光子晶体光纤光栅的制备方法及其应用

　　摘要: 介绍了国内外几种典型的光子晶体光纤光栅的制备方法，并分析了光子晶体光纤布喇格光栅、长周期光栅的模式耦合特性及其光通信及光传感领域中的应用前景。

　　光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）是近年来兴起的、十分引人入胜的一种具有微结构的新型硅玻璃光纤。自1996年英国Bath大学的Knight等人首次制造了具有光子晶体包层的光纤后[1]，PCF由于具有一系列“奇异”的光学特性而倍受重视[2,3,4,5]。PCF，又称微结构光纤（Microstructured Optical Fiber, MOF）或多孔光纤（Holey Fiber, HF），其结构特点是光纤横截面具有周期性微孔结构，如图1所示。由于PCF包层微孔的大小与波长数量级相同，故可通过优化设计微孔大小、填充率以及排列等方式获得一系列“奇异”的光学性质。与常规光纤相比，PCF具有如下独特的光学特性：无穷尽单模传输[2]、高非线性[3]、大模场面积[4]、可控色散特性[5]等。基于此，PCF不仅有可能成为比常规光纤更优异的光传输介质，而且还可以用来制作各种前所未有的、功能新奇的光子器件。因此，具有周期结构的PCF已迅速成为光电子领域的前沿热点[6,7]。

　　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。

　　近年来，随着PCF的理论研究逐步深入及其制造技术和工艺的不断完善，基于PCF的器件及其应用正方兴未艾，其中包括基于模式耦合的PCF器件，如滤波器等。因此，在PCF上写入光栅就成为研制基于PCF模式耦合器的基础。

　　光纤光栅是光纤导波介质中物理结构的周期性分布，是一种新型的光无源器件，其作用在于改变或控制光波在该区域的传播行为与方式。光纤光栅的出现，深刻地影响着光纤信息传输的设计及光子器件的研制，它使许多复杂的全光纤通信和传感网络成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围[8]。目前，高速率、大容量的DWDM通信技术及高、多参数、分布式传感技术的发展对FG的性能和灵活性提出了更高的要求，如光栅谐振波长可以调谐、包层模耦合可以控制以及对应变和温度等物理量更加敏感等，从而促使发展新的、特殊光纤光栅。

　　PCF和传统的光纤光栅写入技术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：二维或多维光子晶体、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。

　　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限制，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。

　　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，选择化的写制方法。

　　2 光子晶体光纤光栅的应用

　　光纤光栅的出现是光纤技术发展的又一个具有里程碑意义的事件，在光通信及光传感领域获得极为广泛的应用。而PCF是在普通光纤波导结构变革上迅猛发展起来的、具有诸多奇异光学特性的玻璃硅导材料。随着PCF的研究深入及PCFG制备技术的完善，研制基于PCFG的新型光子器件也逐步成为光电子学领域的前沿课题。

　　2.1 外界折射率不敏感的PCFG

　　传统光纤光栅的包层谐振波是在空气硅界面上相干反射形成，如果光栅所处的外界环境发生变化，则其传输谱亦随之改变。虽然这种效应可以用来测量外部折射率、浓度等物理量；但是在测其它参量时，往往需要剔除外界环境变化因素，即需要具有对外界折射率不敏感的性质光纤光栅器件。在文献[9]中，该作者把PCFG浸入折射率n＝1.457的匹配液中，其透射谱几乎不变，如图2(a)、3中的虚线所示。他们的实验表明：PCFG高阶泄露模基本不受光纤外部折射率的影响，写入的PCFG滤波性质由光纤横截面的气孔周期阵列结构及填充物的属性所决定，即PCFG对外界折射率具有良好的不敏感性质。我们认为，这主要是由于PCF的空气包层结构造成的：光波由纤芯耦合进入包层，当传播抵达内硅层与空气之间的界面时发生反射；这样包层模被局限在纤芯与周围近的空气孔之间，基本没有能量的泄漏，即外界环境的变化不会影响其传输特性。这种对外界折射率不敏感的性质，用在传感领域可以剔除外界扰动因素，从而获得高的测量结果；用在通信领域则可使系统在不同环境下，如海洋、水库、油田等，保持光的传输性质不变。

