丁梓軒，陳 燁，徐 飛

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023

1 引言

1966 年，高錕從理論上首次提出石英光學(xué)纖維可以作為光傳輸介質(zhì)，并分析了其損耗成因及降低損耗的實(shí)驗(yàn)方案[1]。自此之后，光纖及其相關(guān)器件便得到迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用于通訊、傳感及醫(yī)療等諸多領(lǐng)域[2-4]。一般常見(jiàn)的通訊用單模光纖，其外包層直徑為125 μm，纖芯直徑約為10 μm，在通訊波段下，光場(chǎng)幾乎全部束縛在芯層，故而傳輸損耗極低(～0.02 dB/km)，但因此也限制了其在非線性及傳感領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)這些特殊的需求，一種拓展光纖在光學(xué)非線性與傳感領(lǐng)域應(yīng)用的方案應(yīng)運(yùn)而生，即減小光纖直徑，縮小有效模場(chǎng)面積的同時(shí)增加其泄露的光場(chǎng)，以此來(lái)增加光纖非線性，同時(shí)增強(qiáng)與外部環(huán)境的相互作用。通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖熔融拉細(xì)，使其直徑縮小至微米甚至百納米級(jí)別，達(dá)到與光波長(zhǎng)可比擬的大小，此時(shí)的光纖將不再對(duì)光場(chǎng)具有強(qiáng)束縛作用，我們將這種光場(chǎng)泄露至周圍環(huán)境(倏逝場(chǎng))、直徑極細(xì)的光纖稱為“微光纖”。2003 年，Tong 和Mazur 實(shí)際演示了具有可操作性的低損耗微光纖[5]，其直徑可達(dá)50 nm，且均一性良好，可單模工作，光傳播損耗小于0.1 dB/mm。該工作奠定了亞波長(zhǎng)光纖研究的基礎(chǔ)。從2004年起，Birks、Brambilla、Leon-Saval 以 及Sumetsky 等研究人員通過(guò)使用普通單模光纖的拉錐或其他方式，將比擬光波長(zhǎng)尺寸的微光纖的損耗持續(xù)降低[6-9]。在過(guò)去的十幾年里，微光纖因?yàn)橄鄬?duì)于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，如更強(qiáng)的光場(chǎng)束縛能力、較大的倏逝場(chǎng)、高光學(xué)非線性和較柔韌的機(jī)械強(qiáng)度[9-11]，受到研究者的青睞。

光學(xué)諧振器是一種基礎(chǔ)的光子學(xué)結(jié)構(gòu)，基于此結(jié)構(gòu)的器件被廣泛應(yīng)用于通信、傳感、量子物理研究等領(lǐng)域。而小尺度的微諧振器能夠?qū)⒐庀拗圃谝粋€(gè)極小的體積內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更廣的自由光譜范圍和更靈活的調(diào)控與探測(cè)能力，在高速光通信、微波光子學(xué)、光頻梳產(chǎn)生、光譜學(xué)等領(lǐng)域均有突出表現(xiàn)[12-14]。近十多年來(lái)，各種不同的回音壁式(whispering gallery mode,WGM)微腔不斷涌現(xiàn)，包括片上微環(huán)諧振腔、柱形腔、盤形腔、球形腔以及光子晶體缺陷腔等[15-17]。這些結(jié)構(gòu)大多基于微納加工技術(shù)，制備工藝條件相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)為了激發(fā)理想的模式，并與光纖光學(xué)系統(tǒng)兼容，這些諧振器對(duì)耦合狀態(tài)的要求也極為苛刻。因此，伴隨著微光纖損耗的持續(xù)降低，具有全光纖特點(diǎn)的基于微光纖的微諧振器概念被提出并逐步發(fā)展。

來(lái)自德國(guó)的學(xué)者最早在1989 年將光纖拉錐至8 μm，再將微光纖疊成環(huán)狀，封裝到聚合物中，形成了已知的第一個(gè)微光纖光學(xué)諧振腔[18]。但由于此時(shí)微光纖拉制技術(shù)并未成熟，損耗極大，因此它的實(shí)用價(jià)值并未引起關(guān)注。2003 年Tong 等研究者在展示低損耗微光纖的同時(shí)也演示了這一微光纖形成結(jié)形微環(huán)結(jié)構(gòu)的可行性[5]，正式拉開(kāi)了微光纖諧振器發(fā)展的序幕。此后，基于微光纖的結(jié)形[19]、環(huán)形[20]、線圈形[21]等各種形狀的微諧振器紛紛被實(shí)驗(yàn)展示，而相應(yīng)的基于耦合波理論的模型也趨于完善[22-24]。在此基礎(chǔ)上，微光纖諧振器在近十年開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于濾波器、傳感器、光調(diào)制器和光纖激光等諸多領(lǐng)域，大大拓展了微光纖功能與應(yīng)用的廣闊可能性，為各類場(chǎng)景提供了全光纖、易制備的光學(xué)微諧振器解決方案。本文將從微光纖光學(xué)諧振器的基本原理、器件制備、應(yīng)用領(lǐng)域幾個(gè)方面展開(kāi)介紹。

2 微光纖諧振器的基本原理

2.1 微光纖的波導(dǎo)特性

由工業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)光纖拉制的微光纖(microfiber)，其結(jié)構(gòu)一般由三部分組成：腰區(qū)、過(guò)渡區(qū)和尾纖部分，如圖1 所示。腰區(qū)的直徑(2rw)可以達(dá)到幾微米乃至幾百納米，長(zhǎng)度(lw)一般在幾到幾十毫米不等。通常而言，過(guò)渡區(qū)的直徑(r(z))緩慢變化，呈現(xiàn)錐形分布，其長(zhǎng)度(z0)也遠(yuǎn)比腰區(qū)長(zhǎng)，不過(guò)也可以通過(guò)改變制備方式獲得較短的突變過(guò)渡區(qū)。尾纖的直徑(2r0)則與拉制前的普通光纖包層直徑一致。

圖1 微光纖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a microfiber

普通階躍型光纖一般具有三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其橫截面示意圖如圖2 所示，由內(nèi)到外分別是折射率為n1半徑為r1的芯層，折射率為n2半徑為r2的包層以及折射率為n3的環(huán)境介質(zhì)，一般為了使光場(chǎng)主要束縛在芯層中，三層介質(zhì)的折射率關(guān)系為n1>n2>n3。

圖2 階躍光纖截面示意圖Fig.2 Cross-section of step-index fiber

光纖中的電磁場(chǎng)分布符合麥克斯韋方程組?；谝陨夏Ｐ?，可以推導(dǎo)相應(yīng)亥姆霍茲方程，進(jìn)而導(dǎo)出不同模式在柱坐標(biāo)系(z,r,θ)下的本征方程：

式中：n(r,θ)代表介質(zhì)中的折射率，k為真空中的波數(shù)，ω為角頻率，k與ω關(guān)系如下：

式中：c為真空中的光速，λ為光波長(zhǎng)。利用邊界條件數(shù)值計(jì)算得傳播常數(shù)β，之后即可求解微光纖中的光場(chǎng)分布，即微光纖的模式。圖3(a)展示了光纖中的HE11和HE12模式有效折射率變化情況隨光纖直徑大小的關(guān)系，可以看到，當(dāng)光纖包層直徑低于45.75 μm 時(shí)，光纖中芯層模式消失，包層模式占主導(dǎo)；圖3(b)展示了包層直徑為80 μm 和20 μm 時(shí)，HE11模式的截面光場(chǎng)分布，同樣表明包層模擴(kuò)張主導(dǎo)的情況[25]。

