微納光纖的光學(xué)傳輸特性研究【文獻(xiàn)綜述】

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述電子信息科學(xué)與技術(shù)微納光纖的光學(xué)傳輸特性研究摘要：微納光纖是一種典型的微納光波導(dǎo)，因制備簡(jiǎn)單、損耗低而受到越來(lái)越多的關(guān)注.將玻璃材料通過(guò)不同方法制成微納米直徑的光纖具有很好的直徑均勻度和表面光滑度，可用于低損耗光傳輸，并可在可見(jiàn)和近紅外光學(xué)傳輸中表現(xiàn)出強(qiáng)光場(chǎng)約束、大比例倏逝波傳輸和大波導(dǎo)色散等特性[1-4]，在光通信、傳感和非線性光學(xué)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。微納光子器件通過(guò)在波長(zhǎng)和亞波長(zhǎng)尺度上對(duì)光的操控，實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能，例如微納傳感器，微納激光器，微納干涉儀等。關(guān)鍵詞：微納光纖，低損耗，倏逝波。1引言雖然普通標(biāo)準(zhǔn)光纖應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，但是隨著

2、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微納光纖的誕生必然的。近年來(lái)，科技研究應(yīng)用的趨勢(shì)之一就是器件的微型化，相比較電子器件，研究光子器件的微小化才起步。對(duì)光子器件微型化的研究，一個(gè)方面是光纖通信行業(yè)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，另一個(gè)方面是雖然光纖回路網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)架設(shè)好，但在現(xiàn)在的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)里，光子器件的大尺寸還是無(wú)法滿足要求。而發(fā)展微納尺寸上光學(xué)技術(shù)也是微電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的根本需求。由于電子技術(shù)集成度的進(jìn)步，單位面積上的電子芯片數(shù)量大大提高，芯片間的通信數(shù)據(jù)量成為集成電子技術(shù)的一道難關(guān)，這個(gè)時(shí)候，使用微納光波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子芯片間通信的辦法進(jìn)入研究者的視野。隨著對(duì)微觀尺度材料的光學(xué)特性的持續(xù)研究，研究人

3、員發(fā)現(xiàn)了一些很具有研究?jī)r(jià)值的光學(xué)現(xiàn)象，并通過(guò)這些現(xiàn)象研究具有各種作用的微觀光學(xué)設(shè)備。而具備這些光學(xué)現(xiàn)象的最小單元就是微納光纖。對(duì)微納光纖的研究，人們很早就開(kāi)始表現(xiàn)出興趣。早在19世紀(jì)80年代，英國(guó)科學(xué)家C.V.Boys等人就報(bào)道過(guò)從高溫熔融的礦石中拉制玻璃細(xì)線，并研究他們的機(jī)械特性和用途，當(dāng)時(shí)他們將這些玻璃細(xì)線繞成線圈，作為推動(dòng)電流計(jì)指針的彈簧[4]。但是，直到上世紀(jì)六、七十年代后，隨著對(duì)光波導(dǎo)深入研究以后人們開(kāi)始考慮玻璃細(xì)線可以用來(lái)傳輸光[4,5]。因?yàn)樵诤艽蟮墓庾V范圍，玻璃材料都是透明的，所以比較簡(jiǎn)單去獲得很純凈的材料，并且傳輸損耗比較小，通過(guò)熔融拉制光纖，玻

4、璃可以作為制作波導(dǎo)的相當(dāng)好的材料。正是由于這個(gè)因素，光纖技術(shù)在接下來(lái)的40多年中得到了迅速進(jìn)步。2微納光纖的制備2.1高溫物理兩步拉伸法[6]2003年，童利民教授使用火焰加熱兩步拉伸的方法，從玻璃光纖拉制出了直徑均勻性很好的微納光纖。兩步拉伸的方法如圖1所示。首先，使用一步拉伸法將光纖拉細(xì)至微米量級(jí)。然后，為了在拉伸區(qū)域得到一個(gè)穩(wěn)定的溫度分布，我們用一個(gè)尖端直徑大約為100μm的藍(lán)寶石光纖錐來(lái)吸收火焰的能量，藍(lán)寶石光纖的熱慣性在光纖拉伸過(guò)程中起到保持溫度穩(wěn)定的作用。將微光纖的一端繞在藍(lán)寶石光纖錐上并放置于火焰邊緣處，調(diào)整火焰至合適溫度(約2000K)，就可以進(jìn)一

5、步將光纖拉細(xì)至納米量級(jí)。拉伸速度一般為1—10m/s。圖1兩步拉伸法2.1局域熔化玻璃材料直接拉制法[8]雖然上述高溫拉伸方法可以很容易地制備高質(zhì)量的微納光纖，但是由于需要使用玻璃光纖作為原材料，所以可用以制備微納光纖的材料就受到限制。局域熔化玻璃材料直接拉制法解決了這一問(wèn)題。如圖2所示，首先使用火焰將一根藍(lán)寶石光纖（直徑為數(shù)百微米）的一端加熱至足夠高的溫度，將一塊玻璃原料接近藍(lán)寶石光纖的高溫端由于局部熔化，光纖頂部融入玻璃中；將玻璃一開(kāi)，將玻璃移開(kāi)，光纖頂部留下一部分熔融的玻璃；將另外一根藍(lán)寶石光纖頂部浸入附著在第一根藍(lán)寶石光纖頂部的熔融玻璃中；減小加熱功率，使

6、熔融玻璃的粘滯度增大至適合拉絲的程度，以一定速度（比如1m/s）拉開(kāi)兩根藍(lán)寶石光纖，直至兩根光纖之間形成的玻璃絲平穩(wěn)拉斷，在拉斷的兩端就形成了微納光纖。該方法可以直接使用塊體玻璃作為原材料，獲得的微納光纖可以保留初始玻璃中的摻雜成分和濃度，還可以用來(lái)拉制玻璃粉末。圖2局域熔化塊體玻璃直接拉直法2.1電子束刻蝕[9]電子束刻蝕是通過(guò)控制高能電子束在電子束敏感材料(電子束光刻膠)上引起的物理或化學(xué)變化來(lái)制備掩模板的一種微納加工方法。高能電子束在光刻膠上曝光后。用化學(xué)溶劑洗去曝光(正膠)或未曝光(負(fù)膠)區(qū)域。留下的區(qū)域形成所需圖形的模板。在電子束刻蝕中。一般需要使用高能

7、電子(>25keV)。當(dāng)被加工材料尺寸很小時(shí)。入射電子束與材料相互作用產(chǎn)生的二次電子是決定線寬的重要因素。另外電子束焦斑的尺寸和光刻膠的材料特性也是線寬的決定因素。目前。電子束刻蝕技術(shù)正在朝高能高亮度方向發(fā)展(電壓約100keV)。電子束斑直徑可以達(dá)到幾個(gè)納米。使用這樣的設(shè)備?？梢灾苽涞淖钚√卣鞒叽缫呀?jīng)可以達(dá)到lOnm量級(jí)。圖2.3所示是用電子束刻蝕制備的典型光刻膠掩模板的SEM照片。獲得了小于20nm的線寬圖3電子束刻蝕制備掩模板的SEM照片2.2化學(xué)生長(zhǎng)法化學(xué)方法一直是制備新型材料的重要途徑，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)即通過(guò)舊化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的生成實(shí)現(xiàn)院子、基團(tuán)等之間

8、的重新組合