負(fù)曲率空心微結(jié)構(gòu)光纖的中紅外傳輸性質(zhì)

張慧嘉，潘 蓉，韓志輝，崔立夫，張 勇，龐 璐，梁小紅，寧 鼎

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

負(fù)曲率空心微結(jié)構(gòu)光纖的中紅外傳輸性質(zhì)

張慧嘉，潘 蓉，韓志輝，崔立夫，張 勇，龐 璐，梁小紅，寧 鼎

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

制備成功一種空氣孔相互不接觸的石英基負(fù)曲率芯中紅外空心微結(jié)構(gòu)光纖，對(duì)其進(jìn)行排HCl氣體處理后，利用中紅外超連續(xù)譜光源(覆蓋波長范圍最長達(dá)4.2,μm)對(duì)其在中紅外波段的傳輸譜特性進(jìn)行了測試。制備的這種空氣孔相互不接觸的石英基負(fù)曲率芯中紅外空心微結(jié)構(gòu)光纖在2,000～4,200,nm波長范圍之間有4個(gè)高損耗區(qū)，在2,000,nm波長以上有3個(gè)通光窗口分別位于2,200～2,550,nm波段、2,900～3,300,nm波段、3,600～4,000,nm波段，最低的損耗出現(xiàn)在3,600,nm附近，可以低于2,dB/m。

空心微結(jié)構(gòu)光纖 中紅外波段 負(fù)曲率芯

0 引 言

中紅外激光在光譜學(xué)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因此研制在中紅外波段實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸?shù)墓饫w有重要的意義。然而，材料的吸收一直是限制中紅外波段光纖性能的一個(gè)重要因素。由于石英材料在中紅外波段吸收量大，[1]傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為石英光纖不能用于中紅外光的傳輸。但是隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光子晶體光纖已經(jīng)誕生，人們對(duì)中紅外傳能光纖的發(fā)展提出了新的思路——利用空心的石英微結(jié)構(gòu)光纖來傳輸中紅外光。由于能量主要在空氣纖芯中傳輸，所以這種光纖中因石英材料造成的吸收損耗會(huì)大大降低。同時(shí)，還可以通過合理設(shè)計(jì)空心微結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)，使空心微結(jié)構(gòu)光纖的低損耗傳輸帶位于中紅外波段。

1 選取的光纖結(jié)構(gòu)的形狀

在該光纖的制備中，選取的包層僅含一層氣孔，可降低光纖損耗的負(fù)曲率芯型結(jié)構(gòu)作為光纖制備的方向。[2-3]負(fù)曲率指纖芯邊界的表面法線方向與柱坐標(biāo)系的徑向單元矢量方向相反。圖1為正曲率和負(fù)曲率的示意圖。

在負(fù)曲率芯空心光纖中，包層空氣孔不相互接觸時(shí)比空氣孔相互接觸時(shí)的損耗更低。[2]所以選取這種空氣孔不相互接觸的負(fù)曲率芯空心光纖作為制備光纖的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 正曲率與負(fù)曲率示意圖Fig.1 Schematic diagram of positive and negative curves

2 中紅外空心微結(jié)構(gòu)光纖的制備和測試結(jié)果

為了制備這種光纖的預(yù)制棒，用內(nèi)外徑分別為23,mm和25,mm的石英管拉制了8個(gè)外徑為4.4,mm的毛細(xì)管，之后把這8個(gè)毛細(xì)管熔到1個(gè)外徑為20,mm的大石英管的內(nèi)壁上，組成了空心微結(jié)構(gòu)光纖的預(yù)制棒。首先將這個(gè)預(yù)制棒拉制成結(jié)構(gòu)保持完好、外徑為4.2,mm的中間體，之后為中間體加套包皮管，拉制成空氣孔相互不接觸的負(fù)曲率芯空心中紅外微結(jié)構(gòu)光纖(見圖2)。在光纖的拉制中，石英管受熱后處于熔融狀態(tài)，在表面張力的作用下收縮變形，不同尺寸的石英管受到的表面張力大小會(huì)有所不同。為了保持結(jié)構(gòu)的完好，利用自行設(shè)計(jì)研制的分區(qū)域控制壓力裝置分別對(duì)空心微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯和8個(gè)空氣孔施加不同大小的微氣壓。

圖2 拉制的空氣孔相互不接觸的負(fù)曲率芯空心微結(jié)構(gòu)光纖截面圖Fig.2 The cross section of fabricated negative curve hollow core microstructure fiber with contactless air holes

分別用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy，SEM)對(duì)此光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，如圖2所示。測量到這種空心微結(jié)構(gòu)光纖的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：光纖包層外徑大約為288,μm，纖芯直徑大約為88,μm，包層相互不接觸的8個(gè)空氣孔的外直徑大約為18,μm，8個(gè)空氣孔的壁厚大約為2,μm。

由于制備光纖所用的石英玻璃管是采用化學(xué)合成法制備的，在化學(xué)合成的過程中會(huì)有HCl氣體殘留在石英玻璃管中心孔內(nèi)。[4]HCl氣體在中紅外波段有強(qiáng)烈的吸收峰，所以需要排除空心微結(jié)構(gòu)光纖氣孔里的HCl氣體以便降低損耗。把空心微結(jié)構(gòu)光纖插入密封性能良好的高壓氣室(見圖3)中，在5個(gè)大氣壓下，連續(xù)通氣2天。之后，對(duì)空心微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行傳輸性質(zhì)的測試。

