張慧嘉，潘 蓉，韓志輝，崔立夫，張 勇，龐 璐，梁小紅，寧 鼎

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

負曲率空心微結(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曲率芯中紅外空心微結(jié)構(gòu)光纖，對其進行排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4.2,μm)對其在中紅外波段的傳輸譜特性進行了測試。制備的這種空氣孔相互不接觸的石英基負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個高損耗區(qū)，在2,000,nm波長以上有3個通光窗口分別位于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 負曲率芯

0 引 言

中紅外激光在光譜學、醫(yī)學、軍事等領域應用廣泛，因此研制在中紅外波段實現(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)觀點認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大大降低。同時，還可以通過合理設計空心微結(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曲率芯型結(jié)構(gòu)作為光纖制備的方向。[2-3]負曲率指纖芯邊界的表面法線方向與柱坐標系的徑向單元矢量方向相反。圖1為正曲率和負曲率的示意圖。

在負曲率芯空心光纖中，包層空氣孔不相互接觸時比空氣孔相互接觸時的損耗更低。[2]所以選取這種空氣孔不相互接觸的負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制棒，用內(nèi)外徑分別為23,mm和25,mm的石英管拉制了8個外徑為4.4,mm的毛細管，之后把這8個毛細管熔到1個外徑為20,mm的大石英管的內(nèi)壁上，組成了空心微結(jié)構(gòu)光纖的預制棒。首先將這個預制棒拉制成結(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有所不同。為了保持結(jié)構(gòu)的完好，利用自行設計研制的分區(qū)域控制壓力裝置分別對空心微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯和8個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

分別用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy，SEM)對此光纖結(jié)構(gòu)進行檢測，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個空氣孔的外直徑大約為18,μm，8個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合成法制備的，在化學合成的過程中會有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個大氣壓下，連續(xù)通氣2天。之后，對空心微結(jié)構(gòu)光纖進行傳輸性質(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

國防科學技術(shù)大學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)，對拉制的空氣孔相互不接觸的負曲率芯空心微結(jié)構(gòu)光纖的損耗譜進行測試。實驗測試光路如圖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采用截斷法(最初用光纖1.6,m進行測試，截斷后長度為1,m)對此空心微結(jié)構(gòu)光纖進行了測試。

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個高損耗區(qū)，在2,000,nm以上有3個通光窗口分別位于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氣孔的Fano Resonances理論來解釋。[5]將來，需進一步進行深入的分析。

圖5 空氣孔相互不接觸的負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)，改進制備工藝，進一步降低其在中紅外波段的損耗。

致 謝

感謝天津大學精密儀器與光電子學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氣體實驗方面的幫助。感謝國防科學技術(shù)大學光電科學與工程學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