微纳光纤的光学传输特性研究【文献综述】

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1、毕业设计文献综述电子信息科学与技术微纳光纤的光学传输特性研究摘要：微纳光纤是一种典型的微纳光波导，因制备简单、损耗低而受到越来越多的关注.将玻璃材料通过不同方法制成微纳米直径的光纤具有很好的直径均匀度和表面光滑度，可用于低损耗光传输，并可在可见和近红外光学传输中表现出强光场约束、大比例倏逝波传输和大波导色散等特性[1-4]，在光通信、传感和非线性光学等领域具有良好的应用前景。微纳光子器件通过在波长和亚波长尺度上对光的操控，实现各种各样的功能，例如微纳传感器，微纳激光器，微纳干涉仪等。关键词：微纳光纤，低损耗，倏逝波。1引言虽然普通标准光纤应用已经相当广泛，但是随着

2、科学技术的发展，微纳光纤的诞生必然的。近年来，科技研究应用的趋势之一就是器件的微型化，相比较电子器件，研究光子器件的微小化才起步。对光子器件微型化的研究，一个方面是光纤通信行业对高速数据传输的要求，另一个方面是虽然光纤回路网络已经架设好，但在现在的光学网络里，光子器件的大尺寸还是无法满足要求。而发展微纳尺寸上光学技术也是微电子学技术领域的根本需求。由于电子技术集成度的进步，单位面积上的电子芯片数量大大提高，芯片间的通信数据量成为集成电子技术的一道难关，这个时候，使用微纳光波导来实现电子芯片间通信的办法进入研究者的视野。随着对微观尺度材料的光学特性的持续研究，研究人

3、员发现了一些很具有研究价值的光学现象，并通过这些现象研究具有各种作用的微观光学设备。而具备这些光学现象的最小单元就是微纳光纤。对微纳光纤的研究，人们很早就开始表现出兴趣。早在19世纪80年代，英国科学家C.V.Boys等人就报道过从高温熔融的矿石中拉制玻璃细线，并研究他们的机械特性和用途，当时他们将这些玻璃细线绕成线圈，作为推动电流计指针的弹簧[4]。但是，直到上世纪六、七十年代后，随着对光波导深入研究以后人们开始考虑玻璃细线可以用来传输光[4,5]。因为在很大的光谱范围，玻璃材料都是透明的，所以比较简单去获得很纯净的材料，并且传输损耗比较小，通过熔融拉制光纤，玻

4、璃可以作为制作波导的相当好的材料。正是由于这个因素，光纤技术在接下来的40多年中得到了迅速进步。2微纳光纤的制备2.1高温物理两步拉伸法[6]2003年，童利民教授使用火焰加热两步拉伸的方法，从玻璃光纤拉制出了直径均匀性很好的微纳光纤。两步拉伸的方法如图1所示。首先，使用一步拉伸法将光纤拉细至微米量级。然后，为了在拉伸区域得到一个稳定的温度分布，我们用一个尖端直径大约为100μm的蓝宝石光纤锥来吸收火焰的能量，蓝宝石光纤的热惯性在光纤拉伸过程中起到保持温度稳定的作用。将微光纤的一端绕在蓝宝石光纤锥上并放置于火焰边缘处，调整火焰至合适温度(约2000K)，就可以进一

5、步将光纤拉细至纳米量级。拉伸速度一般为1—10m/s。图1两步拉伸法2.1局域熔化玻璃材料直接拉制法[8]虽然上述高温拉伸方法可以很容易地制备高质量的微纳光纤，但是由于需要使用玻璃光纤作为原材料，所以可用以制备微纳光纤的材料就受到限制。局域熔化玻璃材料直接拉制法解决了这一问题。如图2所示，首先使用火焰将一根蓝宝石光纤（直径为数百微米）的一端加热至足够高的温度，将一块玻璃原料接近蓝宝石光纤的高温端由于局部熔化，光纤顶部融入玻璃中；将玻璃一开，将玻璃移开，光纤顶部留下一部分熔融的玻璃；将另外一根蓝宝石光纤顶部浸入附着在第一根蓝宝石光纤顶部的熔融玻璃中；减小加热功率，使

6、熔融玻璃的粘滞度增大至适合拉丝的程度，以一定速度（比如1m/s）拉开两根蓝宝石光纤，直至两根光纤之间形成的玻璃丝平稳拉断，在拉断的两端就形成了微纳光纤。该方法可以直接使用块体玻璃作为原材料，获得的微纳光纤可以保留初始玻璃中的掺杂成分和浓度，还可以用来拉制玻璃粉末。图2局域熔化块体玻璃直接拉直法2.1电子束刻蚀[9]电子束刻蚀是通过控制高能电子束在电子束敏感材料(电子束光刻胶)上引起的物理或化学变化来制备掩模板的一种微纳加工方法。高能电子束在光刻胶上曝光后。用化学溶剂洗去曝光(正胶)或未曝光(负胶)区域。留下的区域形成所需图形的模板。在电子束刻蚀中。一般需要使用高能

7、电子(>25keV)。当被加工材料尺寸很小时。入射电子束与材料相互作用产生的二次电子是决定线宽的重要因素。另外电子束焦斑的尺寸和光刻胶的材料特性也是线宽的决定因素。目前。电子束刻蚀技术正在朝高能高亮度方向发展(电压约100keV)。电子束斑直径可以达到几个纳米。使用这样的设备。可以制备的最小特征尺寸已经可以达到lOnm量级。图2.3所示是用电子束刻蚀制备的典型光刻胶掩模板的SEM照片。获得了小于20nm的线宽图3电子束刻蚀制备掩模板的SEM照片2.2化学生长法化学方法一直是制备新型材料的重要途径，通过化学反应即通过旧化学键的断裂和新化学键的生成实现院子、基团等之间

8、的重新组合