圖3 (a) 不同直徑的階躍型光纖HE11 和HE12 模的有效折射率；(b) 包層直徑分別為80 μm 及20 μm 時(shí)的模場(chǎng)分布[25]；(c) 800 nm 波長(zhǎng)下微光纖不同高階模有效折射率隨直徑的變化Fig.3 (a) Effective refractive index of HE11 and HE12 mode for step-index fiber with varied diameter;(b) Cross-section mode field distribution of fiber with cladding diameter of 80 μm and 20 μm[25];(c) Variation of effective refractive index for high-order modes in microfiber versus diameter at wavelength of 800 nm

而對(duì)于微光纖來(lái)說(shuō)，其直徑在數(shù)微米乃至數(shù)百納米量級(jí)，芯層相對(duì)包層可以被忽略，光纖三層結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為微光纖雙層結(jié)構(gòu)，即r1<<λ、r2～λ時(shí)：

通常情況下，我們使用的微光纖在空氣環(huán)境中，可以認(rèn)為n2=1，對(duì)于混合模EHvm和HEvm，有如下的關(guān)系[26]：

Jv為第1 類v階貝塞爾函數(shù)，Kv為第2 類v階貝塞爾函數(shù)。通過(guò)數(shù)值求解不同階數(shù)的方程(4)，可以獲得不同的導(dǎo)模，即微光纖的橫模。同時(shí)可以得到不同橫模有效折射率隨V變化的色散曲線，而由式(7)可知V與微光纖半徑r1成正比。如圖3(c)就展示了在800 nm 波長(zhǎng)下計(jì)算得到的不同橫模有效折射率隨直徑變化的曲線?？梢钥吹剑嘶E11外，在合適的尺寸下微光纖是可以支持高階模傳播的，且直徑越大，支持的模式越多，模式數(shù)量可參考階躍光纖模型的模式數(shù)估算公式N≈V2/2。而當(dāng)微光纖直徑小于臨界值，即使得V<2.405 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。

微光纖材料一般為二氧化硅，其折射率n1與入射波長(zhǎng)有關(guān)，可以使用Sellmeier 多項(xiàng)式進(jìn)行擬合[27]：

這里波長(zhǎng)λ單位為μm,c1=0.6965325,c2=0.4083099,c3=0.8968766,c4=4.368309 × 10?3,c5=1.394999 ×10?2,以及c6=9.793399 × 10 (c4,c5,c6量綱為μm2)。微光纖相應(yīng)模式的群速色散可通過(guò)對(duì)數(shù)值求解式(4)～式(6)得到的有效折射率neff對(duì)波長(zhǎng)求導(dǎo)獲得，一般表達(dá)式為

2.2 微光纖諧振器

2.2.1 微光纖諧振器的幾何構(gòu)型

通常而言，根據(jù)器件的結(jié)構(gòu)特征，基于微光纖的諧振器可分為三種類型，即環(huán)形、結(jié)形與線圈形。

環(huán)形諧振器(Microfiber loop resonator,MLR)是通過(guò)將微光纖腰區(qū)扭轉(zhuǎn)成環(huán)形結(jié)構(gòu)，利用靜電力或范德華力在接觸點(diǎn)附近的區(qū)域形成耦合，入射光通過(guò)接觸點(diǎn)附近時(shí)，一部分光傳輸進(jìn)入環(huán)中，實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)在微環(huán)中的聚集，而另一部分則通過(guò)倏逝場(chǎng)耦合的形式傳輸?shù)浇佑|點(diǎn)另一側(cè)的光纖中輸出，如圖4(a)所示。

圖4 微光纖諧振器。(a) 環(huán)形諧振器；(b) 結(jié)形諧振器；(c) 線圈形諧振器Fig.4 Microfiber resonators.(a) Microfiber loop resonator;(b) Microfiber knot resonator;(c) Microfiber coil resonator

結(jié)形諧振器(Microfiber knot resonator,MKR)是通過(guò)將微光纖打結(jié)繞環(huán)的方式形成結(jié)形結(jié)構(gòu)，光學(xué)耦合的基本原理與環(huán)形諧振器類似，相較于環(huán)形諧振器，結(jié)形諧振器接觸區(qū)域通過(guò)機(jī)械應(yīng)力結(jié)合，因而更為牢固穩(wěn)定，如圖4(b)所示。

線圈形諧振器(Microfiber coil resonator,MCR)則是通過(guò)將微光纖繞在一根支撐棒上，當(dāng)每一圈之間的距離較近時(shí)，微光纖之間則由于倏逝場(chǎng)發(fā)生耦合，通過(guò)調(diào)節(jié)繞在棒上的光纖圈數(shù)以及每一圈之間的距離可以調(diào)節(jié)耦合效率，如圖4(c)所示。

2.2.2 微光纖諧振器的耦合波理論

由于不同種類的微光纖諧振器都是基于微光纖波導(dǎo)間的耦合，因此我們只需從較為復(fù)雜的線圈形諧振器出發(fā)進(jìn)行討論，而微光纖環(huán)形以及結(jié)形諧振器則可以視為圈數(shù)為1 的線圈代入結(jié)論即可。基于耦合波理論的MCR 模型中，原則上任意兩環(huán)之間均會(huì)發(fā)生耦合，但通常會(huì)簡(jiǎn)化成只與鄰近兩環(huán)耦合，按照Sumetsky提出的矩陣進(jìn)行計(jì)算[22]。

當(dāng)入射光沿微光纖環(huán)路傳輸時(shí)，由于微光纖存在較大倏逝場(chǎng)，當(dāng)兩個(gè)線圈之間距離縮小到一定程度時(shí)，各微光纖線圈之間將會(huì)發(fā)生相互耦合作用。如圖5(a)所示，在分析微光纖線圈型模型時(shí)采取直角自然坐標(biāo)系(x,y,s)，分別定義水平法向n，豎直法向b以及沿光纖傳輸?shù)姆较騭，則傳輸?shù)碾妶?chǎng)可以由下式表示[24]：

其中：F0(x,y)為矢量函數(shù)，A(s)為振幅。將第m圈的振幅定義為Am(s)，s滿足條件0

首先我們考慮兩圈微光纖之間的關(guān)系，如圖5(c)所示是線圈中相鄰的第p圈和第q圈的截面示意圖，光纖折射率nf，環(huán)境折射率nc。對(duì)于M圈的情況，用耦合模方程描述：

圖5 (a) 微光纖線圈的自然坐標(biāo)系；(b) 柱坐標(biāo)下的微光纖線圈；(c) 兩個(gè)相鄰線圈的截面Fig.5 (a) Natural coordinate system of MCR;(b) MCR under cylindrical coordinates;(c) Cross-section of adjacent microfibers

在上述耦合矩陣中χpq有如下關(guān)系：

而κpq(θ)代表了微光纖線圈型諧振器中第p圈和q圈之間的互耦合(p，q=1，2，3，······，M)，表達(dá)形式為

其中：Ep(Eq)以及Hp(Hq)是p(q)中的電磁場(chǎng)。上述式中，系數(shù)Am(θ) 和Rm(θ) 需要滿足如下的連續(xù)性條件：

其中：m=1,2,···,M?1。設(shè)微光纖的腰區(qū)直徑和相鄰圈與圈之間的間距恒定，系數(shù)β、κpq以及R均與θ無(wú)關(guān)，定義耦合系數(shù)K：