　　2.2 对温度不敏感的PCFG

　　传统光纤光栅已在传感领域获得广泛应用，比如用于应力、应变、位移等物理量的测量，但是由于其对应力、温度都具敏感性，这种交叉敏感效应给应力、应变等力学参量感测带来误差。为了消除温度/应力交叉敏感效应，人们通过巧妙结构设计提出不少解决的办法[15]。

　　利用热激成栅法及双光子吸收法写制的PCFG，是对PCF结构的微扰而产生的，本身具有对温度不敏感的性质，自然也就消除了温度/应力交叉效应。如Humbert. G.等人利用电弧加热的热激成栅法写制的PLPGs，在1595nm谐振峰处测得其温度灵敏度仅为9pm/oC[12]，小于Eggleton等人写制的PCFG的温度灵敏度20 pm/oC[9]，更远小于普通单模光纤光栅的温漂能力。又如普通FBG在500oC高温时就会被擦除，但N.Groothoff等人利用双光子吸收法写制的PFBG在500oC高温下的透射谱与常温下的透射谱几乎一样，具有良好的温度稳定性[14]。这种对温度不敏感的PCFG在光通信及光传感领域都有重要作用。

　　2.3 大范围宽带调谐滤波器

　　可调谐滤波器是密集波分复用系统（DWDM）的关键器件之一，并已应用于EDFA的动态增益平坦中；但普通光纤光栅滤波器的调谐范围较窄，使其实际应用受到限制。2000年，B.J.Eggleton、P.S.Westbrook 等人，在PCF上（纤芯掺锗），写入PLPG，其周期为550 [9,16]。然后在PCF的包层气孔中注入丙烯酸聚合物，其在室温下的折射率略大于硅玻璃的折射率，并通过紫外光照射加速聚合物的凝固，从而制备出聚合物-硅混合波导微结构光纤光栅，如图4（a）所示。该聚合物-硅混合波导微结构光纤光栅从25~120oC的温度区间，其谐振波长漂移量超过100nm，为普通FG的10倍以上，如图4（b）所示，其中的谐波是纤芯基模与低阶包层模耦合产生的。他们利用聚合物折射率随温度增加而减小的特性，获得了超过100nm的大范围带宽调谐能力，可用来制造适用于大容量光通信领域的调谐滤波器等相关器件。

　　此外，PCFG作为高反元件，PCFG还可以用于光纤激光器的腔镜制作；也可用于全PCF的Mach-Zehnder干涉仪[17]。另外，随着研究的深入，PCFG也可应用于波分复用、光孤子通信、超窄光脉冲、多维传感等领域。

　　3 展 望

　　本文介绍了国内外PCFG的写制方法，并介绍了其在光通信及光传感中的应用。在国内，我们课题组已率先写制出PFBG，并对PFBG温度和应变传感特性进行了初步研究。在有关PCFG的机理分析、写制方法和工艺技术等方面，我们已取得一些初步的成果。作者认为，通过改建、升级原有的普通光纤光栅写入设备，利用已积累的光纤光栅制备技术经验，可望在特种PCFG的写制以及PCFG制作的标准化、工程化等方面取得突破。

　　随着PCFG的成功制备以及对PCFG认识的加深，各种基于PCFG的光子器件的研制，如各种PCFG激光器、PCFG放大器、PCFG滤波器以及PCFG多维传感器等，也将随之兴起和发展。而研制结构新颖、功能优异的各种基于PCFG的新型光子器件，结合应用具有“奇异”光学特性的PCF，将给光纤技术的深远发展带来重大突破，为光通信与光传感的发展提供新思路、新方法及新技术，并为设计、研制基于PCFG的新一代性能优异的光子器件开辟广阔的应用领域。