摘要: 介紹了國(guó)內(nèi)外幾種典型的光子晶體光纖光柵的制備方法，并分析了光子晶體光纖布喇格光柵、長(zhǎng)周期光柵的模式耦合特性及其光通信及光傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）是近年來(lái)興起的、十分引人入勝的一種具有微結(jié)構(gòu)的新型硅玻璃光纖。自1996年英國(guó)Bath大學(xué)的Knight等人首次制造了具有光子晶體包層的光纖后，PCF由于具有一系列“奇異”的光學(xué)特性而倍受重視。PCF，又稱微結(jié)構(gòu)光纖（Microstructured Optical Fiber, MOF）或多孔光纖（Holey Fiber, HF），其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是光纖橫截面具有周期性微孔結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于PCF包層微孔的大小與波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)相同，故可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)微孔大小、填充率以及排列等方式獲得一系列“奇異”的光學(xué)性質(zhì)。與常規(guī)光纖相比，PCF具有如下獨(dú)特的光學(xué)特性：無(wú)窮盡單模傳輸、高非線性、大模場(chǎng)面積、可控色散特性等。基于此，PCF不僅有可能成為比常規(guī)光纖更優(yōu)異的光傳輸介質(zhì)，而且還可以用來(lái)制作各種前所未有的、功能新奇的光子器件。因此，具有周期結(jié)構(gòu)的PCF已迅速成為光電子領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。

    圖1 PCF的電子掃描顯微鏡圖。(a)～(d)為不同空氣孔填充率及排列分布的空氣硅包層微結(jié)構(gòu)光纖；(e)光子禁帶光纖。

近年來(lái)，隨著PCF的理論研究逐步深入及其制造技術(shù)和工藝的不斷完善，基于PCF的器件及其應(yīng)用正方興未艾，其中包括基于模式耦合的PCF器件，如濾波器等。因此，在PCF上寫入光柵就成為研制基于PCF模式耦合器的基礎(chǔ)。 Zk*/~f|\  
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　　光纖光柵是光纖導(dǎo)波介質(zhì)中物理結(jié)構(gòu)的周期性分布，是一種新型的光無(wú)源器件，其作用在于改變或控制光波在該區(qū)域的傳播行為與方式。光纖光柵的出現(xiàn)，深刻地影響著光纖信息傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)及光子器件的研制，它使許多復(fù)雜的全光纖通信和傳感網(wǎng)絡(luò)成為可能，極大地拓寬了光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前，高速率、大容量的DWDM通信技術(shù)及高精度、多參數(shù)、分布式傳感技術(shù)的發(fā)展對(duì)FG的性能和靈活性提出了更高的要求，如光柵諧振波長(zhǎng)可以調(diào)諧、包層模耦合可以控制以及對(duì)應(yīng)變和溫度等物理量更加敏感等，從而促使發(fā)展新的、特殊光纖光柵。 E"D+CD0  
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　　PCF和傳統(tǒng)的光纖光柵寫入技術(shù)結(jié)合為制造新型的光纖光柵提供了良機(jī)。自1999年B.J.Eggleton等人首次報(bào)道在PCF上寫入光纖布喇格光柵(Photonic Fiber Bragg Grating, PFBG)和長(zhǎng)周期光纖光柵（Photonic Long Period Grating, PLPG）以來(lái)，光子晶體光纖光柵（Photonic Crystal Fiber Grating, PCFG）的制備方法及理論分析正成為人們研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的光纖光柵相比，PCFG具有如下特性：二維或多維光子晶體、設(shè)計(jì)自由度大（如單芯或多芯、空氣孔可填充介質(zhì)等）、波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬（可達(dá)100nm以上）、可進(jìn)行多參量、多功能感測(cè)等。PCF及PCFG的出現(xiàn)，將促進(jìn)并產(chǎn)生全新的性能優(yōu)異的新一代光纖光子器件，由此可能導(dǎo)致現(xiàn)代光纖技術(shù)的新跨越。 \e%H5Wx
  
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　　1 光子晶體光纖光柵的制備方法  1=x4m=wV  
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　　傳統(tǒng)光纖光柵的寫制方法如相位模板法、振幅模板法、CO2激光加熱法等較成熟，已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。對(duì)于PCF，其包層為空氣孔結(jié)構(gòu)，如何在其上寫制光柵并制造出基于PCFG的器件，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。 I4kN4*d!N,  
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　　1.1 紫外曝光法寫制PCFG /79_3;^  
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　　1999年，Eggleton等人利用紫外曝光相位模板法首次在纖芯摻鍺的PCF上寫入FBG和LPG[9]。PFBG的透射譜如圖2所示，PLPG的透射譜如圖3所示。利用該方法寫制PCFG的還有南開大學(xué)光電子研究組。

紫外曝光技術(shù)寫制PCFG的優(yōu)點(diǎn)是沿襲了傳統(tǒng)光纖光柵寫制技術(shù)，繼承性好，技術(shù)比較成熟，且具備批量生產(chǎn)條件。但這種方法要求在纖芯摻雜稀土元素以增強(qiáng)其光敏性，這會(huì)造成PCF的生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，增加額外成本；而且在纖芯上摻雜其它元素，一定程度上會(huì)破壞光在纖芯的傳導(dǎo)特性。 kK2x';21  
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　　1.2 熱激成柵法寫制PCFG F0O"rN{  
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　　為了彌補(bǔ)紫外曝光技術(shù)需摻雜的不足，近年來(lái)已開始探討在純硅纖芯的PCF上寫入光柵。2002年，G. Kakarantzas等人利用CO2激光在純硅纖芯的PCF上熱激蝕刻實(shí)現(xiàn)了LPG的寫制[10]。其原理為：利用較高能量的CO2激光長(zhǎng)時(shí)間聚焦到PCF上，使得該處的空氣孔坍塌，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制激光束的開關(guān)及掃描等過(guò)程，可在光纖軸向上形成周期性結(jié)構(gòu)微擾（即PLPG）。2003年，新加坡的Yinian Zhu等人也利用類似的方法寫制PLPG[11]。  >r] bfN,  
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　　熱激成柵法具有周期可調(diào)、靈活性高、對(duì)光源相干性要求低等優(yōu)點(diǎn)；但由于空氣孔的坍塌而導(dǎo)致入射光的插入損耗增加，而且把激光光束精確聚焦到僅幾十個(gè)微米的包層也不是一件容易的事情。 H-GlCVq~  
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　　為此，有人提出用另一種熱激成柵方式—電弧感生微彎法。2003年Humbert. G.等人也利用此法在純硅纖芯的PCF上寫制LPG[12]。相比用CO2激光作為熱源，該方法的優(yōu)點(diǎn)是不必使空氣孔完全坍塌，就能獲得周期性的折射率的改變，插入損耗較小；而且更容易實(shí)現(xiàn)切趾技術(shù)，獲得更優(yōu)良的濾波特性。 7@R;lOzL3  
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　　熱激成柵法（包括CO2激光熱處理、電弧加熱）寫制PLPG，獲得的PLPG是純結(jié)構(gòu)性的微擾，具有對(duì)溫度不敏感的特性，能克服紫外曝光法寫制的光柵性質(zhì)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)；另外，熱激成柵法一般是在包層中寫入光柵，PCF的纖芯可不必?fù)芥N，能簡(jiǎn)化PCF的生產(chǎn)工藝及降低生產(chǎn)成本。但受步進(jìn)裝置及光斑大小或電弧尺寸的限制，熱激成柵法只能寫制PLPG。 tgn_\

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