其中：R0為平均半徑、κ為簡(jiǎn)化為常量的互耦合。同時(shí)引入變換：

其中：m=1,2,···,M?1。此時(shí)連續(xù)性條件轉(zhuǎn)化為

其中：m=1,2,···,M?1。定義振幅透射率T=BM(2π)/B1(0)，假定M圈的光纖是均勻且其分布也是均勻的，即Rm=R0，則可以得到：

對(duì)于M=1 的環(huán)形或者結(jié)型諧振器與M=2 的線圈形諧振器而言，在無(wú)外部損耗的情況下，其振幅透射率為：

諧振條件為

其中：u、v為整數(shù)。對(duì)于M=3 的線圈形諧振器則有：

諧振條件為

通常情況下，在應(yīng)用過(guò)程可將多環(huán)的情況近似簡(jiǎn)化為單環(huán)來(lái)快速估算其諧振特性。

2.2.3 微光纖諧振器的主要參數(shù)

諧振器作為一種全通濾波器，其傳輸諧振與群延遲td相關(guān)。群延時(shí)表示一個(gè)窄帶脈沖在器件中所經(jīng)歷的時(shí)間延遲，定義為總相移相對(duì)角頻率的變化率。對(duì)于一個(gè)無(wú)損耗諧振器，td與透過(guò)率T以及傳播常數(shù)β相關(guān)：

其中：nr為諧振器的折射率。圖6(a)展示兩圈MCR在不同的耦合參數(shù)下的群延遲譜。

色散是微光纖諧振器件需要考慮的重要參數(shù)。微光纖諧振器的色散包括了波導(dǎo)色散和耦合色散。其中波導(dǎo)色散主要由微光纖的色散決定，而耦合色散主要由于相鄰線圈之間的高耦合強(qiáng)度與較長(zhǎng)的耦合長(zhǎng)度導(dǎo)致，這里我們以兩圈的MCR 為例進(jìn)行討論?？紤]光在具有損耗的兩圈MCR 中傳播，則式(20)可改寫為

其中：L是諧振器一圈的長(zhǎng)度，β=2πneff/λ為傳播常數(shù)，neff為有效折射率，α為損耗系數(shù)，K為相鄰兩圈之間的耦合參數(shù)。代入式(25)求得群延遲在諧振頻率處微分可得色散表達(dá)式：

其中：ξ=γ?1+γ，ζ=γ?1?γ，μ=sinK，Df為微光纖的群色散，由式(9)求解。這兩項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)了前述的波導(dǎo)色散與耦合色散。圖6(b)展示了在接近諧振點(diǎn)的情況下(K=1.1π/2)器件總色散DR隨微光纖直徑d和相鄰線圈距離Λ與d的比值Λ/d的分布，可見(jiàn)色散最大可達(dá)2×104ps/(nm·mm)，也可低至0。

圖6 微光纖諧振器的特征參數(shù)。(a) 群延遲譜；(b) 色散；(c) 透射譜Fig.6 Parameters of microfiber resonator.(a) Group delay;(b) Dispersion;(c) Transmission spectrum

對(duì)式(26)求平方，可得微光纖諧振器強(qiáng)度透射率表達(dá)式[27]：

如圖6(c)所示，自由光譜范圍表示為兩個(gè)相鄰諧振峰之間的間隔，嚴(yán)格意義上應(yīng)該等于光在介質(zhì)中傳輸周期的倒數(shù)，當(dāng)用波長(zhǎng)形式來(lái)表示時(shí)，根據(jù)諧振條件有：

其中：neff是指諧振器中的有效折射率，λ是光波長(zhǎng)，L是諧振器腔長(zhǎng)。自由光譜范圍在傳感中往往限定了測(cè)量的量程，在濾波應(yīng)用中則決定了波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)范圍。

精細(xì)度(finesse,f)是一個(gè)由半高全寬(full-width half maximum,FWHM)以及自由光譜范圍FSR 衍生出的參數(shù)，其定義如下：

品質(zhì)因子Q為光波長(zhǎng)λ與FWHM 的比值[28]：

根據(jù)這一定義，結(jié)合前述推導(dǎo)可以得到

其中：α為損耗，K為耦合參數(shù)，Km為諧振時(shí)的耦合參數(shù)。Q 值描述了諧振器對(duì)進(jìn)入其內(nèi)部的光的束縛本領(lǐng)，從上式可以看出這一數(shù)值主要由諧振腔的耦合與損耗決定，損耗越低，耦合越接近諧振態(tài)，則Q 值越高，諧振器束縛光的能力就越好，光子壽命就越長(zhǎng)。微光纖諧振器的Q 值通常在103～105范圍，而只考慮石英材料的本征損耗的話，基于微光纖的諧振器的Q 值極限超過(guò)109[10]。

圖7 展示近十多年來(lái)基于微光纖諧振器一些典型工作的器件Q 值發(fā)展路線[5,8,20-21,29-40]，可以看出總體趨勢(shì)是進(jìn)步的，無(wú)論是MLR，MCR 還是MKR 都可以達(dá)到105量級(jí)的高耦合、低損耗理想狀態(tài)，但在達(dá)到理論極限之前還有很大挖掘的空間，這將伴隨著工藝的摸索，因此提升微光纖諧振器Q 值的道路機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

圖7 微光纖諧振器的Q 值Fig.7 Roadmap of evolution in Q-factor of microfiber resonator

2.2.4 微光纖諧振器的傳感特性

由于微光纖的倏逝場(chǎng)直接與外部環(huán)境接觸，環(huán)境的特征參量變動(dòng)一般會(huì)帶來(lái)波導(dǎo)有效折射率的變化，進(jìn)而導(dǎo)致諧振模式的漂移，這便是將微光纖諧振器應(yīng)用于溫度、折射率和應(yīng)力等傳感的基本原理。傳感靈敏度往往取決于微光纖的尺寸。由于微光纖諧振器的Q 值較高，因此靈敏度通常會(huì)優(yōu)于類似原理的光纖器件(如光纖光柵)，傳感分辨率也更高。同樣以兩圈MCR 為例，根據(jù)諧振條件有

式中：λres為諧振波長(zhǎng)，m為整數(shù)，有效折射率neff表示為微光纖半徑rMF，微光纖折射率nf，環(huán)境折射率na，溫度T與應(yīng)力ε的函數(shù)，L為一圈的腔長(zhǎng)。當(dāng)微光纖諧振器作為折射率傳感器時(shí)，其靈敏度定義為

作為溫度傳感器時(shí)，由于熱光效應(yīng)和熱膨脹同時(shí)存在，微光纖諧振器的諧振模式將受三方面因素同時(shí)影響：折射率變化、微光纖直徑變化和諧振器直徑變化。其溫度靈敏度表達(dá)為

此處二氧化硅的熱光系數(shù)σT=1.2×10?5/℃，熱膨脹系數(shù)αT=5.5×10?7/℃。由于熱膨脹的貢獻(xiàn)一般小于2 pm/℃，而占據(jù)主導(dǎo)的熱光效應(yīng)的貢獻(xiàn)達(dá)到～10 pm/℃?20 pm/℃，因此熱膨脹項(xiàng)一般可以忽略。當(dāng)作為應(yīng)力傳感器時(shí)，在微光纖諧振器中起主要作用的則是彈光效應(yīng)，而應(yīng)力導(dǎo)致的微光纖與諧振器尺寸變化同樣可以忽略。記施加的相對(duì)應(yīng)力為ε，微光纖的有效彈光系數(shù)為peff，則應(yīng)力靈敏度可寫為

