通常获得微纳结构的途径有两种,一种是“自上而下”,另一种是“自下而上”。

如果说利用化学生长的方法制作纳米线的过程是一种“自下而上”的过程,那么我们下面将要介绍的各种微纳光纤的制备方法都是一种“自上而下”的过程。

制作微纳光纤所用的原材料可以单模光纤、块状玻璃（包括各种材料及各种掺杂）或者熔融的聚合物。

下面着重介绍单模光纤的制备方法。

1.2.1由单模光纤拉制微纳光纤

2003年,来自浙江大学和哈佛大学的Ltong及其同事们首次提出并演示了用火焰加热拉伸法拉制微纳光纤。

这种微纳光纤的制备方法使用普通的酒精灯作为加热装置,其具体的拉制过程可分为以下两个步骤。

第一步的拉制过程与从预制棒中拉制单模光纤的加工工艺相类似,在这里是将普通的单模光纤作为预制棒进行拉制。

如图1.2（a）所示,将普通单模光纤的一小段放在酒精灯上加热至熔融状态,然后对单模光纤的两端施加一定的伸力,通过对拉伸速度的控制,可以得到直径在微米量级的微纳光纤。

如果希望得到直径更细的微纳光纤,需要对已经得到的微米量级的微纳光纤采取进一步的加工。

在这一过程中,需要先将第一步拉制的微纳光纤缠绕在拉锥的蓝宝石光纤的尖端,然后用酒精灯加热蓝宝石光纤,将缠有微纳光纤的蓝宝石尖端置于火焰之外,如图1.2（b）所示。

因为蓝宝石光纤具有较高的熔点,当单模光纤成熔融态时,蓝宝石光纤仍然保持固态；

并且蓝宝石光纤有较高的导热系数,在加热一定时间之后,整个蓝宝石光纤将具有较高的并且均匀的温度；

同时拉锥的蓝宝石光纤的尖端使得热场分部更加集中和稳定,而且不会受到火焰向上的热气流冲击的影响。

这样再拉伸缠绕在蓝宝石光纤尖端的微纳光纤时,就可以得到更细,直径更加均匀的微纳光纤,其最小直径可以达到50nLm。

上述微纳光纤的制备方法虽然在《Nature》上发表后引起了研究者们的广泛关注,但是此方法仍然存在一些问题:

第一,是微纳光纤因为极轻的质量容易受到周围气流扰动的影响；

第二,拉制过程中,拉力或速度通常是保持不变,纤施加的拉伸力,平稳性要求极高,相对于变细后的微纳光纤就有些过强；

第三,这样对较粗的微纳光此方法对拉伸过程的特别是当微纳光纤变细后,当拉制过程有轻微扰动时,会容易使拉锥区折断。

基于以上原因,LTong等研究者在之前研究的基础上,又提出了自调节拉锥法。

此方法拉制的主要特点是利用光纤拉锥区的张力自动调节所需要的拉力。

如图1.3所示,拉制过程中,让拉锥区域形成一定的弯曲弧度,当微纳光纤直径较大时,弯曲发生在较粗的拉锥区域,就会给微纳光纤施加一个较大拉力,正好满足直径较粗2003年,来自浙江大学和哈佛大学的LTong及其同事们首次提出并演示了用火焰加热拉伸法拉制微纳光纤。

如图1.3所示拉制过程中,让拉锥区域形成一定的弯曲弧度,当微纳光纤直径较大时,弯曲发生在较粗的拉锥区域,就会给微纳光纤施加一个较大拉力,正好满足直径较粗的微纳光纤的拉制需要；

而当微纳光纤的直径变细后,拉锥区的弯曲移至较细的区域,这样施加在微纳光纤上的拉力也随之变小。

自调节拉锥法正式由于弯曲张力在拉制过程中会随着微纳光纤直径的变化自动改变大小而得名。

使用这种拉制方法获得的微纳光纤直径最小可以达到20nm,直径均匀度可以达到0.1%。

1.2.2其他制备方法与其对比

①由块状玻璃拉制微纳光纤②聚合物微纳光纤的制备③利用C02激光器加热的制备方法④利用电极加热的制备方法[2]。

1.3微纳光纤应用的研究现状

微纳光纤具备很多独特而有意义优点,比如微纳光