基本内容

进入 21 世纪，伴随光纤通信朝着超高速、超大容量和超长距离的方向发展，以及器件设计理论和制备工艺技术的发展，人们对器件工作性能和集成度的要求不断提高，器件的微型化已成为科学技术研究与应用的重要趋势之一。 其中，微纳光波导是研究微纳光子学现象和构筑微纳光子器件的重要基石，是当前纳米光子学领域的研究热点之一。 与其它种类的微纳光波导 （如硅基平面波导、 金属表面等离子体波导）相比，微纳光纤具有极低的耦合损耗 、粗糙度极低的波导表面、高折射率差的强限制光场、大百分比的倏逝场、极轻的质量和灵活的色散特性等优点。 这些特性使得微纳光纤在光纤光学、近场光学、非线性光学和量子光学等基础研究和微纳尺度的光传输、 耦合、调制、谐振、放大和传感等器件方面都具有潜在的应用价值，近年来吸引了越来越多研究者的注意。

近年来， 微纳光纤以其损耗小、 价格低 廉、 易 于批量生产等优点， 被广泛应用于探测、 医疗、 通信等各个领域， 发挥着不可或缺的作用。微纳光纤的制造工艺和结构特性， 微纳光纤对于光场的调制， 以及微纳光纤对于输出光束的光束质量的影响等受到人们越来越多的关注。孙伟民等研究了熔锥光纤的制作工艺及测量方法； 孙爱娟等研究了熔锥光纤的传输特性； 张娜等利用锥形光纤制作了测量液体参量的传感器； 李立波等利用锥形光纤实现了对大 模 场 光 纤 激 光 器 光 束 质 量 的 改 善； 段 云 峰等利用熔融拉锥光纤制作了全光纤的脉冲光纤放大器； Orucevic等研究了锥形光纤近场的传输情况； Mi y azaki等使用拉锥的多模光纤来获得小尺寸的光斑； Brambilla等研 究 了 锥 形 光 纤 的 制作和应用。

微纳光纤制备

19 世纪 80 年代，英国科学家 Boys 等人就尝试从高温熔融的矿石中拉制出玻璃细丝，并研究它们的机械性能和用途。 由于当时条件和技术的限制，没有深入研究。 直到一个世纪以后，当光波导理论完整地建立起来之后，研究者才开始对这些由玻璃光纤拉制而成的微纳光纤的光学用途展开研究。 由于玻璃材料的非晶性和黏滞特性，采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。 一个典型的微纳光纤拉制系统中用一个可以往返移动的火焰对一根普通裸光纤进行加热，当光纤中部被加热至软化温度时，在光纤两端施加一定的拉力使光纤向两边拉伸，通过精确控制加热源的温度和拉伸速度，可以在光纤中部获得微纳光纤。 采用该方法制备的微纳光纤具有表面光滑度高、直径均匀性好、长度较长和便于后续操作等特点。

为获得直径更小的微纳光纤，童利民等提出火焰加热二步拉伸法：采用微米量级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，进一步拉伸制备小至 50nm 的微纳光纤，并且保持着良好的直径均匀度。 为了提高所制备的微纳光纤的重复性和降低光学传输损耗，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的微纳光纤；Sumetsky 等和 Ward 等使用 CO2 激 光、陈 险 峰 等采 用 金 属 电 加 热 作 为 加热 源，均 由 普 通 玻 璃 光纤成功制备出微纳光纤。

虽然采用上述方法容易制备出高质 量的微纳光纤，但均需要利用传统玻璃光纤作为原材料，这很大程度上限制了微纳光纤的材料。 为了扩充微纳光纤种类，探索由各种材料制备的微纳光纤的特性并研究其构建的微纳光子器件的功能，童利民等又提出了从块状或粉末状玻璃材料中直接拉制微纳光纤的方法，减 少 了 对 原 材 料 的 量 的 需 求 。 此 外 ，Harfenist 等、Yang 等、Gu 等和李宝军等还通过各种方法制备具有良好光学传输特性的高分子材料微纳光纤。