3 微光纖諧振器的制備

3.1 微光纖的制備

在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得表面光滑、損耗極低以及截面對(duì)稱的微光纖，研究者們探索了“腐蝕法”和“熱拉伸法”。腐蝕法使用HF 緩沖溶液刻蝕光纖包層以獲得倏逝場(chǎng)，通常難以得到光滑表面從而造成巨大散射損耗。熱拉伸法簡(jiǎn)便安全、可重復(fù)性高、更容易控制，又可分為“兩步法”、“體塊直接拉制法”和“掃火法”。“兩步法”由Tong 等人于2003 年提出，首先通過(guò)傳統(tǒng)熱熔融拉伸獲得粗制光纖探針，再將其繞在藍(lán)寶石尖端上，加熱利用藍(lán)寶石熱學(xué)特性勻速垂直拉制可獲得微光纖。在此基礎(chǔ)上，2006 年“體塊直接拉制法”又被提出。通過(guò)加熱的藍(lán)寶石纖維接觸石英塊蘸取部分熔融石英，再用另一根藍(lán)寶石纖維接觸這一附著的熔融部分，然后讓兩根藍(lán)寶石纖維均勻分離即可得到微光纖?！皰呋鸱ā眲t是熱拉伸工藝定量化、自動(dòng)化的成熟發(fā)展產(chǎn)物，將微光纖損耗進(jìn)一步降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。表1 展示了三類熱拉伸工藝的性能參數(shù)對(duì)比，其中低損耗直徑指能達(dá)到所列舉損耗水平的最小直徑，極限直徑為該工藝能夠制備的最小直徑。

表1 三種熱拉伸制備微納光纖工藝性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of 3 microfiber fabrication methods

掃火法基于火焰加熱光纖致使其軟化，兩個(gè)移動(dòng)方向相反的步進(jìn)電機(jī)拉扯光纖使中間加熱部分變細(xì)從而得到微光纖，其系統(tǒng)裝置如圖8(a)所示。微光纖的腰區(qū)長(zhǎng)度通過(guò)火焰沿光纖的掃描范圍決定，微光纖的直徑可以通過(guò)火焰溫度以及兩側(cè)電機(jī)的牽引應(yīng)力決定。在早期的實(shí)驗(yàn)中，這類方法通常損耗較高，且光纖只能到微米級(jí)別，但之后Brambilla 等對(duì)此方法進(jìn)行改進(jìn)，并成功拉制出直徑到達(dá)百納米級(jí)別，損耗較低的微光纖。他們使用高純度的燃燒氣體，使得燃燒系統(tǒng)較穩(wěn)定，避免了外部環(huán)境的干擾，微光纖樣品的良品率得到較大提升[42-44]。此外，也有此種類型拉制方法的其他形式，比如使用CO2激光器加熱藍(lán)寶石套管，使光纖在藍(lán)寶石套管中受熱軟化，再控制電機(jī)拉伸得到微光纖[8]。也可以通過(guò)將加熱區(qū)域改裝為陶瓷管，通過(guò)電阻加熱的方法來(lái)拉制微光纖，這兩種方法都通過(guò)非接觸熱拉伸方法拉制微光纖，從而避免了火焰直接加熱拉制方法中殘留大量OH?的問(wèn)題。圖8(b)為拉制所成的微光纖的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片，該微光纖直徑約為270 nm。

圖8 (a) “掃火法”系統(tǒng)示意圖；(b)石英材料微光纖的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 (a) Schematic diagram of flame-brushing technique;(b) SEM image of a silica microfiber

3.2 微光纖諧振器的制備

3.2.1 微光纖環(huán)形與結(jié)形諧振器的制備

一般來(lái)說(shuō)微光纖環(huán)形諧振器制備相對(duì)簡(jiǎn)單。在微光纖拉制完成后將其腰區(qū)彎折交疊，使其在應(yīng)力作用下形成環(huán)狀，而交疊部分由于靜電力作用形成一定長(zhǎng)度的耦合區(qū)，即構(gòu)成了環(huán)形諧振腔[8,20,45]，如圖9(a)所示。

而結(jié)形諧振器制備相對(duì)復(fù)雜。早期報(bào)道的大部分微光纖結(jié)形諧振器是采用打斷微光纖，再用錐形光纖探針在顯微鏡下通過(guò)微操作完成[34,46]。此種微加工的方法，能夠?qū)饫w進(jìn)行各類操作，便于制作出滿足需要的微光纖結(jié)形諧振器，能夠很精確地控制諧振器的直徑，調(diào)節(jié)諧振器打結(jié)位置，因此廣泛應(yīng)用于各類折射率傳感，溫度傳感等。如圖9(b)所示，此類打結(jié)方法需要首先將光纖打斷，然后對(duì)打斷的光纖腰區(qū)進(jìn)行操作，成環(huán)結(jié)后再通過(guò)尾纖將光耦合出來(lái)，因此缺陷也比較明顯，一是打斷光纖再耦合使得損耗較大，無(wú)法滿足損耗要求嚴(yán)格的系統(tǒng)中的應(yīng)用，二是打斷再耦合的過(guò)程造成整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，在一些動(dòng)態(tài)傳感應(yīng)用中容易引入較大噪聲。

為此研究者們提出了不剪斷微光纖，直接打結(jié)成環(huán)制作成雙錐結(jié)構(gòu)的微光纖結(jié)形諧振器的方案[33,37]。如圖9(c)所示，首先從步進(jìn)電機(jī)位移臺(tái)上取下拉制好的微光纖，基于微光纖較好的機(jī)械強(qiáng)度，可以直接徒手提起微光纖而不至于斷裂；然后通過(guò)手工協(xié)調(diào)配合打結(jié)成一個(gè)大環(huán)，握住結(jié)形區(qū)逐漸將環(huán)縮?。划?dāng)環(huán)結(jié)區(qū)域接近微光纖區(qū)域時(shí)將整個(gè)結(jié)構(gòu)置于拉光纖的步進(jìn)電機(jī)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，使得環(huán)結(jié)逐漸縮小并最終在腰區(qū)形成一個(gè)結(jié)形諧振器。圖9(d)展示了一個(gè)MKR 的光學(xué)顯微照片。

圖9 微光纖諧振器的制備。(a) MLR 的制備；(b) MKR 打斷式制備；(c) MKR 完整式制備；(d) MKR 樣品實(shí)物顯微照片；(e) 三圈MCR 樣品實(shí)物顯微照片；(f) MCR 的制備；(g) 石墨烯集成MCR 的制備Fig.9 Fabrication of microfiber resonator.(a) Fabrication of MLR;(b) MKR’s cutting-end fabrication;(c) MKR’s complete fabrication;(d) Microscopic image of MKR;(e) Microscopic image of MCR;(f) Fabrication of MCR;(g) Fabrication of graphene-integrated MCR

3.2.2 微光纖線圈形諧振器的制備

微光纖線圈形諧振器的制備，需要專用的旋轉(zhuǎn)臺(tái)工具輔助[30-31,36,47]。其具體流程如圖9(f)所示，第一步，在旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心固定一根輔助棒，同時(shí)用夾具將微光纖的一側(cè)尾纖固定，另一側(cè)垂下，使腰區(qū)與輔助棒高度持平。第二步，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，微光纖會(huì)旋繞在輔助棒上，控制活動(dòng)端的尾纖可以改變線圈的位置與環(huán)間距；完成后如想監(jiān)測(cè)器件的諧振性能，可以將兩端分別連接寬帶光源和光譜儀進(jìn)行掃描。最后一步，使用折射率匹配的聚合物進(jìn)行樣品的封裝。圖9(e)展示了一個(gè)完成的3 圈MCR 樣品。一般輔助棒直徑尺寸可以從幾十微米到幾毫米不等。

