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1、毕业设计文献综述电子信息科学与技术微纳光纤的光学传输特性研究摘要：微纳光纤是一种典型的微纳光波导，因制备简单、损耗低而受到越来越多的关注.将玻璃材料通过不同方法制成微纳米直径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、大比例倏逝波传输和大波导色散等特性1-4，在光通信、传感和非线性光学等领域具有良好的应用前景。微纳光子器件通过在波长和亚波长尺度上对光的操控，实现各种各样的功能，例如微纳传感器，微纳激光器，微纳干涉仪等。关键词：微纳光纤，低损耗，倏逝波。1 引言虽然普通标准光纤应用已经相当广泛，但是随着科学技术的发展，微纳光纤的诞生必
2、然的。近年来，科技研究应用的趋势之一就是器件的微型化，相比较电子器件，研究光子器件的微小化才起步。对光子器件微型化的研究，一个方面是光纤通信行业对高速数据传输的要求，另一个方面是虽然光纤回路网络已经架设好，但在现在的光学网络里，光子器件的大尺寸还是无法满足要求。而发展微纳尺寸上光学技术也是微电子学技术领域的根本需求。由于电子技术集成度的进步，单位面积上的电子芯片数量大大提高，芯片间的通信数据量成为集成电子技术的一道难关，这个时候，使用微纳光波导来实现电子芯片间通信的办法进入研究者的视野。随着对微观尺度材料的光学特性的持续研究，研究人员发现了一些很具有研究价值的光学现象，并通过这些现象研究具有各
3、种作用的微观光学设备。而具备这些光学现象的最小单元就是微纳光纤。对微纳光纤的研究，人们很早就开始表现出兴趣。早在19世纪80年代，英国科学家C. V. 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，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4。但是，直到上世纪六、七十年代后，随着对光波导深入研究以后人们开始考虑玻璃细线可以用来传输光4,5。因为在很大的光谱范围，玻璃材料都是透明的，所以比较简单去获得很纯净的材料，并且传输损耗比较小，通过熔融拉制光纤，玻璃可以作为制作波导的相当好的材料。正是由于这个因素，光纤技术在接下来的40多年中得到了迅速进步。
4、2 微纳光纤的制备2.1 高温物理两步拉伸法6 2003年，童利民教授使用火焰加热两步拉伸的方法，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100m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110m/s。图1 两步拉伸法2.2 局域熔化玻璃材料直接拉制法8虽然上述高温拉伸方法可
5、以很容易地制备高质量的微纳光纤，但是由于需要使用玻璃光纤作为原材料，所以可用以制备微纳光纤的材料就受到限制。局域熔化玻璃材料直接拉制法解决了这一问题。如图2所示，首先使用火焰将一根蓝宝石光纤（直径为数百微米）的一端加热至足够高的温度，将一块玻璃原料接近蓝宝石光纤的高温端由于局部熔化，光纤顶部融入玻璃中；将玻璃一开，将玻璃移开，光纤顶部留下一部分熔融的玻璃；将另外一根蓝宝石光纤顶部浸入附着在第一根蓝宝石光纤顶部的熔融玻璃中；减小加热功率，使熔融玻璃的粘滞度增大至适合拉丝的程度，以一定速度（比如1m/s）拉开两根蓝宝石光纤，直至两根光纤之间形成的玻璃丝平稳拉断，在拉断的两端就形成了微纳光纤。该方法
