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南开大学现代光学研究所 涂勤昌 张伟刚 开桂云 袁树忠 董孝义
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通信技术及高精度、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，选择最优化的写制方法。
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最近的空气孔之间，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，从而获得高精度的测量结果；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的最新写制方法，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。
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作者简介：
涂勤昌(1981-)，福建长汀人，南开大学现代光学研究所硕士研究生，研究方向为光纤通信及光纤传感技术。
