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【信息技术】微纳光纤及其应用进展(1):背景及制备技术
醉卧青云 2015-11-20
导语

微纳光纤是一种典型的微纳尺度光波导,由玻璃材料通过高温拉伸方法制备,直径一般在几十纳米到几微米之间,长度可以达到毫米或厘米量级,文献中经常被称为纳米拉锥(nanotaper)、微米光纤(microfiber)、纳米光纤(nanofiber)、微纳光纤(micro- /nanofiber)、超细光纤(ultra-thin optical fiber)等,为简单起见,在这里我们称之为微纳光纤。

近年来,器件的微型化成为科学研究和技术发展的重要趋势之一。与电子器件相比,光子器件的微型化研究起步较晚,微纳尺度的光子器件研究始于涉及大容量信息处理的光通信等行业,比如,在光纤通信系统中,为提高光信息处理容量和器件集成度,必须减小光子器件的尺寸。同时,在电子信息处理领域,发展微纳尺度上的光电混合技术也成为当前的重要方向之一,比如,随着集成电子技术的发展,中央处理器(CPU)芯片的处理速度和容量快速增加,传统电导传输的方式将难以胜任芯片之间的大容量高速数据传输,使得研究者们开始考虑采用小尺度上光互连的方法来解决这个问题[1,2]。

作为微纳光子器件中最基本的光信息传输单元, 微纳尺度的光波导结构是当前光子学领域的研究热点之一。微纳光纤是一种典型的微纳尺度光波导,由玻璃材料通过高温拉伸方法制备,直径一般在几十纳米到几微米之间,长度可以达到毫米或厘米量级,文献中经常被称为纳米拉锥(nanotaper)、微米光纤(microfiber)、纳米光纤(nanofiber)、微纳光纤(micro- /nanofiber)、超细光纤(ultra-thin optical fiber)等,为简单起见,在这里我们称之为微纳光纤。与其他种类的微纳光波导(比如硅基平面波导、金属表面等离子体波导)相比,微纳光纤具有易于制备、结构简单、均匀度高、传输损耗低、物化性能稳定和机械强度高等特点,而且可以方便地与现有光纤系统耦合和集成,近年来受到越来越多的关注[3,4]。

由于微纳光纤的直径接近或小于传输光的波长,光纤与环境包层之间的折射率差很大,因此,与普通光纤相比,微纳光纤具有一些特殊的光学特性[5]。比如,强约束能力—可以将光约束在具有亚波长截面的模场上传输,强倏逝场—光纤外传输的倏逝场能量比例可以超过90%,异常波导色散—波导色散可以远高于材料色散,从而使总色散取值范围比常规光纤大几个数量级。另外,高温拉伸法制备的微纳光纤均匀度很好,机械强度很高[6-9]。这些特性使得微纳光纤在光纤光学、近场光学、非线性光学、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、传感等器件方面具有潜在的应用价值。


早在19世纪80年代,英国科学家C. V. Boys就从高温熔融的矿石中拉制玻璃细线,研究玻璃细线的机械特性和基于机械特性的用途[10]。研究者将玻璃细线绕成线圈,用作电流计指针的弹簧。由于当时光波导理论还没有完整地建立起来,所以人们没有考虑用这些细线来传输光。

上世纪七八十年代,随着光纤技术的快速发展,人们开始使用高质量的玻璃光纤作为原材料拉制微纳光纤,用于光的传输[11-13]。由于玻璃材料的非晶性和粘滞特性,利用火焰或激光加热拉伸玻璃光纤可以很容易地获得直径小至微米量级的光纤。图1是一个典型的微纳光纤拉制系统示意图,使用一个可以往返移动的火焰(通常是氢氧焰)加热一根去除保护层的玻璃光纤的中部,并在光纤两端施加一定的拉力。当光纤中部被加热到软化温度时,光纤向两边拉伸,在中部得到被拉细的微纳光纤。若选用恰当的加热装置,并精确控制加热的温度和拉伸的速度,拉锥的形状可以得到严格控制,从而得到近乎理想的绝热拉伸[14]。

图1. 典型的微纳光纤拉制系统示意图

这种方法获得的微纳光纤表面质量高、均匀性好、长度较长,便于后续的操作。另外,在拉伸过程中,纤芯和包层等比例缩小。当光纤的总体直径小至微米量级时,原来的高折射率纤芯直径减小到纳米量级(小于传输光的波长),而且原纤芯与包层的折射率差很小(一般<0.01),因此,对于利用环境气体(或真空)或水等低折射率介质作为包层的微纳光纤来说,原纤芯与包层的折射率差可以忽略,拉细后的光纤整体可以看成一根均匀的纤芯。

为获得更小直径的微纳光纤,童利民等提出蓝宝石光纤辅助的二步拉伸法[6,7],以微米直径的微纳光纤作为原材料,通过加热的蓝宝石光纤锥约束和稳定高温拉伸区,进一步拉伸获得直径可小于50纳米的微纳光纤,并保持较好的直径均匀度。为提高微纳制备的可重复性和降低传输损耗,G. Brambilla等通过改进商用光纤耦合器制作装置的加热源,高重复性地制备了超低损耗微纳光纤[15]。随后,G. Brambilla等又使用类似装置拉制成功化合物玻璃纳米线[16]。此外,M. Sumetsky和J. M. Ward 等使用CO2激光 [17,18]、陈险峰等使用金属电加热片作为加热源[19],均从普通玻璃光纤拉制成功微纳光纤。

在上述制备方法中,均需要使用现成的玻璃光纤作为原材料,使得微纳光纤的材料种类受到限制。当然,也可以将所需材料先拉制成光纤,作为原材料进一步拉制成微纳光纤,但大大增加了制备的复杂程度和费用。为了扩展微纳光纤材料的选择范围,并简化制备方法,童利民等提出了从块体或粉末状玻璃材料中直接拉制微纳光纤的方法[20]。如图2所示,首先用加热的蓝宝石光纤熔融并蘸取少许玻璃材料,并保持其熔融状态,然后用另一根蓝宝石光纤接引此玻璃熔体,降低加热强度至适合玻璃拉伸的温度,快速拉开蓝宝石光纤,从而在两根蓝宝石光纤之间获得玻璃微纳光纤。

 

图2 从块体或粉末状玻璃材料直接拉制微纳光纤示意图

上述方法制备的微纳光纤具有直径均匀、表面质量高等优点。比如,对于典型的氧化硅材料微纳光纤,直径不均匀度小于千分之一,表面粗糙度小于0.3 nm。图3给出氧化硅微纳光纤的典型电子显微镜形貌照片,图中两根光纤的直径分别为4 mm和150 nm,光纤直径均匀,表面质量好,可以很好地满足低损耗光学传输的应用要求。

 

图3 高温拉伸法制备的微纳光纤的典型形貌

除了玻璃之外,高分子材料也常常被用来制备微纳光纤,并具备良好的光学传输性能。S. A. Harfenist、H. Liu、杨青、谷付星等报道了从高分子溶液中拉制微纳光纤的实验结果 [21-24],李宝军等报道了从加热的高分子熔体中拉制微纳光纤的实验结果[25,26],均获得了较好的光学传输特性。

本文原创,作者清华大学李宇航博士,授权发布,如若转载,请注明出自e科网


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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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