氣凝膠光纖光子器件實用化技術研究

《氣凝膠光纖光子器件實用化技術研究》是依託復旦大學，由肖力敏擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氣凝膠光纖光子器件實用化技術研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：肖力敏

項目摘要

微納光纖是光纖光子學和微納光子學的研究熱點方向。微納光纖的優勢包括相對成熟有效的製備方法、光學傳輸損耗低、倏逝場強、光纖模式束縛性好、色散特性可靈活調控、以及與傳統光纖器件可實現無縫連線等。但研究表明，當微納光纖的直徑接近或低於光學波長時，其光學傳輸損耗在一天內甚至幾個小時內會迅速增加。這種因塵埃、水氣以及表面微裂造成的質量退化，限制其只能短期實驗所用。通過氣凝膠和微納光纖的集成和表面化學疏水處理，將能解決微納光纖及其器件的穩定性問題且保持其優良特性。本項目將研究常壓乾燥法來製備氣凝膠薄膜微納光纖器件。相比超臨界態乾燥塊狀氣凝膠微納光纖集成，這種新的集成方法和技術將極大的降低製備成本和周期，還將帶來新的套用。結合氣凝膠薄膜的獨特優勢，研究的創新氣凝膠光纖光子器件主要包括氣凝膠微納光纖超寬譜耦合器、諧振器、超連續譜光源、溶水氣體感測器件、和微納光纖在氣凝膠薄膜微間隔控制下的穩定微球頻率梳等。

結題摘要

常壓乾燥法製備氣凝膠與微納光纖結合的優勢包括製備流程安全，降低成本和時間等。該方法可避免通常的高溫高壓超臨界態乾燥法，常壓乾燥法製備中難點是控制氣凝膠微納孔的收縮和塌陷。我們成功將常壓乾燥法製備的氣凝膠與光纖器件集成。這種集成的顯著特徵是保護光纖表面，溶膠凝膠製備，極低的包層折射率，高纖芯包層折射率差，和疏水的光纖表面。我們通過對凝膠表面疏水處理後再乾燥的流程製備氣凝膠薄膜，能對光纖表面有效保護。我們研究了微納光纖在低折射率氣凝膠包層作用下的模場特性，發現在一定條件下，模場的有效折射率可以非常接近包層折射率，進而研究混合材料的微納芯光纖的模場和耦合特徵，可將這種光纖與傳統通信光纖低損耗集成。利用氣凝膠的極低折射率，可作為微流體的包層材料來形成新的波導結構，數值孔徑大，對收集螢光信號的增強有很好的效果，但實驗中我們也發現疏水表面不利於流體進入通道。我們發現反諧振光纖的空氣孔也有利於作為低折射率包層，而且未封閉的包層也有利於氣體或微流體的快速交換。在此啟發下，我們設計實現了低包層折射率，回響速度快的光纖，在高靈敏度氣體感測和微流體感測方面很有套用潛力。我們在實驗中嘗試疏水氣凝膠薄膜與微納光纖或微結構光纖結合，發現只要把氣凝膠的表面疏水基加到光纖表面，就能實現光纖表面的疏水特性。利於這一原理與技術，我們可以更進一步對空芯光子晶體光纖的包層孔選擇性疏水，這樣可以製備功能型選擇性疏水光纖，在微流體的取樣和檢測方面有較大優勢。在溶膠凝膠法製備氣凝膠的過程中，我們嘗試了很多種製備方法，例如有機溶劑法，無機溶劑法，也嘗試用光聚合的方法對溶膠進行微納尺度的固化，在光纖表面製備微納尖錐，取得了一定的進展。通過最佳化參數，這種全光纖的微錐結構可以產生高質量的貝塞爾光束，在光學成像、粒子微操控、雷射微加工等方面有套用前景。