微纳光纤特性

微纳光纤主要用于传导光能，对其而言，光学损耗是重要参数。童利民等人在测试中发现，633nm 波长的光在直径为 190nm 的氧化硅微纳光纤中传输，其传输损耗为 1.7dB/mm[3]，与其它同尺寸大小的微纳光波导相比其传输损耗小得多。 目前已经报道的氧化硅微纳光纤在 1550nm 波长处最低损耗约为 1.4dB/m。

微纳光纤的包层一般为空气或者水 等低折射率介质，纤芯和包层折射率差较大，光纤对光场的约束能力很强，因此，微纳光纤弯曲损耗很低，虞华康等对微纳光纤弯曲损耗进行了相对系统的理论研究。 同时，因为折射率差较大，传统光纤用来研究其模场分布特性的弱导条件已不再适用。 童利民等通过精确求解 Maxwell 方程组， 给出微纳光纤基模的模场分布和群速度色散等特性：一般而言，当微纳光纤直径大于传输光波长时，它对模场的约束能力随着直径减小而增大；当直径减小到波长或亚波长量级时，模场面积将达到一个极小值，相应微纳光纤的光场约束能力达到最大值（如果选择恰当的微纳光纤，模场的等效直径可达到亚波长量级）；若进一步减小微纳光纤直径，它的光场约束能力将逐渐减弱， 模场也随之扩散，从而导致相当大比例的光能量（可高达 90%）以围绕光纤表面的倏逝波的形式传输。 Sumetsky 等从理论上预测了当微纳光纤直径小于传输光波长的 1/10 时，微纳光纤将不能用来作为传导光介质。 Chen 等用亚波长的太赫兹波导证实了上述结论；Kien 等对微纳光纤模场分布的解析表达式做了详细分析；Huang 等采用数值模拟的方法，比较系统地研究了两根微纳光纤之间倏逝波耦合情况；Wang 等从理论上详细分析了微纳光纤传导模受端面的影响情况以及输出特性。

波导色散在光脉冲传输和光纤非线 性效应中有着重要的意义。 童利民等通过计算微纳光纤中传导模群速度和波长的关系，获得微纳光纤的波导色散远大于弱导光纤的波导色散和材料色散的结论。 而且，不同直径的微纳光纤在传输同一光波长时，波导色散也将发生明显移动，因此，选择恰当直径的微纳光纤可以对其波导色散进行有效调控。 微纳光纤这种色散可调控的特性使其在与色散有关的光通信和非线性光学等领域中具有重要应用价值，例如，通过调控微纳光纤色散，可以降低激发光的功率阈值、减小非线性相互作用长度等。 目前研究者已经在微纳光纤中实现诸多非线性效应，例如三次谐波的产生、受激多喇曼散 射、光 孤 子 的 形 成 与 传 播和 超 连 续 谱 的 产 生等。

微纳光纤器件

利用微纳光纤操作简单、 倏逝波耦合等特性，目前研究者们成功研制出多种基于微纳光纤的谐振腔。根据谐振腔结构大致可分为 三类 ： 圈型谐 振腔(loopresonators)、结型谐振腔(knot resonators)和卷型 谐振腔(coil resonators)。 Sumetsky 等首先报道了将微纳光纤绕圈形成谐振腔的方法：将微纳光纤两端通过拉锥端与单模光纤相连，借助光学显微镜操作形成圈型结构。微纳光纤圈型谐振腔的耦合区依靠静电力、范德瓦尔力和摩擦力相互作用维持，谐振腔的自由光谱区取决于微纳光纤圈的大小，谐振峰的形状则与耦合系数有关，通过微调节光纤圈尺寸从而改变谐振腔的自由光谱区和谐振峰形状。

