纳米光纤

2021-03-17 10:09:28 浏览:527

定义

横向维度小于1微米的光纤。

光纤,通常也称为光子纳米线,是指直径在几十到几百纳米的光纤。而亚波长光纤则是强调这一特性。这种纳米线具有很特殊的机械和光学特性。

性质

由于光纤和空气之间很大的折射率差,数值孔径很高,并且有效模式面积非常小。为了更准确的计算模式特性,需要采用全矢量模型,因为不满足傍轴近似。

石英纳米线具有非常特殊的机械强度,弯曲半径可以达到几微米。它的高数值孔径使其弯曲损耗即使在强烈弯曲时也较低。紧密缠绕在一起的光纤可以用来得到小型光纤谐振腔。

由于纳米光纤很小的有效模式面积,光在其中传播会经历很强的非线性,并且在光纤表面还有很强的衰逝场。如果光纤直径小于约0.6微米时(石英光纤的情况),导波的模式半径随着光纤直径的减小而增大[4],主要是由于更细的光纤的导波占的功率变小。大多数光以衰逝场形式在光纤外传播。

制备过程

制备纳米光纤由很多方法。通过加热然后在火焰处拉锥光纤(石英光纤)可以得到非常低损耗的纳米光纤[7]。为了保持较低的损耗,锥形区域需要很平缓(绝热拉锥)。但是,即使在固定光纤直径的情况下,当直径很小时损耗也会很高。

应用

尽管光学纳米线是一个比较新的研究领域,已经发现了很多可能的应用,而有的情况已经实现。例如: (1)在低峰值功率时,纳米线[6,10]中可以得到超连续谱产生。 (2)强弯曲的纳米线可以形成很小的环形谐振腔(微腔,微环干涉仪)[5],可以用作陷波滤波器[8],也可以用于基础研究[2]。 (3) 强的衰逝场可以用于光纤传感器中用在化学或生物领域。 (4)小维度可以探测原子或类似例子发出的荧光[11]。 (5) 可以想象,具有非常小阈值泵浦功率的激光器可以利用小的纳米谐振腔结合一些激光活性掺杂来实现。

参考文献

[1] K. J. Vahala, “Optical microcavities”, Nature 424, 8394346 (2003)
[2] S. M. Spillane et al., “Ideality in a fiber-taper-coupled microresonator system for application to cavity quantum electrodynamics”,Phys. Rev. Lett. 91 (4), 043902 (2003)
[3] L. Tong et al., “Subwavelength-diameter silica wires for low-loss optical wave guiding”, Nature 426, 816 (2003)
[4] L. Tong et al., “Single-mode guiding properties of subwavelength-diameter silica and silicon wire waveguides”, Opt. Express 12 (6), 1025 (2004)
[5] M. Sumetsky et al., “Fabrication and study of bent and coiled free silica nanowires: Self-coupling microloop optical interferometer”,Opt. Express 12 (15), 3521 (2004)
[6] S. G. Leon-Saval et al., “Supercontinuum generation in submicron fibre waveguides”, Opt. Express 12 (13), 2864 (2004)
[7] G. Brambilla et al., “Ultra-low-loss optical fiber nanotapers”, Opt. Express 12 (10), 2258 (2004)
[8] M. Sumetsky et al., “The microfiber loop resonator: theory, experiment, and application”, IEEE J. Lightwave Technol. 24 (1), 242 (2006)
[9] M. Sumetsky, “How thin can a microfiber be and still guide light?”, Opt. Lett. 31 (7), 870 (2006)
[10] R. R. Gattass et al., “Supercontinuum generation in submicrometer diameter silica fibers”, Opt. Express 14 (20), 9408 (2006)
[11] K. P. Nayak et al., “Optical nanofiber as an efficient tool for manipulating and probing atomic fluorescence”, Opt. Express 15 (9), 5431 (2007)
[12] M. A. Foster et al., “Nonlinear optics in photonic nanowires”, Opt. Express 16 (2), 1300 (2008)
[13] D. Yeom et al., “Low-threshold supercontinuum generation in highly nonlinear chalcogenide nanowires”, Opt. Lett. 33 (7), 660 (2008)
[14] R. Yan et al., “Nanowire photonics”, Nature Photon. 3 (10), 569 (2009)
[15] G. Brambilla et al., “Optical fiber nanowires and microwires: fabrication and applications”, Advances in Optics and Photonics 1, 107 (2009)

参阅:光纤、锥形光纤、波导、腔

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