6、可以直接使用块体玻璃作为原材料，获得的微纳光纤可以保留初始玻璃中的掺杂成分和浓度，还可以用来拉制玻璃粉末。图2 局域熔化块体玻璃直接拉直法2.3 电子束刻蚀9电子束刻蚀是通过控制高能电子束在电子束敏感材料(电子束光刻胶)上引起的物理或化学变化来制备掩模板的一种微纳加工方法。高能电子束在光刻胶上曝光后。用化学溶剂洗去曝光(正胶)或未曝光(负胶)区域。留下的区域形成所需图形的模板。在电子束刻蚀中。一般需要使用高能电子(25keV)。当被加工材料尺寸很小时。入射电子束与材料相互作用产生的二次电子是决定线宽的重要因素。另外电子束焦斑的尺寸和光刻胶的材料特性也是线宽的决定因素。目前。电子束刻蚀技术正在朝
7、高能高亮度方向发展(电压约100keV)。电子束斑直径可以达到几个纳米。使用这样的设备。可以制备的最小特征尺寸已经可以达到lOnm量级。图2.3所示是用电子束刻蚀制备的典型光刻胶掩模板的SEM照片。获得了小于20nm的线宽图3 电子束刻蚀制备掩模板的SEM照片2.4 化学生长法化学方法一直是制备新型材料的重要途径，通过化学反应即通过旧化学键的断裂和新化学键的生成实现院子、基团等之间的重新组合以获得性能更佳的物质。用化学生长技术已经可以制备出许多纳米尺寸的材料，常用的基本法有水热生长法、化学气相沉淀技术和电化学生长方法等。2.5 纳米压印法纳米压印技术是核心在于使用弹性模板作为图形转移的媒介，故
8、又称为软刻蚀技术。与传统刻蚀技术相比，它能够实现曲面刻蚀、制备三维结构，可以方便地控制接粗印刷表面的物理化学性质，用无机分子、有机分子及其复合物获得微纳器件。2.6 其他方法7其他方法还有分子组装技术，纳米加工技术，薄膜技术等。3 微纳光纤的光学传输特性虽然人们对传统光纤的光学传输特性已经进行了很好的研究，但是以前很少考虑光纤直径小于传输光的波长的情况。从理论上来说，如果已知材料特性，亚波长直径光纤的光学传输特性可以通过严格求解Maxwell方程得到。由于光纤的尺度很小，必须使用Maxwell方程的精确解15。在柱坐标系中求解具有理想圆柱对称的微纳光纤模型的步骤如下：假定光纤长度足够长，光纤内
9、部折射率均匀分布，外部为空气或水等均匀折射率环境。由于光纤的直径一般大于l0nm，所以仍然可以假定微纳光纤的折射率与大块玻璃一致。在这些前提条件下，将试探解代人Maxwel方程并结合圆柱对称的边界条件后，就可以得到关于传播常数的本征方程。使用计算机数值求解，就可以得到传播常数的数值解，进而可以计算出微纳光纤中光的传导模式、单模条件、电场和能量分布、群速度以及波导色散等一系列传输特性。通常，要使空气中的微纳光纤单模工作，即只支持基模(HE模)传输，光纤的直径必须小于传输光的波长6。例如，对于常用的波长为633nm的HeNe激光，氧化硅光纤(折射率约为146)的直径必须小于460nm才能单模工作；
10、对于高折射率的碲酸盐光纤(折射率约为205)，单模工作要求直径小于270 am。微纳光纤中传输光场能量的典型空间分布(坡印亭矢量)5如图3所示，光纤直径分别为200nm和400nm，材料为氧化硅，传输光的波长为633nm，其中圆柱光纤内部为被约束的传导电磁场，外部为被约束在光纤周围空气中的倏逝场。对于400nm直径的光纤，大部分光能量在光纤内部传输(约占72)，显示出微纳光纤对传输光场的强约束能力对于研制小尺寸光子器件和发展高密度光学集成十分有利；当光纤直径减小到200nm时，大部分(大于90)光能量转移到光纤表面附近区域，以围绕光纤的倏逝波形式传输，这种大比例倏逝波传输的特性在光学耦合和传感
11、等应用中具有独特的优势。图4 直径分别为200nm和400nm的光纤传输波长为633nm的光沿传输方向的坡印亭矢量研究表明11由于波导外表面传输的倏逝波的影响，亚微米光波导的传输损耗将随着外部环境折射率的变化而变化;波导尺寸越小、环境折射率越大，传输损耗越大.这种倏逝波的传输方式非常适用于高灵敏度探测，可应用于光化学传感器和生物化学传感器的设计.另外，波导色散的计算结果表明，微纳光纤的波导色散可以达到nsnmkm量级，比一般光纤大1到3个数量级，而且零色散波长随直径的减小而减小，使其在与色散相关的光通信和非线性光学等领域具有潜在的应用价值。有学者研究得出结果表明,平顶模式微纳光纤的色散特性10
