微纳光纤功能化的研究

【摘要】：微纳光纤作为一种典型的微纳光波导,是构建微纳光子学器件的重要基本单元。由于微纳光纤尺寸较小、表面倏逝场较强、色散可调,所以在微纳传感器、微纳激光器、非线性光学等研究领域获得了广泛的研究和应用。然而,单一的材料和结构使微纳光纤的应用受到了较强的限制,微纳光纤的功能化则提供了一种拓展微纳光纤应用范围的有效途径。常见的微纳光纤功能化方法可以分为两大类:材料功能化和结构功能化,具体的实现方法包括:直接掺杂、表面修饰、功能组装和微纳加工等。基于功能化微纳光纤,不仅可以构建更为丰富的主动型和被动型微纳光子学器件,还可以为表面等离子体、非线性光学和量子光学等基础研究提供优良的研究平台。本文中,我们以氧化硅微纳光纤为例,利用一种改进的浸没涂覆法进行表面涂覆,实现了微纳光纤的功能化。我们首先从传输模式,模场分布和色散特性三方面对功能化微纳光纤的波导特性进行了理论研究。随后,利用表面涂覆进行了微纳光纤功能化的实验研究。研究内容包括三方面:(1)微纳光纤的色散调控。利用PDMS薄膜进行氧化硅微纳光纤的表面涂覆,由于微纳光纤群速度色散取决于直径,通过改变薄膜厚度我们可以进行微纳光纤群速度色散的原位精细调控。测量结果表明,零色散波长调控的范围大于30 nm。同时,数值计算结果表明,群速度色散精细调控在四波混频和超连续产生等非线性光学研究中都具有潜在应用。(2)微纳光纤的增益功能化。从薄膜的材料功能化出发,我们采用铒镱共掺溶胶凝胶薄膜进行氧化硅微纳光纤的表面涂覆。利用表面倏逝场泵浦铒镱共掺薄膜,我们可以实现微纳光纤在C波段的增益功能化。得益于氧化硅微纳光纤较低的传输损耗和耦合损耗,我们最终在4.5 cm长的增益功能化微纳光纤上实现了0.8 dB的净增益输出。(3)微纳光纤长周期光栅的制备。从薄膜的结构功能化出发,我们利用PMMA薄膜和紫外曝光相结合的方法进行微纳光纤长周期光栅的制备,所得光栅的应变灵敏度为-1.93 pm/??,温度灵敏度为-12.75 pm/°C。由于直径较小,微纳光纤长周期光栅具有较高的轴向外力灵敏度。进一步缩小聚焦光斑还可以为我们进行复杂微纳结构加工提供可能。