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光學工程
光子晶體光纖光柵產生的過程與現況

光子晶體光纖光柵產生有它的歷史必然性。說光子晶體光纖光柵的產生具有歷史必然性,是因為科技在不斷的發展過程中,當有新的物質被發現時,圍繞著這個物質的相關物質就會有新的突破,也就是當光子晶體這種新新的材料被發現并生產出來,那圍繞著光子晶體的光纖光柵就會產生新的物質――光子晶體光纖光柵。

自從Hill1978年制作出第一個光纖光柵,光纖光柵就迅速進入到各行各業中,特別是光纖通訊和光纖傳感,它的應用給光纖傳感帶來了質的飛躍。光纖光柵是在光纖芯層部分位置寫入折射率按一定的函數變化而形成的,使得芯層和包層產生對不同模式間的耦合效率的不同(反映在透射譜線和反射譜線上)的特性。他可以廣泛的應用在檢測和監測的傳感系統中,比如對橋梁承受的壓力進行實時監控,以保證橋梁安全,這主要是利用在不同的壓力下,光纖光柵會產生折射率的微小變化,而微小的折射率變化會使得光纖光柵的透射譜(或反射譜)中心波長移動幾個nm,進而知道橋梁實時承受壓力的大小。除了對橋梁等公共設施的承載的安全檢測外,還可以應用在很多行業中,比如報警、生物傳感,醫療器械等領域。光纖光柵的廣泛應用推動了它的理論的進一步成熟和發展,為光子晶體光纖光柵奠定了堅實的理論基礎。

到1987年Yablonovith提出光子晶體,立馬吸引了很多的科學工作者的目光,他們深刻體會到這將引起工業產品的變革。光子晶體周期性介電常數的排列,會引起光子類似于電子在晶體產生能帶而產生光子帶隙,這樣很好的將電的時代邁入了光的時代。隨著人們對光時代的向往,光子晶體的理論分析和制作方法都在迅速的發展中,很快,在1992年提出光子晶體光纖,并在1996年Knight等人制作出來了第一根光子晶體光纖,對傳統的光纖引起了變革。解決了傳統光纖中一直讓人們頭痛的問題。比如,彎曲損耗問題,傳統的光纖利用的是光在傳輸到包層和外界的交界處時產生全反射來傳輸光信號的,如果光纖由于某些原因而發生了彎曲,這樣就會使得光在交界面不滿足全反射條件而大部分透射到外界,進而損失信號。光子晶體光纖就不一樣了,光子晶體光纖帶隙理論指出如果傳輸光正好落在光子晶體的帶隙段,不管光纖是否彎曲和彎曲程度如何,光都不能在光子晶體中傳播,那么光就不可能產生大的損耗。還比如光子晶體光纖的可控制色散特性,很好的放寬了光纖傳輸光源的要求等等。光子晶體光纖的廣泛應用,也預測了光子晶體光纖光柵的產生。

很快,到1999年,Eggleton等人就在實驗室制作出了第一根光子晶體光纖光柵,并對它的各項特性進行了探究和測量。它的成功制作為人們打開了光子晶體光纖光柵這門學科的大門,隨后,幾乎每年都有不同的科學工作者制作出了不同的光子晶體光纖光柵。綜觀全局,光子晶體光纖光柵實際上是各項前提技術的成熟后必然的科技成果。這種集各種技術(光纖光柵,光子晶體,光子晶體光纖)與一體的光子晶體光纖光柵,它具有了各項技術的優點,也將更加滿足社會的需求。

光子晶體光纖光柵國內的研究狀況

對于光子晶體光纖光柵,我國也對其作了大量的研究工作,并取得了非常好的研究成果。早期,南開大學現代光學研究所就實現了在經過高壓載氫增敏處理過的光子晶體光纖中利用相位掩膜法制作出布拉格光纖光柵。2004年,Zhi等人通過對基于光子晶體光纖的長周期光纖光柵模擬分析表明,長周期光纖光柵的諧振波長對光柵周期呈非單調性變化,并且對于某一特定的光柵周期,可能存在多個諧振波長。2005年,Fu等人利用紫外飛秒激光器在純硅光子晶體光纖上寫入了光纖Bragg光柵,該方法寫制的光柵傳輸損耗為10dB,平均折射率變化大于4×10-4。2006年,Wang等人利用CO2激光脈沖在光子晶體光纖上刻寫出高應變靈敏度(為-7.6pm/με)和低溫度靈敏(為3.91pm/oC)特性的長周期光纖光柵。用這種長周期光纖光柵制成的傳感器能有效降低應力和溫度之間的交叉敏感性,并且在不使用補償技術的情況下由溫度導致的應變測量誤差僅為0.5με/oC。2007年,李燕等人采用光束傳播法研究了實心摻鍺光子晶體光纖布拉格光柵的模式截止特性。給出了在光子晶體光纖布拉格光柵中激勵高階響應模式滿足的三個條件:相位匹配條件、在光柵區有電場交迭和要激發相應的響應模(即滿足不等式關系:Vpcf>π)。2008年,Wang等人利用高頻短周期CO2脈沖激光在空芯光子帶隙光纖上成功的寫制了長周期光柵。通過對其特性分析表明這種LPG也具有高應變靈敏度和對溫度、彎曲及折射率不敏感的特性。可用來制作應變傳感器而沒有溫度、曲度及折射率的交叉敏感問題。李志全等人提出了利用光子晶體的概念和分析方法對取樣光纖光柵進行研究,從光子晶體的角度研究了取樣光纖光柵的反射譜特性,并與用采樣光纖光柵傳輸矩陣法計算所得到結果進行比較,得出了用光子晶體理論分析與用傳統的模耦合理論分析相吻合的特性。Jin等人用193nmArF準分子激光器在高濃度摻鍺的PCF中寫制了布拉格光柵,刻柵效率有了很大提高,整個曝光時間持續不到180秒。2009年Zhang等人利用光束傳播法研究了間質性氣孔對摻鍺的光子晶體光纖布拉格光柵的影響。分析表明間質性氣孔可導致布拉格諧振波長向短波長移動,增加布拉格中心波長值λB和最近鄰旁瓣的波長值λ1之間的差值(即λB?λ1),還可影響到耦合系數。現在光子晶體光纖光柵已經成為國際上研究的一個熱點,我國有越來越多的科學家投入其中,為我國的科技事業做出了卓越的貢獻。



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