12、，在0.31.6 Lm波段内,当改变光纤中心凹陷部分折射率取值时,其波导色散曲线随着折射率的增大红移,而且曲线极小值减小;包层折射率值变化时的规律与图5(a)正好相反;当改变光纤芯径大小时,其波导色散曲线极小值的减小幅度随芯径的增大呈逐渐增大趋势,但未有曲线移动现象,极小值点均出现在0.6 Lm波长处。但不管改变光纤的折射率还是芯径大小,在1.31.6 Lm长波段范围内,其波导色散曲线增势趋于平稳,值渐趋于零,尤其芯径大小发生变化时,这种趋势更明显。图5 不同n1（a），n3（b），a（c）时的光纤色散特性曲线 利用图6所示的耦合方式可以测量微纳光纤的传输损耗6。初步测试结果表明，对于单模运行
13、的微纳光纤，在材料的透明波段，光损耗值可低于01dBmm。最近，英国Southampton大学和Bath大学的研究人员在进一步改进制备和测试条件后，在1551xm波长处获得了低于001dBmm的单模传输损耗。与其他类型的亚波长直径光波导(如表面等离子体波导)相比，微纳光纤的损耗一般可以低1到5个数量级。图6 微光纤耦合法测量传输损耗示意图4 微纳光纤的应用 由于微纳光纤具有小尺寸、低光学损耗、强光场约束、倏逝波传输、大波导色散、抗拉强度高和易于弯曲等特性，并且可以保持传输光的相干性，所以在光通信、传感和非线性光学等领域均具有潜在的应用价值，特别是在减小器件尺寸、提高器件性能和集成度等方面。通过
14、微纳操纵，微纳光纤已经被成功地组建成耦合器，谐振腔和激光器等微纳光子器件。4.1 微纳光纤结行激光器8图7 掺杂微纳光纤环形结激光器（a）激光器示意图（其中插图为微光纤环的光学显微镜照片）（b）Er、Yb共掺磷酸盐玻璃微光纤环形结激光器输出的单纵模激光4.2 用于单细胞研究的纳米光纤生物传感器13纳米光纤生物传感器是近场光学原理的具体应用14:激光经过光纤(探针尖端固定有敏感试剂)送入调制区,使被测物质与试剂发生相互作用,引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学特性发生变化,被调制的信号光经过光纤送入纳米传感器转化为电信号再通过信号处理装置,最终获得待分析物的信息。图8 检测单个细胞的纳米
15、光纤生物传感器实验平台4.3 微纳光纤Mach一Zehnder干涉仪 光纤Mach一zehnder干涉仪（MZI）是又一种被广泛应用的光学和光子学领域的器件.通过光纤传导的两束光经历不同的光程后输出到自由空间，并在空间某处发生干涉。当输入单一波长的光时，干涉处形成空间中明暗相间的干涉条纹川.若输入宽带光源，干涉处的光谱为峰谷相间的正余弦函数.光纤中传输的光若受到外界环境的影响而改变了传播常数和光程，则干涉条纹会发生移动或透射光强会发生变化.基于上述的工作机理，光纤MZI广泛应用在温度和压力传感器中此外，光通讯中的上行/下载滤波器也可以由多级MZI实现。5 总结和展望 与电子器件类似，微型化也是光子器件的发展趋势，在波长和亚波长尺度上实现对光束的操控是微纳光子器件的核心内容.作为微纳光子器件的基石，微纳光波导成了研究的热点。作为典型的微纳光波导之一，微纳光纤具有制作方便、损耗极低、色散可调以及倏逝场较强等优异的性能引起了研究者们极大的关注。微纳光纤周围丰富的倏逝场非常有利于微纳光纤器件的微型化，可在亚波长尺度上通过对光的传输和调控，实现诸多功能.除了常规光纤器件的功能而外，还能用于研究亚波长尺度上光与物质的相互作用。相信在不久的将来，微纳光纤器件能够得到深入的研究和广泛的应用。主要参考文献1 Kien F L，Field intensity distributions