由于圈型结构耦合区是通过相互作用力来保持，容易受到外界环境干扰，结构不够稳定，童利民等对结型谐振腔耦合区进行改进 ，通过将微纳光纤相互缠绕，增加微纳光纤间的摩擦力，形成结构更为稳定的结型谐振腔。 Jiang 等所制作的结型谐振腔的品质因子可达 10000 以上。 结型谐振腔可通过拉拽微纳光纤的一端来改变谐振腔的大小，而且谐振腔可以在低折射率衬底表面或者液体中稳定工作。Sumetsky 等报道了微纳光纤卷型谐振腔，它是多圈微纳光纤间通过倏逝波耦合形成的三维结构谐振腔。由于微纳光纤谐振腔具有高品质因子、小尺寸等特点，研究者们实现了多种微型光纤激光器。 Jiang 等用结型谐振腔实现了稀土掺杂的微型激光器。 实验使用 975nm 波长激光作为泵浦光，当最大泵浦功率为12.8mW时，最大输出功率约为 8μW。 此后他又实现了基于倏逝波增益的微纳光纤结型染料激光器。 近期，肖尧等在光学显微镜下将单根 CdS 纳米线折叠成微环反射镜，形成耦合的复合谐振腔结构，并通过游标效应选模，实现其稳定的低阈值单模激光输出。

微纳光纤具有小尺寸、大表面体积比、强倏逝波传输特性等特点， 使它们对外界环境表现出高灵敏、快响应速度和较低的探测极极限等优势，因此在光学传感方面具有潜在应用价值。 Polynkin 等报道了一款基于微纳光纤的微流折射率传感器，并用其测量不同浓度的甘油水溶液的折射率，实验结果表明其测量精度约为 10-4。Villatoro 等设计了一个用于测量氢气浓度的微纳光纤传感器， 实验中氢气浓度为 3.9%时，该传感器的响应时间约为 10s， 这比其它光学氢气传感器快了 3～5 倍。 谷付星等直接从掺杂的高分子溶液中拉制出具有特定功能的高分子纳米线，并通过微纳光纤倏逝波耦合的方式将光有效地输入 、 输出纳米线，研制成了用来检测湿度和气体浓度的光学传感器。 实验中，单根聚丙烯酰胺（PAM）纳米线可以检测35%～88%的相对湿度，响应时间约为 30ms，比现有的电学湿度传感器快 1～2 个量级； 单根溴百里香酚蓝（BTB）掺 杂 的 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 脂 （PMMA） 纳 米 线 对NH3 气 体 的 灵 敏 度 可 以 达 到 3ppm， 响 应 时 间 约 为1.8s，这比传统薄膜传感器快很多。 此外，微纳光纤在冷原子的俘获与传导、量子光学等领域也具有潜在应用价值。

熔锥光纤的制作

火 焰 熔 融 拉 锥 法 制 作 熔 锥 光 纤 ，首先将单模光纤用丙酮溶液浸泡， 以去除它的涂覆层。然后将其置于氢氧焰上加热， 在其熔融过程中用计算机控制步进电机沿轴向向两端匀速缓慢地拉伸光纤， 直至得到所需要的较细的锥腰尺寸为止。这种方法制成的微纳光纤具有包层和纤芯直径同步、 同比例变化的特点。一般认为在整个过程中，包层和纤芯直径的比不变。与腐蚀法制作的锥形光纤相比， 熔锥光纤可以很好地将光场的各阶模限制在纤芯里面传播，从而达到降低损耗的目的。

理论分析FDTD 方法是 K．S．Yee于1966 年 提 出 的， 它直接对微分形式的麦克斯韦方程组做差分处理， 得到了关于场分量的有限差分式， 从而回答了电磁波在电磁介质中传输和反射等问题的算法。FDTD 计算域空间采用 Yee元胞的方法， 即每一个磁场周围有四个电场分量， 同样的每一个电场附近也有四个磁场分量。电 场 和 磁 场 在 空 间 和 时 间 域 上 交 替 抽样， 用具有相同电参量的空间网格去模拟被研究体，选取合适的初始值和计算空间边界条件， 可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解， 通过傅里叶变换 可 求 得 三 维 空 间 的 频 域 解。采用FDTD 方法， 模拟了微纳光纤对于光场强度分布以及光束质量因子 M2 值的影响。对比通过普通单模光纤和通过熔锥微纳光纤的输出场强度分布， 以及计算得到的它们各自的光束质量 M2 值可以明显地看出熔锥得到的微纳光纤对于光场分 布 以 及 光 束 质 量 M2 值 都 有 着 很 好 的 改 善作用。