如果使用的輔助棒具有表面或者內(nèi)部的功能性結(jié)構(gòu)時(shí)，微光纖的倏逝場(chǎng)還可以使得光在諧振同時(shí)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)作用，實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用功能。理論上在有限的尺寸內(nèi)MCR 環(huán)數(shù)的增加可以實(shí)現(xiàn)光與功能性結(jié)構(gòu)作用距離的最大化。如圖9(g)就展示了在輔助棒上修飾石墨烯實(shí)現(xiàn)石墨烯集成MCR 器件的制備工藝流程。第一步將銅基CVD 生長(zhǎng)的石墨烯表面滴上PMMA 苯甲醚溶液在勻膠機(jī)中進(jìn)行勻膠，之后加熱固化；第二步將PMMA 固化后的銅箔進(jìn)行腐蝕，完成后將石墨烯-PMMA 轉(zhuǎn)移至超純水中漂洗；第三步準(zhǔn)備一根折射率匹配的輔助棒，將浮在超純水表面的薄膜提起，使其附著于棒的側(cè)面；第四步是將棒泡入丙酮中以去除PMMA，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯集成的輔助棒。這之后的工藝流程則與前述MCR 的制備方法一致，實(shí)現(xiàn)微光纖在輔助棒上的繞環(huán)即可。

3.2.3 微光纖諧振器的封裝

微光纖直接暴露在空氣中極容易受到污染，因此多數(shù)時(shí)候都會(huì)用低折射率聚合物封裝保護(hù)，在穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可以隔絕灰塵沾染、延長(zhǎng)器件壽命。典型的低折射率聚合物材料包括特氟龍、紫外膠、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、氣凝膠等[29,35]。

但是微光纖諧振器件對(duì)溫度具有相當(dāng)程度的敏感性，使用低折射率聚合物封裝后，敏感性會(huì)同時(shí)取決于聚合物和光纖材料自身的熱光效應(yīng)以及熱膨脹。盡管溫度傳感通常強(qiáng)調(diào)這一敏感性，但對(duì)于其他應(yīng)用而言這往往是干擾項(xiàng)，故而研究者希望有一種簡(jiǎn)明的方式能夠利用封裝降低溫度敏感性。南京大學(xué)的Chen等提出利用特氟龍負(fù)的熱光系數(shù)，通過(guò)控制微光纖幾何尺寸與結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行匹配，以抵消材料特性帶來(lái)的溫度影響，實(shí)現(xiàn)微光纖諧振器的溫度不敏感[47]。微光纖在封裝后的溫度敏感度可以寫作：

其中：STOE和STEE分別代表了熱光效應(yīng)和熱膨脹的影響，σ和α分別是熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，下標(biāo)MF代表微光纖，LP 代表封裝使用的低折射率聚合物(如特氟龍)。微光纖半徑用rMF表示。SiO2的熱光系數(shù)σMF=1.2×10?5/℃，熱膨脹系數(shù)αMF=5.5×10?7/℃，特氟龍熱光系數(shù)σLP≈?1.3×10?4/℃，熱膨脹系數(shù)αLP≈0.8×10?4/℃。在STEE,LP中引入?yún)?shù)Γ(0<Γ<1)來(lái)表征αLP對(duì)微光纖環(huán)腔長(zhǎng)的有效影響。計(jì)算表明SiO2熱膨脹系數(shù)的貢獻(xiàn)STEE,MF很小可以忽略，熱光系數(shù)STOE,MF的貢獻(xiàn)約為12 pm/℃～20 pm/℃。由于特氟龍的熱光系數(shù)較SiO2大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，STOE,LP這一項(xiàng)是主要影響因素，同時(shí)忽略了STEE,LP帶來(lái)的橫向的熱膨脹影響。如圖10 展示了上述條件下，溫度敏感性隨微光纖直徑的變化。將|S|<5 pm/℃范圍視為溫度不敏感區(qū)，則可以看出在部分直徑區(qū)域，特氟龍封裝可以補(bǔ)償其他的熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)溫度不靈敏?；谠撚?jì)算的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，將一根直徑 3 μm 左右的微光纖繞于表面涂有特氟龍的輔助棒上形成三圈耦合MCR，其溫度靈敏度達(dá)到較低水平，S<6 pm/℃。

圖10 封裝后溫度敏感度隨微光纖直徑的變化Fig.10 Temperature sensitivity as a function of the microfiber radius after package

4 微光纖諧振器的典型應(yīng)用

4.1 基于微光纖諧振器的傳感器

4.1.1 折射率與物質(zhì)濃度傳感

微光纖諧振器最重要的應(yīng)用之一就是傳感器，微光纖賦予的大倏逝場(chǎng)與器件的諧振特性可以大大增強(qiáng)傳感的靈敏度[48]。而最直接的傳感方式，莫過(guò)于折射率傳感與基于折射率的物質(zhì)濃度傳感。對(duì)于直徑在數(shù)微米到百納米之間的微光纖來(lái)說(shuō)，其本質(zhì)上是以二氧化硅為纖芯、外界環(huán)境為包層的圓柱波導(dǎo)，環(huán)境折射率的細(xì)微變化會(huì)直接影響波導(dǎo)的有效折射率，從而進(jìn)一步改變諧振器的諧振頻率和FSR 等參數(shù)，導(dǎo)致諧振峰隨外部環(huán)境的變化漂移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感。通常環(huán)境中物質(zhì)濃度的變化會(huì)導(dǎo)致折射率改變，因此折射率傳感也可以進(jìn)一步應(yīng)用到濃度傳感。

在2007 年，上海交通大學(xué)的Shi 等人就從理論角度證實(shí)了使用MLR 進(jìn)行環(huán)境折射率傳感的可行性[49]。2008 年，來(lái)自南安普頓大學(xué)的 Brambilla 團(tuán)隊(duì)也從理論上提出并完善了基于MCR 的折射率傳感方案，同時(shí)實(shí)驗(yàn)展示了MCR 折射率傳感器的性能，實(shí)現(xiàn)了40 nm/RIU(RIU，折射率單位)的靈敏度[50-51]。同年浙江大學(xué)的Tong 團(tuán)隊(duì)則使用銅棒支撐的MLR 浸沒(méi)在溶液中，實(shí)現(xiàn)了靈敏度達(dá)109.7 nm/RIU 的折射率傳感(圖11(a))[52]。在此之后，基于各種微光纖諧振器的濃度傳感器層出不窮，如MLR 海水混合鹽度傳感器[53]、MKR 與Sagnac 環(huán)結(jié)合的酒精及多種醇類濃度傳感器[54]以及基于MKR 的NaCl 濃度傳感器[55-56]等，均可達(dá)到較高的靈敏度和穩(wěn)定性。

作為一種對(duì)日常生產(chǎn)生活具有指導(dǎo)意義的物質(zhì)濃度，濕度傳感顯得十分重要。2011 年，電子科技大學(xué)的Rao 團(tuán)隊(duì)利用MKR 進(jìn)行相對(duì)濕度傳感[57]，實(shí)驗(yàn)中使用了基于石英光纖和聚合物光纖的MKR 樣品，分別實(shí)現(xiàn)了～12 pm/10%和～88 pm/10%的靈敏度以及500 ms 的響應(yīng)時(shí)間。此后其它基于MLR[58]和MKR[59]的相對(duì)濕度傳感器也被演示。2018 年，來(lái)自韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的Han 團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地使用少模光纖拉制成的微光纖制備MKR，通過(guò)將含有高階模信息的透射譜傅里葉變換到空間頻域，利用變換后的峰進(jìn)行相對(duì)濕度傳感，實(shí)現(xiàn)了最大(0.99 ± 0.011) μm?1/%的靈敏度，對(duì)應(yīng)的常規(guī)諧振峰漂移則達(dá)到了(1.53 ± 0.027) nm/%靈敏度[60]。

