[发明专利]具有长周期光栅的光子晶体光纤的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤，更具体地说，涉及一种具有长周期光栅的光子晶体光纤的制备方法。

背景技术

光子晶体光纤(PCF)是指一类在其长度方向具有波长尺度的微结构的光纤。根据它们的导波机制，可分为折射率引导型PCF和光子带隙滤波器(PBF)。在折射率引导型PCF中，通过在具有气孔阵列的玻璃(硅)基质中形成的降低了折射率的波导覆层材料中产生的改进的全内反射，光波被约束在固态芯中。在PBF中，光波通过从光子晶体覆层上反射而被约束在低折射率芯中。具有与覆层带隙相应的传播常数的光波不能逃离芯中，因此光波以低的损耗率沿着光纤传输。

PBF中的最显著进步是光波在空气芯中的传导性能。因为空气芯PBF中的光波传导的卓越性能，对此类光纤的理解、设计和制造已经有了很大的进步。

已有损耗低于1.2dB/km的实用PBF的报道。光波在空气中传播具有许多优点，例如，具有较低的瑞利散射、较小的非线性、较高毁坏阈值、新的色散特性和相对于传统光学光纤的可能的较低的损耗。这些性质很可能对光学信号的传播、高功率激光脉冲传播和成形等具有持久的作用。PBF的空芯特性也允许长距离的光纤芯中强的光/材料相互作用，可作为开发高敏感和分布式气体和液体传感器的新平台，并用于研究气体的非线性光学性能。为了增加技术的影响，需要光纤中的部件，例如，需要用波长/偏振选择滤波器来操控不同波长/偏振的光波。这些部件在传统玻璃光纤技术中已得到广泛研发，但仍然无法应用于空芯PBF中。

长周期光栅(LPG)一般是通过沿着光纤的纵向进行折射率的周期性的扰动而形成的。扰动周期(Λ)的范围一般在100μm至1mm的范围之间。这样的LPG在芯模和覆层模之间产生耦合，共振或相位匹配波长(Λres)由(1)式给出：

Λ_res，m＝(n_co-n_clad，m)Λ        (1)

其中，n_co和n_clad，m分别是芯模和第m阶覆层模的折射率。n_co和n_clad，m是波长的函数。通常，具有多个覆层模，式(1)在多个波长处均得到满足。满足式(1)的波长通常是离散的，彼此之间相隔几十nm至几百nm。当芯模中的光波传播时与LPG相互作用，那些满足式(1)的波长就耦合到覆层模并损耗。因此，LPG可以作为选择性地衰减芯模中的满足式(1)的波长的光谱陷波滤波器。对于特定的光纤来说，滤波器的波长可通过选择周期Λ和模的阶数m来设计。LPG也可作为传感器来使用，因为n_co和n_clad，m和Λ通常对例如应力和温度这样的外部环境参数敏感。尤其是n_clad，m对靠近光纤表面的外部折射率的改变很敏感，因此可以用于感知这样的参数。

LPG可用传统光纤、折射率引导型光子晶体光纤(ID PCF)来制造，也可通过填充高折射率液体到ID PCF中得到的实芯PBF来制造。形成这样的LPG的主要机制是通过UV光敏性、外部施加的应力、残留应力松弛、玻璃结构改变导致芯(有时也包括覆层)材料的折射率变化。然而，目前为止，至今未见有关空气芯PBF中的LPG的报道，可能是由于将折射率调制引入到空气孔(超过95％的光能量在其中)中是非常困难的。为了在这样的空芯光纤中刻LPG，需要一种不同于材料的折射率扰动的机制，因此这样制得的光栅的性质也可不同于实芯折射率引导型光纤中的LPG的性质。

因此，本发明的目的是提供一种在空芯光纤形成LPG的机制，并提供一种制备这样的LPG的方法，并探讨这种LPG的潜在应用前景。

发明内容

本发明涉及长周期光栅(LPG)，其可通过周期性地改变空芯PBF中气孔的形状、大小和分布而形成。光纤截面几何形状的周期扰动(perturbation)共振地将基模耦合到中间的更高阶模或类表面模，且进一步地耦合到准连续有损耗覆层和辐射模，导致传输光谱中的凹陷(notch)。