圖3 用于排除HCl氣體的高壓氣室Fig.3A photo of the high pressure gas chamber for HCl gas removal

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研人員用他們搭建的基于ZBLAN氟化物光纖的中紅外超連續(xù)譜光源(光譜覆蓋范圍為1,800～4,200,nm)，對(duì)拉制的空氣孔相互不接觸的負(fù)曲率芯空心微結(jié)構(gòu)光纖的損耗譜進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)測試光路如圖4所示，中紅外超連續(xù)譜光源出射的光經(jīng)過CaF2透鏡準(zhǔn)直聚焦后，入射到空心微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯中，最后從空心纖芯出射的光被液氮冷卻的紅外探測器所接收?？蒲腥藛T采用截?cái)喾?最初用光纖1.6,m進(jìn)行測試，截?cái)嗪箝L度為1,m)對(duì)此空心微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行了測試。

圖4 以中紅外透鏡耦合的中紅外波段光纖測試裝置圖Fig.4Mid-IR fiber measure setup through Mid-IR lens coupling

由測試數(shù)據(jù)得到的損耗譜如圖5所示。測試結(jié)果說明：該型光纖在1,800～4,200,nm之間含有A、B、C、D 4個(gè)高損耗區(qū)，在2,000,nm以上有3個(gè)通光窗口分別位于2,200～2,550,nm、2,900～3,300,nm、3,600～4,000,nm，最低的損耗出現(xiàn)在3,600,nm附近，可低于 2,dB/m。值得一提的是，在3,600～4,000,nm這個(gè)通光窗口，損耗譜的形狀不是通常的U形，這可能需要用包層中單個(gè)氣孔的Fano Resonances理論來解釋。[5]將來，需進(jìn)一步進(jìn)行深入的分析。

圖5 空氣孔相互不接觸的負(fù)曲率芯空心中紅外微結(jié)構(gòu)光纖的損耗譜Fig.5 Loss spectrum of negative curve hollow core mid-IR microstructure fiber with contactless air holes

3 結(jié) 語

本文介紹了一種拉制成功的空氣孔相互不接觸的負(fù)曲率芯空心中紅外微結(jié)構(gòu)光纖。經(jīng)過中紅外超連續(xù)譜光源的測試，發(fā)現(xiàn)制備的這種光纖在2,000～4,200,nm的中紅外區(qū)域內(nèi)有3個(gè)傳輸窗口，其中損耗最低的波段出現(xiàn)在3,600,nm附近，可以低于2,dB/m。將來，期望繼續(xù)優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)，改進(jìn)制備工藝，進(jìn)一步降低其在中紅外波段的損耗。

致 謝

感謝天津大學(xué)精密儀器與光電子學(xué)院超快激光研究室劉博文老師和孟凡超博士生在用高壓氣室排除空心微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)部的HCl氣體實(shí)驗(yàn)方面的幫助。感謝國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院陳勝平老師和殷科博士生在空心微結(jié)構(gòu)光纖測試方面的幫助。

［1］ Kitamura R，Pilon L，Jonasz M. Optical constants of silica glass from extreme ultraviolet to far infrared at near room temperature [J]. Appl. Opt.，2007，46(33)：8118-8133.

［2］ Kolyadin A N，Kosolapov A F，Pryamikov A D，et al. Light transmission in negative curvature hollow core fiber in extremely high material loss region [J]. Opt. Express，2013，21(8)：9514-9519.

［3］ Wang Y，Couny F，Roberts P J，et al. Low loss broadband transmission in optimized core-shaped Kagome Hollow-Core PCF [A]；CLEO 2010[C]，2010.

［4］ Yu F，Wadsworth W J，Knight J C. Low loss silica hollow core fibers for 3-4 μm spectral region [J]. Opt. Express，2012，20(10)：11153-11158.

［5］ Steinvurzel P，Sterke C M D，Steel M J，et al. Single scatterer Fano resonances in solid core photonic band gap fibers [J]. Opt. Express，2006，14(19)：8797-8811.

The Mid-IR Transmission Property of a Negative Curve Hollow Core Microstructure Fiber

ZHANG Huijia，PAN Rong，HAN Zhihui，CUI Lifu，ZHANG Yong，PANG Lu，LIANG Xiaohong，NING Ding
(The 46th Research Institute，China Electronics Technology Group Coporation，Tianjin 300220，China)

A kind of silica negative curve hollow core mid-IR microstructure fiber with contactless air holes was fabricated.After the fiber was processed by removing HCl gas，the mid-IR transmission spectrum property of the fiber was measured by mid-IR supercontinuum optical source(the longest wavelength is until 4.2,μm).The fabricated silica negative curve hollow core mid-IR microstructure fiber has four high loss regions and there are three transmission windows between 2,000,nm and 4,200,nm. They are 2,200～2,550,nm region，2,900～3,300,nm region and 3,600～4,000,nm region.The lowest loss may be lower than 2,dB/m near 3,600,nm.

hollow core microstructure fiber；mid-IR wavelength region；negative curve core

TN248

：A

：1006-8945(2016)05-0043-03

2016-04-06