由于石英材料本身的限制，如果相對(duì)特定物質(zhì)進(jìn)行特異性傳感往往需要與功能性材料結(jié)合，而近年來(lái)二維材料在探測(cè)領(lǐng)域也嶄露頭角。將二維材料與微光纖諧振器集成為混合模式波導(dǎo)[61]，二維材料對(duì)某些物質(zhì)的吸收會(huì)改變自身能帶結(jié)構(gòu)，引起折射率變化，從而導(dǎo)致混合模式的微光纖諧振器特性改變，實(shí)現(xiàn)傳感。2015 年，Rao 團(tuán)隊(duì)將氧化石墨烯附著于MKR 上，利用氧化石墨烯的特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)氨氣分子和一氧化碳分子的檢測(cè)，分別達(dá)到了0.35 pm/ppm 和0.17 pm/ppm的靈敏度[62]，如圖11(b)所示。2019 年，哈爾濱工程大學(xué)的Wang 團(tuán)隊(duì)則將MCR 與黑磷結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Pb2+離子的超高分辨率探測(cè)，達(dá)到了0.0285 ppb 的探測(cè)精度[63]。

4.1.2 溫度傳感

微光纖的熱光特性導(dǎo)致隨溫度諧振頻率的改變，為基于微光纖諧振器的溫度傳感創(chuàng)造了條件。2009年，浙江大學(xué)的Zeng 等人就展示了基于聚合物封裝MKR 的溫度傳感器，靈敏度達(dá)到0.28 nm/℃，且具有良好的回復(fù)性與穩(wěn)定性[65]。同年，Rao 團(tuán)隊(duì)用類似結(jié)構(gòu)在達(dá)到266 pm/℃的靈敏度同時(shí)實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)時(shí)間小于1 ms 的高速特性，如圖11(c)[64]。此后又有馬來(lái)西亞的Harun 等人，通過(guò)將溫度傳感區(qū)選定在MLR的耦合區(qū)，通過(guò)觀測(cè)耦合區(qū)熱膨脹導(dǎo)致的諧振器透射譜對(duì)比度變化，實(shí)現(xiàn)了靈敏度0.043 dB/℃的溫度傳感[66]。

由焦耳定律我們知道電流產(chǎn)生的焦耳熱與其平方成正比，因此溫度傳感往往可以進(jìn)一步延伸為電流傳感，而微光纖諧振器的環(huán)結(jié)構(gòu)使得其空心的中央恰好可以放置電流載體與諧振器作用。在2011 年Lim 等人就將銅棒置于MKR 環(huán)中，二者緊貼，給銅棒通電產(chǎn)生的焦耳熱使環(huán)膨脹，從而導(dǎo)致諧振峰漂移，實(shí)現(xiàn)了靈敏度51.3 pm/A2的電流傳感[67]。通過(guò)改變環(huán)中央的導(dǎo)體材料，可以進(jìn)一步提升靈敏度。2014 年暨南大學(xué)的 Guan 團(tuán)隊(duì)通過(guò)將MCR 纏繞在鉻鎳合金絲上，將電流傳感器靈敏度提升至220.65 nm/A2[68]，而2015年南京大學(xué)的Xu 團(tuán)隊(duì)則通過(guò)MCR 與石墨烯的集成，將這一數(shù)值進(jìn)一步提升至67.297 μm/A2，如圖11(d)所示[69]。

4.1.3 應(yīng)力傳感

封裝于聚合物中微光纖諧振器也可以用作應(yīng)力傳感器。2017 年，南京大學(xué)的Xu 課題組提出了基于表面等離激元(surface plasmon-polariton,SPP)混合模式的微光纖結(jié)形諧振器(hybrid-plasmonic MKR,HPMKR)[33]。如圖11(e)所示，HPMKR 由光滑金屬膜及附著其上的MKR 組成，在這個(gè)器件中存在著由金屬表面的SPP 模式和微光纖介電模式所激發(fā)的混合模式。該器件具有較好的偏振選擇特性，其偏振選擇消光比在1200 nm 到1600 nm 的紅外波段大于15 dB；同時(shí)器件也具有較好的諧振特性，在1550 nm 波長(zhǎng)處其Q值大于52000。利用PDMS 將HPMKR 封裝起來(lái)，將其作為壓力傳感器測(cè)試，諧振波長(zhǎng)的漂移與負(fù)載重量保持良好的線性關(guān)系，并且樣品具有良好的回復(fù)性，壓力靈敏度達(dá)到18.3 pm/g (51.2 pm/kPa)。此處共振波長(zhǎng)偏移則主要由偏振和PDMS 的彈光效應(yīng)引起[70]。除了靜態(tài)壓力響應(yīng)，HPMKR 同樣具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，測(cè)試表明其可以在60 Hz～3000 Hz 的頻率范圍內(nèi)能夠?qū)φ駝?dòng)做出靈敏響應(yīng)。

此后該團(tuán)隊(duì)又基于HPMKR 制作了高靈敏度和可穿戴光學(xué)傳感器，該器件具有PDMS-HPMKR-PDMS的三明治結(jié)構(gòu)[71]。如圖11(f)所示，這一柔性器件能夠響應(yīng)低至1‰的平面應(yīng)變，壓力傳感具有0.83 kPa?1的高靈敏度，可以檢測(cè)到低至30 Pa 的壓力，其響應(yīng)上升沿時(shí)間小于20 ms。當(dāng)貼在人體皮膚上時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體臨床和生理信號(hào)，如手腕脈搏、呼吸和手指脈搏等，從而為低成本、高靈敏度的可穿戴式傳感器提供一種可行的思路。

類似的器件也可以用于一些特殊場(chǎng)景，如2015年Birks 課題組就展示了基于MKR 的光纖水聽(tīng)器(圖11(g))[39]。利用MKR 對(duì)水壓與振動(dòng)的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在水下對(duì)25 Hz～300 Hz 聲波信號(hào)的探測(cè)，在40 Hz 頻率達(dá)到了?288 dB re (μPa)?1的靈敏度。

圖11 微光纖諧振器傳感。(a) 基于MLR 的折射率傳感器[52]；(b) MKR 與氧化石墨烯集成的氣體傳感器[62]；(c) 基于MKR 的溫度傳感器[64]；(d) 基于石墨烯集成MCR 的電流傳感器；(e) 混合等離激元MKR；(f) 柔性可穿戴HPMKR 傳感器；(g) 基于MKR 的光纖水聽(tīng)器[39]；(h) MCR 微流體傳感器；(i) 基于MCR 的三維立體光柵Fig.11 Sensors based on microfiber resonators.(a) Refractometric sensor based on MLR[52];(b) Graphene oxide deposited MKR for gas sensing[62];(c) Temperature sensor based on MKR[64];(d) Current sensor based on graphene-integrated MCR;(e) Hybrid-plasmonic MKR;(f) Soft and wearable HPMKR sensor;(g) Fiber hydrophone based on MKR[39];(h) Microfluidic sensor based on MCR;(i) 3D-stereo grating based on a microstructured rod with MCR

4.1.4 其它傳感

除了前述的幾種傳感方式以外，微光纖諧振器與一些特殊結(jié)構(gòu)集成還可以實(shí)現(xiàn)更多的傳感方式。如Xu 等人提出的，利用可以后期溶解的支撐棒繞制MCR，待封裝之后將之溶解移除，這樣器件在具有可維持其幾何形狀的封裝層同時(shí)獲得了一個(gè)可以通氣體或者液體的流動(dòng)管道[51]，如圖11(h)所示。將這一管道用于物質(zhì)流動(dòng)，微光纖諧振器的倏逝場(chǎng)直接作用到管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物質(zhì)監(jiān)測(cè)或者流速測(cè)量。這種方案實(shí)現(xiàn)了光通道和流體通道的各自獨(dú)立，互不影響，可以很好地實(shí)現(xiàn)微流體在線檢測(cè)。此外，若支撐棒選擇具有周期孔狀結(jié)構(gòu)的類光子晶體或者微結(jié)構(gòu)光纖制備MCR，可以形成立體表面等效光柵[72]，如圖11(i)所示，該結(jié)構(gòu)用來(lái)做高靈敏度的折射率傳感時(shí)，計(jì)算表明其靈敏度 >103nm/RIU。電子科技大學(xué)的Wu 等則將MKR 與微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)集成，提出了MOEMS 加速度計(jì)[73]，該器件具有 0.029 nm/G 的光學(xué)靈敏度，而電學(xué)靈敏度可達(dá)654.7 mV/G，響應(yīng)范圍±25 G。此外，也有研究者將MKR 與磁流體結(jié)合[74]，在300 Oe 的磁場(chǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定線性響應(yīng)。表2 匯總了各類基于微光纖諧振器的傳感器性能參數(shù)，以供參考。

表2 基于微光纖諧振器的傳感器件Table 2 Sensors based on microfiber resonators

4.2 基于微光纖諧振器的信號(hào)處理

4.2.1 濾波器

光纖是光通信的核心組件，與光纖系統(tǒng)兼容的微光纖諧振器在信號(hào)處理領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。作為具有波長(zhǎng)選擇特性的器件，其最直接的用途便是光濾波器。2008 年，浙江大學(xué)的Yu 等將MLR 套在壓電陶瓷棒上，通過(guò)壓電陶瓷的伸縮來(lái)改變諧振器的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的MLR 濾波器[75]。伊朗的Arjmand 等于2012 年基于MCR 的濾波特性設(shè)計(jì)了一種波長(zhǎng)選擇光放大器[76]。全光纖的兼容性也使得微光纖諧振器可以直接應(yīng)用于通信領(lǐng)域，有利用MKR 濾波實(shí)現(xiàn)從RZ 到NRZ 碼的全光轉(zhuǎn)換[77]，也有利用MLR 與側(cè)拋光纖耦合實(shí)現(xiàn)的上下載濾波器[78]，以及MKR 與鈮酸鋰波導(dǎo)耦合的上下載濾波器[79]等等。2020 年，浙江大學(xué)的Xie 等使用硫系玻璃光纖拉制的微光纖制備的MKR，成功實(shí)現(xiàn)了在4.6 μm 中紅外波段的濾波[80]。

4.2.2 光調(diào)制器

諧振腔結(jié)構(gòu)引入的長(zhǎng)等效作用距離與微光纖的倏逝場(chǎng)使得微光纖諧振器成為開(kāi)發(fā)光調(diào)制器的絕佳平臺(tái)。2014 年，南京大學(xué)的Chen 等人將傳統(tǒng)制備MCR 使用的PMMA 支撐棒替換為鍍有金屬膜的棒，使得微光纖的倏逝場(chǎng)與金屬耦合，從而形成等離激元混合模式波導(dǎo)(圖12(a))，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制的三維立體偏振器件，偏振消光比超過(guò)20 dB[38]。此后他們又提出一種石墨烯-微光纖波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)[32]，如圖12(b)所示，該結(jié)構(gòu)中石墨烯包覆在直徑為毫米量級(jí)的支撐棒上，然后將拉制好的微光纖纏繞到支撐棒表面，形成MCR。這一器件實(shí)現(xiàn)了寬帶光纖起偏器、單模單偏振光纖諧振腔以全光開(kāi)關(guān)的多功能應(yīng)用，其中全光調(diào)制深度達(dá)到7.5 dB(圖12(c))[81]。

由于光纖本身的材料局限性，要實(shí)現(xiàn)微光纖諧振器的全光調(diào)制往往需要與功能性材料集成。最早基于MKR 的全光調(diào)制便是與光敏液晶結(jié)合，通過(guò)照射紫外光改變其有效折射率，實(shí)現(xiàn)對(duì)MKR 諧振的調(diào)制[85]。此后二維材料的興起使得這一領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展，2017 年蘭州大學(xué)的Tian 團(tuán)隊(duì)用石墨烯將MKR 從兩面夾住形成三明治結(jié)構(gòu)(圖12(d))，使用1530 nm 連續(xù)光泵浦下實(shí)現(xiàn)了7.4 dB 的調(diào)制深度，同時(shí)諧振峰也被連續(xù)調(diào)諧0.78 nm[82]。此后又有如圖12(e)所示的WS2集成MKR[83]、MoTe2集成MKR[86]等全光調(diào)制器問(wèn)世，性能持續(xù)進(jìn)步。2020年，深圳大學(xué)的Zhang 團(tuán)隊(duì)展示了二維Ti2CTxMXene 材料與MKR 集成的全光調(diào)制器，相位調(diào)制量達(dá)到9.81π，同時(shí)該材料使得光調(diào)制器在轉(zhuǎn)換效率和調(diào)制速度上具有顯著優(yōu)勢(shì)，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到300 μs 量級(jí)[87]。

除了全光調(diào)制之外，也有研究者使用熱調(diào)的方式，將MKR 與石墨烯集成，使用叉指電極對(duì)石墨烯進(jìn)行熱調(diào)，從而對(duì)輸入MKR 的光信號(hào)相位與強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制量達(dá)到2.1π，響應(yīng)時(shí)間90 μs 左右[88]。

4.2.3 其它光信號(hào)處理應(yīng)用

除了濾波與調(diào)制外，微光纖諧振器在光信號(hào)處理與非線性領(lǐng)域的其它用途也被探索，如圖12(f)所示的基于MCR 的光纖延遲線[84]，Gouveia 等人提出的基于MLR 的二次諧波產(chǎn)生[89]以及Ismaeel等人提出的基于MLR 的三次諧波產(chǎn)生[90-92]，都展現(xiàn)了微光纖諧振器的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景。表3 對(duì)前述的各類光信號(hào)處理應(yīng)用的性能參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的匯總比較。

表3 基于微光纖諧振器的光信號(hào)處理Table 3 Signal processing based on microfiber resonators

圖12 光信號(hào)處理。(a) MCR 寬帶起偏器[38]；(b) 石墨烯集成MCR 全光調(diào)制器[81]；(c) 石墨烯集成MCR 全光調(diào)制器的偏振相關(guān)調(diào)制[81]；(d) 石墨烯集成MKR 全光調(diào)制器[82]；(e) WS2 集成MKR 全光調(diào)制器[83]；(f) MCR 光延遲線[84]Fig.12 Optical signal processing.(a) MCR broad band polarizer[38];(b) Graphene-integrated MCR all-optical modulator[81];(c) Polarization-dependent modulation of graphene-integrated MCR all-optical modulator[81];(d) Graphene-integrated MKR all-optical modulator[82];(e) WS2-integrated MKR all-optical modulator[83];(f) MCR delay line[84]

4.3 微光纖諧振器在光纖激光中的應(yīng)用

微光纖諧振器在光纖激光器中的應(yīng)用形式主要分兩類，如圖13(a)所示，一類是諧振器本身同時(shí)作為激光器諧振腔，通過(guò)摻雜或者染料讓微光纖諧振器具有增益，實(shí)現(xiàn)激光輸出；另一類則是將微光纖諧振器作為功能性器件置入環(huán)形光纖激光器腔中，通過(guò)更復(fù)雜的調(diào)諧獲得目標(biāo)激光輸出。最早在2006 年，浙江大學(xué)的Jiang 就將鉺鐿共摻光纖拉制成的微光纖制成MKR，實(shí)現(xiàn)了單縱模8 μW 的1.5 μm 波段激光輸出[34]，之后又將基于普通光纖的MKR 浸泡在羅丹明?6G 中，實(shí)現(xiàn)了染料激光的輸出[46]。

圖13 應(yīng)用于光纖激光器的微光纖諧振器。(a) 微光纖諧振器的激光應(yīng)用形式；(b) 基于微光纖諧振器的光纖激光器運(yùn)轉(zhuǎn)模式Fig.13 Application of microfiber resonators in fiber laser.(a) Application schemes of microfiber-resonator-based fiber laser;(b) Operation regimes of microfiber-resonator-based fiber laser

在光纖激光器中，微光纖諧振器扮演的首要角色依然是濾波器，而其作用又分為兩種：?jiǎn)尾ㄩL(zhǎng)窄線寬輸出[93]和多波長(zhǎng)輸出。2012 年，華南理工大學(xué)的Yang 團(tuán)隊(duì)使用基于鉺鐿共摻光纖MKR 嵌套的結(jié)構(gòu)進(jìn)行濾波，在1536 nm 實(shí)現(xiàn)了2 kHz 線寬，38 dB 對(duì)比度的單頻窄線寬激光輸出[94]。2016 年Li 等人則使用MKR 級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了線寬0.016 nm，對(duì)比度>60 dB 的單波長(zhǎng)激光輸出[95]。2019 年，Yang 等將MKR 與光纖光柵結(jié)合實(shí)現(xiàn)線寬0.016 nm～0.019 nm 的單縱模輸出[96]。多波長(zhǎng)激光則對(duì)各波長(zhǎng)的均勻性有一定要求，通常關(guān)注峰值3 dB 帶寬內(nèi)輸出的波長(zhǎng)個(gè)數(shù)。在1.5 μm 波段，2014 年 Liu 等人將MKR 與光纖起偏器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的11 個(gè)波長(zhǎng)的均勻輸出[97]，2017 年Xu 等將MKR 與Sagnac 環(huán)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了42 波長(zhǎng)輸出[98]，而Zheng 等則將MKR 作為輸出多波長(zhǎng)激光的工具，集成到研究光纖渦旋光的激光光路中去[99]，輸出最多4通道0.018 nm 線寬的激光。在2 μm 波段，2018 年Li 等則使用黑磷集成的MCR 實(shí)現(xiàn)了1883 nm 附近12 波長(zhǎng)輸出[100]，之后又有Deng 等人用MKR 實(shí)現(xiàn)1965 nm 附近3 波長(zhǎng)輸出[101]。

微光纖諧振器由于具有易與功能性材料集成的優(yōu)勢(shì)，因此也被應(yīng)用于鎖模脈沖激光領(lǐng)域[102]。由于諧振器濾波特性的存在，基于微光纖諧振器的鎖模激光往往呈現(xiàn)較為特殊的輸出態(tài)，極大豐富了鎖模激光的動(dòng)力學(xué)。2018 年，Wang 團(tuán)隊(duì)將MKR 與WS2結(jié)合應(yīng)用于光纖激光器，在1535 nm 附近實(shí)現(xiàn)了7 波長(zhǎng)、16.3 ps 脈寬的多波長(zhǎng)鎖模脈沖輸出[103]。同年華南師范大學(xué)的Luo 團(tuán)隊(duì)使用吸附了石墨烯碎片的MKR，實(shí)現(xiàn)了耗散四波混頻鎖模，在1 μm 和1.5 μm 波段都輸出了百GHz 以上超高重頻的脈沖[104]。2020 年，韓國(guó)的Yong-Won Song 課題組將MLR 與生長(zhǎng)在銅棒上的石墨烯集成，在實(shí)現(xiàn)耗散四波混頻鎖模的同時(shí)通過(guò)給銅棒通電進(jìn)行熱調(diào)，實(shí)現(xiàn)了GHz 重復(fù)頻率的調(diào)諧[105]。另一方面，南京大學(xué)的Xu 課題組則挖掘偏振對(duì)鎖模的作用，利用附著在金膜上的MKR 形成的高偏振的混合等離激元諧振器件，實(shí)現(xiàn)了基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)激發(fā)的耗散四波混頻鎖模[40]。此后又將金膜替換為少層石墨烯，實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q、孤子鎖模到耗散四波混頻鎖模的多態(tài)激光輸出[106]。

綜上，圖13(b)展示了微光纖諧振器應(yīng)用于激光器輸出的幾種典型運(yùn)轉(zhuǎn)模式示意圖，其中紅色曲線代表了光頻域(光譜)的輸出特性，藍(lán)色曲線代表了相應(yīng)的時(shí)域輸出特性。從濾波器的角度微光纖諧振器可以在頻域?qū)崿F(xiàn)單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)的輸出，如左面一列的光譜示意。由于單頻濾波意味著窄帶寬和少縱模，因而往往在時(shí)域?qū)?yīng)連續(xù)波輸出，無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)Q 或是鎖模的脈沖調(diào)制。而寬帶濾波如果沒(méi)有引入損耗調(diào)制機(jī)制，則表現(xiàn)為多波長(zhǎng)連續(xù)光源。當(dāng)寬帶濾波與飽和吸收材料結(jié)合時(shí)，根據(jù)諧振器Q 值決定的濾波線寬的不同，可以在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)多波長(zhǎng)傳統(tǒng)鎖模脈沖(大線寬，多縱模)或者多波長(zhǎng)耗散四波混頻高重頻鎖模脈沖(窄線寬，且有效相干)等多種復(fù)雜的調(diào)制，充分展現(xiàn)了其在激光與超快光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值與前景。相關(guān)工作的性能參數(shù)匯總于表4以供比較參照。

表4 基于微光纖諧振器的光纖激光Table 4 Fiber laser based on microfiber resonators

5 結(jié)語(yǔ)

基于微光纖的諧振器件具有卓越的光學(xué)和機(jī)械特性，為全光纖、微型化的探測(cè)與調(diào)制應(yīng)用提供了廣闊的平臺(tái)支撐。其低插入損耗、高品質(zhì)因子、全光纖兼容性以及易于制備的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)進(jìn)一步與外部功能性材料和各種微納加工技術(shù)結(jié)合，使得在微光纖諧振器上實(shí)現(xiàn)“纖環(huán)實(shí)驗(yàn)室”成為可能，無(wú)論是在傳感、濾波、調(diào)制或者激光等實(shí)用領(lǐng)域，還是量子光學(xué)、非線性光學(xué)等研究領(lǐng)域，都可以實(shí)現(xiàn)豐富多彩的結(jié)構(gòu)與功能。而除了基于石英微光纖的諧振器，其它基于磷酸鹽光纖、氟化物光纖、硫化物光纖、聚合物光纖的微光纖諧振器也在拓展器件在非線性和中紅外波段領(lǐng)域應(yīng)用的邊界。目前，愈加復(fù)雜和精細(xì)化的應(yīng)用使得微光纖諧振器逐漸成為光學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、力學(xué)乃至生物醫(yī)學(xué)交叉的領(lǐng)域，進(jìn)一步探索其潛在應(yīng)用以及新的物理效應(yīng)，仍將是有意義而又機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存的方向。